Fotowoltaika. Mikroinwerter lekarstwem na wszystko?

Instalacja fotowoltaiczna nie działa w warunkach idealnych. Narażona bywa na zacienienie, ponadnormatywne zabrudzenie, czy warunki nie pozwalają na skierowanie jej w stronę południową, a np. w kierunku wschód-zachód. Wielu wykonawców radzi wówczas stosować zamiast tradycyjnego falownika mikroinwertery, które w opinii niektórych urastają do roli panaceum na wszelkie problemy.

Największą wadą (wcale nie jedyną) takiego rozwiązania jest jego cena. Zastosowanie kilku, czy kilkunastu mikroinwerterów znacząco przedroży koszt instalacji w porównaniu do innych metod, a im większa instalacja, tym stopa zwrotu będzie niższa. W dzisiejszym tekście postaram się odpowiedzieć na pytanie, kiedy warto, a kiedy nie warto stosować mikroinwerterów.

Wyeliminować najsłabsze ogniwo!

Mikroinwerter to konwerter mocy przetwarzający prąd stały na prąd zmienny, czyli de facto zwykły falownik. Od stringowego odróżniają go mniejsze rozmiary i moc oraz fakt, że pracuje z pojedynczym modułem, a nie całą instalacją. Ta właściwość usuwa negatywny wpływ, jaki moduły fotowoltaiczne mają na siebie nawzajem.

W klasycznej instalacji moduły połączone są szeregowo, a prąd stały produkowany przez wszystkie panele jest zamieniany na prąd zmienny przez jeden falownik. Problem polega na tym, że wszystkie moduły w linii muszą pracować z taką samą mocą, a zatem moc każdego modułu jest taka, z jaką działa najsłabszy z nich.

Jakie są przyczyny nierównej mocy modułów? Na przykład cień, zabrudzenia, różnice między mocą faktyczną, a nominalną, czy nierównomierny spadek wydajności w czasie.

ZOBACZ: Fotowoltaika – jak dobrać moduły.

Mikroinwerter – zabójca cienia?

Jednym z najczęstszych argumentów za stosowaniem mikroinwerterów w instalacji fotowoltaicznej jest eliminacja wpływu cienia padającego na fragment instalacji, który obniża moc całości. Tak, mikroinwertery robią to świetnie, ale istnieje kilka sposobów na uzyskanie porównywalnego efektu bez inwestycji. Jednym z nich są diody bocznikujące, zwane czasem diodami bypass.

Diody bocznikujące dzielą moduł pionowo na trzy części. Jeśli cokolwiek złego dzieje się z jedną z nich – jest zepsuta, zabrudzona lub zacieniona – diody bocznikujące odcinają tę pętlę i przestaje ona wpływać na resztę układu. Jeszcze lepiej wygląda to w przypadku zastosowania optymalizatorów, które mają za zadanie obciążyć moduł fotowoltaiczny w taki sposób, by w danych warunkach oświetlenia zapewnić na wyjściu największą możliwą moc, niezależnie od tego, jaki prąd i napięcie generują pozostałe moduły w szeregu. 

Aby zobaczyć, jak dobrze radzą sobie z cieniem, przeanalizujmy sytuację, gdy na instalację składającą się z 10 modułów pada cień zakrywający ok. 15% jednego z nich.

Jeśli w klasycznym systemie na module pojawi się cień, zmniejszy się prąd, jaki dany moduł PV będzie mógł generować, a co za tym idzie zmniejszy się prąd generowany przez całą instalację lub moduł zostanie w części, bądź całości odcięty przez diody bocznikujące, a moc instalacji spadnie o ok. 10% w stosunku do mocy nominalnej.

W przypadku wykorzystania modułów z optymalizatorami, każdy z nich będzie mógł pracować z największą mocą, na jaką pozwalają warunki, czyli moduł zacieniony lub zabrudzony będzie generował niższą moc, ale nie będzie wpływał na pracę pozostałych, które będą pracowały na poziomie mocy nominalnej. W konsekwencji cały system będzie w stanie wygenerować moc niższą od nominalnej o ok. 1,5%. Przy dobrze obliczonej i prawidłowo zamontowanej instalacji tak niewielki spadek nie wpłynie na funkcjonowanie domu, czy przedsiębiorstwa.

Zauważmy jednak, że bez mikroinwerterów, moduły fotowoltaiczne mają tylko cztery stopnie regulacji – 100%, 66%, 33% i 0%. Natomiast w rzeczywistości istnieje wiele stanów pośrednich. W części z nich nie będą działać diody bypass, a w części optymalizatory nie będą w stanie spełnić swojego zadania. I tu z pomocą przyjdą nam mikrofalowniki. Dzięki nim każdy moduł będzie działał osobno i niezależnie. Mikroinwertery idealnie sprawdzą się, gdy zacienienie jest duże, a cień przesuwa się po całej instalacji i występuje wiele stanów pośrednich, zbyt skomplikowanych dla diod bocznikujących.

Podkręć (moc) jak Beckham

Jeśli montujemy moduły o mocy np. 330Wp, to producent gwarantuje nam, że przy spełnieniu określonych warunków uzyskamy z nich moc minimum 330Wp. Podkreślam, minimum, bowiem jak każde urządzenie, również moduły charakteryzują się pewną tolerancją względem osiągów nominalnych. Producenci podają różne tolerancje, można jednak przyjąć, że najczęstsze mieszczą się w granicach +5 do +10. Przy instalacji fotowoltaicznej składającej się z np. z 15 modułów część z nich będzie działać z mocą 200Wp, część 302Wp, ale niektóre mogą osiągać nawet 310Wp. Przy falowniku klasycznym nie zauważymy tej różnicy, bo wszystkie będą pracować z mocą najsłabszego.

