Falownik (inwerter) fotowoltaiczny – co to jest, jak jest zbudowany, jak działa?

Wyzwania dotyczące dostępności i kosztów energii elektrycznej oraz troska o środowisko naturalne przyczyniają się do wzrostu popularności odnawialnych źródeł energii. Ważną rolę wśród nich odgrywają systemy fotowoltaiczne – jednym z ich nieodłącznych elementów jest falownik fotowoltaiczny, inaczej znany jako inwerter. Co to jest falownik i do czego służy? Z czego jest zbudowany? Jakie dodatkowe funkcje pełni? O tym poniżej.

Kluczowy element przetwarzania energii słonecznej – co to jest falownik (inwerter) fotowoltaiczny?

Aby zrozumieć, jak działa instalacja fotowoltaiczna, należy w pierwszej kolejności odpowiedzieć na pytanie: co to jest falownik? Falownik, określany też mianem inwertera fotowoltaicznego lub inwertera solarnego, jest urządzeniem pełniącym zasadniczą rolę w procesie przekształcania energii elektrycznej wytwarzanej przez panele fotowoltaiczne. Moduły PV przetwarzają energię świetlną na prąd stały (DC), przy czym większość systemów elektrycznych wykorzystuje do działania prąd przemienny (AC). Inwerter przekształca napięcie stałe w napięcie przemienne o parametrach zgodnych z siecią niskiego napięcia, a zatem 230/400 V 50 Hz. 

Inwerter jest obok modułów fotowoltaicznych najważniejszym elementem każdej instalacji PV. Umożliwia on wykorzystanie wyprodukowanej w modułach energii do zasilania urządzeń użytkowanych w gospodarstwach domowych, rolnych i innych nieruchomościach. 

Jak zbudowany jest falownik fotowoltaiczny?

Kolejną ważną kwestią, która pomaga zrozumieć sposób działania falownika, jest jego budowa, umożliwiająca przekształcanie prądu stałego w przemienny. Inwertery fotowoltaiczne zbudowane są z kilku istotnych elementów, dzięki współpracy których możliwe jest efektywne przetwarzanie wyprodukowanej energii.

Z czego zbudowany jest inwerter? Każde urządzenie o tej nazwie składa się z kilku komponentów, do których należą: 

• prostownik– zasilany jedną z trzech faz napięcia przemiennego AC, odpowiada za transformowanie napięcia przemiennego na stałe,
• stopień pośredni (złożony z kondensatorów) – stabilizuje napięcie stałe, przechodzące dalej do stopnia końcowego, 
• stopień końcowy (złożony z tranzystorów)– przekształca prąd stały w przemienny o określonych parametrach,
• układ sterowania i zabezpieczeń – chroni sieć przed awariami, a w razie odczytu niewłaściwych mocy odłącza zasilanie,
• system chłodzenia – zapewnia właściwą temperaturę pracy falownika, który w procesie przetwarzania energii generuje ciepło.

Zamiana prądu stałego w zmienny – jak działa falownik?

Inwerter fotowoltaiczny stanowi nieodłączny element każdej instalacji fotowoltaicznej. Zamieniając prąd stały (DC) wytworzony w modułach fotowoltaicznych na prąd zmienny (AC), który „płynie” w gniazdkach elektrycznych, pozwala na wykorzystywanie wyprodukowanej tym sposobem energii. Jak działa falownik (inwerter fotowoltaiczny)? Schemat pracy urządzenia rozpoczyna się od przekształcenia energii słonecznej przez moduły PV w prąd stały – w takiej postaci jest on dostarczany do inwertera. Na kolejnym etapie urządzenie reguluje napięcie prądu stałego (zgodnie z wymaganiami pracy urządzenia). Umożliwia to optymalne wykorzystanie energii i zapewnia wydajność systemu. W końcowej fazie prąd stały jest przekształcany na prąd przemienny o stałej częstotliwości i napięciu, zgodnie z parametrami sieci elektrycznej lub lokalnego systemu (przetwarzanie DC-AC).

Jakie są rodzaje inwerterów do instalacji fotowoltaicznych?

Wiemy już, co to jest falownik, na czym polega jego zadanie oraz z czego zbudowane jest urządzenie. Do przekształcania prądu stałego w zmienny wykorzystywane są różne rodzaje inwerterów:

• on-grid (sieciowe) – urządzenia te, na co wskazuje sama ich nazwa, nawiązują połączenie z siecią, co pozwala na oddawanie do niej nadwyżek energii elektrycznej wyprodukowanej przez instalację PV
• off-grid (wyspowe)) – inaczej niż inwertery on-grid, nie nawiązują połączenia z siecią, a zatem nie mogą oddawać do niej nadwyżek wyprodukowanej energii elektrycznej. Pozwalają natomiast na ładowanie akumulatorów
• hybrydowe– to urządzenia łączące cechy falowników sieciowych i wyspowych, a zatem jednocześnie współpracują z siecią i umożliwiają ładowanie akumulatorów

Jakie dodatkowe funkcje pełni falownik fotowoltaiczny?

Chociaż zasadniczym zadaniem falownika jest przetwarzanie energii wyprodukowanej przez moduły fotowoltaiczne, to pełni on również dodatkowe funkcje.

1. Śledzenie produkcji energii w instalacji PV

Falownik dostarcza właścicielom systemów PV niezbędnej informacji o ilości wyprodukowanej energii. Użytkownik może śledzić, ile prądu generuje jego instalacja fotowoltaiczna w czasie rzeczywistym lub na przestrzeni określonego okresu – z dowolnego miejsca za pomocą aplikacji. Wiedza ta jest przydatna do szacowania uzyskiwanych oszczędności, jak i oceny rentowności przedsięwzięcia w OZE.

2. Kontrola pracy systemu fotowoltaicznego

Falownik pozwala również monitorować stan systemu PV. Urządzenie dostarcza bowiem wiedzy o takich elementach, jak napięcie czy temperatura, a także informuje o ewentualnych awariach. To pozwala na szybką identyfikację problemów i sprawne podjęcie działań naprawczych.

3. Optymalizacja wydajności modułów fotowoltaicznych

Falowniki wykorzystują zaawansowane algorytmy do optymalizacji wydajności systemów PV. Tym samym mogą one śledzić takie elementy, jak warunki oświetleniowe czy temperatura, aby na tej podstawie dopasowywać parametry pracy modułów fotowoltaicznych w celu uzyskania jak największej produkcji energii.

MPPT w falowniku – co to takiego?

MPPT to skrót od ang. Maximum Power Point Tracking, co może być rozumiane jako układ śledzenia maksymalnego punktu mocy modułów fotowoltaicznych. Jest to funkcja znajdująca się w używanych obecnie falownikach, która w znaczny sposób wpływa na efektywność pracy całej instalacji PV.

Moduły fotowoltaiczne nie mają ustalonego odgórnie punktu mocy maksymalnej (MPP) – ich moc jest zmienna, zależnie od stopnia nasłonecznienia i temperatury. Technologia MPPT działa poprzez dynamiczne dostosowanie napięcia lub prądu wyjściowego falownika do zmieniających się warunków w celu uzyskania maksymalnej mocy z modułów w zmiennych warunkach oświetleniowych. Bez MPPT falownik utrzymywałby stałe napięcie i prąd wyjściowy, co niekorzystnie wpłynęłoby na wydajność systemu.

Jak dopasować moc inwertera do instalacji fotowoltaicznej?

Jednym z zadań związanych z projektowaniem instalacji fotowoltaicznych jest dobór falownika o odpowiedniej mocy. Takiej, która pozwoli na uzyskiwanie maksymalnych ilości energii elektrycznej z modułów PV. Kluczowym czynnikiem jest w tej kwestii sumaryczna moc tych modułów. Jej wartość jest podawana w watach (W) lub kilowatach (kW) na moduł. Mając na uwadze, że moduły PV nie przez wszystkie godziny słonecznych dni działają z maksymalnym uzyskiem, zalecany jest zakup falownika nieco słabszego (ok. 20-25%) od mocy modułów. Pozwoli to uniknąć straty efektywności w gorszych warunkach pogodowych.

Czym kierować się przy wyborze falownika?

Typ i moc falownika nie są jedynymi czynnikami decydującymi o wyborze falownika. Rozważyć należy również inne aspekty, takie jak zakres napięcia i prądu wejściowego falownika. Powinny być one kompatybilne z parametrami modułów PV, aby umożliwić efektywne przekształcanie energii. Warto zainwestować w inwerter odporny na warunki atmosferyczne, takie jak ekstremalne temperatury, wilgoć czy pył, co zapewni jego długotrwałą niezawodność. Przy zakupie urządzenia należy kierować się też klasą IP – dobrą inwestycją są falowniki zapewniające odporność na poziomie co najmniej IP65. Wybór falownika z zaawansowanymi funkcjami monitoringu i zdalnego zarządzania znacznie ułatwia kontrolę nad systemem. Poza tym istotne jest również, aby dany falownik był zgodny z obowiązującymi normami.