Szczególnym przypadkiem tej sytuacji jest nierównomierny spadek wydajności w czasie. Zwykle producenci gwarantują, że w przeciągu 25 lat pracy moc z jaką pracują moduły niżej niż do 80% mocy nominalnej. Ale niektóre z nich mogą pracować na poziomie 80%, inne 82%, albo 85%. Tę różnicę pozwolą nam wyzyskać jedynie mikrofalowniki.

Jak widać, maksymalną dostępną moc każdego modułu pozwalają uzyskać jedynie mikroinwertery, dzięki którym będziemy mogli podkręcić instalację niczym procesor w gamingowym komputerze.

Podobny efekt uzyskamy przy nierównomiernym zabrudzeniu modułów. Co do zasady powinny się one brudzić równomiernie, mogą się jednak zdarzyć wypadki (np. gdy mamy zamontowaną instalację fotowoltaiczną na różnych połaciach dachu), że część modułów będzie procowało z niższą mocą lub zostanie wyłączonych przez diody bypass. Przy klasycznym falowniku spadek mocy może być już zauważalny, mikroinwertery natomiast sprawią, że niezabrudzone moduły będą pracować z wyższą mocą niż brudne.

Trzecią sytuacją związaną z wydajnością instalacji fotowoltaicznej jest sprawność falowników. Zazwyczaj bywa tak, że im większy inwerter, tym ma większą sprawność, to znaczy tym lepiej przetwarza prąd stały na prąd przemienny. Różnica między mikroinwerterami, a inwerterami 1-3kW jest pomijalna, ale już w porównaniu do inwerterów o mocy 7-10kW już całkiem widoczna. Mikroinwertery umożliwiają osiągnięcie wyższej wydajności – przy czym dokładne wartości zależą od okoliczności. Przy prostym dachu bez przeszkód, albo instalacji na gruncie nie będzie dużej różnicy. W lokacji z dużym zacienieniem i zmiennymi okolicznościami będzie ona już spora na korzyść instalacji z mikroinwerterami.

Powyższe przypadki wymagają chłodnej kalkulacji, bowiem potencjalne zyski z zastosowania mikroinwerterów mogą nie zrównoważyć nakładów finansowych na ich zakup i instalację. Wypadki nierównomiernego zabrudzenia, czy dużych różnic od mocy nominalnej nie są zbyt częste, może się więc okazać, że inwestycja w kilkanaście dodatkowych urządzeń nie będzie opłacalna.

Rozbudowa instalacji – wisienka na torcie

Na pewno jednak będzie opłacalna w przypadku, gdy planujemy rozbudowę naszej instalacji., Jeśli korzystasz z falownika klasycznego lub optymalizatorów, rozbudowa to temat, powiedzmy, delikatnej natury. Wiadomo przecież, że moduły powinny być tej samej mocy, a z czasem ulegają degradacji. Powinny również pochodzić od tego samego producenta, co może okazać się niewykonalne. Poza tym zwiększając moc instalacji, musisz zwiększyć moc inwertera, jeśli nie zamontowałeś większego (a nie zamontowałeś, bo czytałeś mój poprzedni tekst i wiesz czym to grozi). Dodatkowo również musisz… sam już wiesz, że to nie takie proste.

Wszystkie te problemy znikają, gdy stosujesz mikroinwertery. Można rozbudować instalację w każdej chwili, nie martwiąc się o niedopasowanie mocowe, inne marki modułów, mikroinwerterów itp. Na pierwszy rzut oka nie wygląda to na wielką zaletę, ale w rzeczywistości jest to jedna z najważniejszych przewag mikroinwerterów. Dlaczego?

Bo dołożenie kilku modułów rozwiązuje wcale nierzadki problem niedoszacowania instalacji fotowoltaicznej. Może on wynikać z wielu powodów, np. podczas remontu zmienimy ogrzewanie na elektryczne, czego nie zakładaliśmy w momencie zakupu instalacji, albo firma, od której ją kupiliśmy, nie wzięła pod uwagę spadku wydajności w czasie, dokupiliśmy do firmy nowe urządzenia energochłonne lub zainstalowaliśmy klimatyzację itp., itd. Efekty zawsze będą takie same – produkcja prądu będzie niewystarczająca i będziemy musieli kupować go od dystrybutora.

Z mikroinwerterami można zawsze rozbudować instalację. Tego nie potrafią ani klasyczne inwertery, ani te z optymalizatorami.

„Każdy ma swoje wady i zalety, niestety”

Nie tylko z utworu Paktofoniki wiemy, że wszystko ma swoje wady i zalety. Również mikroinwertery. Poniżej zebrałem najważniejsze z nich. Ich znajomość, wraz w dokładną analizą sytuacji i kosztów powinna wystarczyć do tego, by zdecydować, czy nasza instalacja fotowoltaiczna powinna pracować z inwerterem łańcuchowym, czy może z mikroinwerterami.

Zestawienie powstało na podstawie danych z portalu gramwzielone.pl

W kolejnym tekście przyjrzę się arcyważnej kwestii wymogów bezpieczeństwa, jakie musi spełniać instalacja fotowoltaiczna, sprawdzę również, czy jest ona bezpieczna pod względem możliwości powstania pożaru.