Jak działa falownik? – zasada działania i budowa

Falownik fotowoltaiczny, inwerter fotowoltaiczny, inwerter solarny, przetwornica to nazwy tego samego urządzenia, które jest najważniejszym elementem instalacji fotowoltaicznej. Jego zadaniem jest zamiana prądu stałego, produkowanego przez moduły PV, na prąd zmienny, zsynchronizowany z siecią energetyczną. Do małych instalacji przydomowych potrzebny jest falownik o małej mocy. Najlepsze falowniki małych mocy osiągają sprawność rzędu 97%. Żywotność dobrego falownika szacuje się na 30 lat.

Na rynku dostępne są różne typy falowników:

  • jedno lub trójfazowe (modele o małej mocy, czyli do 3,68 kW, występują w wersji jednofazowej, dla większych mocy stosuje się inwerterytrójfazowe)
  • beztransformatorowe oraz transformatorowe (obecnie stosuje się głównie falowniki bez transformatorów, ponieważ takie konstrukcje wyposażone są bardziej zaawansowane układy zabezpieczeń, co wpływa na większą sprawność przetwornicy przy jej mniejszej wadze i wymiarach)
  • falowniki łańcuchowe (mniejszych mocy), centralne (dużych mocy)
  • falowniki wewnętrzne i zewnętrzne
  • falowniki sieciowe – współpracujące z siecią (On-Grid), falowniki wyspowe (Off-Grid)

Trzeba wykazać się sporą wiedzą techniczną, żeby dobrać falownik do instalacji fotowoltaicznej, dlatego decyzję co do doboru odpowiedniego urządzenia powinno się zostawić projektantowi instalacji. Firma, której zlecimy zaprojektowanie i zbudowanie instalacji PV dysponuje specjalnymi programami, pozwalającymi na symulację zacienienia instalacji przez cały rok i ta symulacja pozwala właśnie na wybrane najodpowiedniejszego falownika. 

Z punktu widzenia użytkownika bardzo ważne jest, żeby wybrany falownik solarny miał dokumentację techniczną w języku polskim,  był zgodny z obowiązującymi normami i przepisami, oraz dawał możliwość łatwego kontrolowania działania i diagnozowania usterek. Równie istotna jest gwarancja i możliwość wyegzekwowania zawartych w niej zapisów oraz dostępność serwisu.

Wyboru odpowiedniego do naszych potrzeb falownika należy dokonać mając na uwadze:

  • sprawność falownika (pozwala uzyskać maksimum energii z paneli – parametr ten znajdziemy w w karcie katalogowej pod nazwą sprawności EURO)
  • zgodność z wszystkimi typami paneli fotowoltaicznych
  • wielkość i konfigurację instalacji
  • dostosowanie do instalacji Off-Grid albo On-Grid

Ponadto istotne są dwa rodzaje parametrów tego urządzenia: wejściowe (maksymalne napięcie wejściowe, maksymalna moc wejściowa, liczba wejść/trackerów, maksymalny prąd na jedno wejście/tracker MPP, zakres napięcia MPPT) i wyjściowe (maksymalna moc wyjściowa, układ faz, zakres synchronizacji napięcia wyjściowego, zakres częstotliwości, sprawność). 

Falowniki On-Grid i Off-Grid

Falowniki On-Grid to falowniki nawiązujące połączenie z siecią energetyczną, przekazujące do niej nadwyżki produkowanej energii oraz dostosowujące napięcie instalacji fotowoltaicznej do napięcia sieciowego. Falownik tego typu nie umożliwia gromadzenia energii w akumulatorach.

Falowniki Off-Grid (autonomiczne, wyspowe) odwrotnie: nie mają możliwości oddawania do sieci nadwyżki wyprodukowanego prądu, są za to w stanie zasilać domowe urządzenia oraz ładować akumulatory.

Budowa falownika

Każdy falownik składa się z następujących elementów:

  • klasycznego prostownika,
  • stopnia pośredniego (złożonego z kondensatorów),
  • stopnia końcowego (złożonego z tranzystorów),
  • układu sterowania i zabezpieczeń

Każdy falownik posiada też elektroniczne urządzenie zwane MPP Traker (ang. Maximum Power Point Tracker), którego zadaniem jest śledzenie maksymalnego punktu mocy modułów fotowoltaicznych i jak najszybsze dopasowywanie się do jego nowej wartości, co może zwiększyć ilość uzyskanej energii nawet o kilkanaście procent.

Stopień przewymiarowania

Specjaliści spierają się na temat relacji mocy modułów PV do mocy nominalnej falowników. Mimo różnic w poglądach, instalację fotowoltaiczną zawsze trzeba przewymiarować względem mocy nominalnej falownika („przewymiarować DC względem AC”).

 Wyliczeń dokonuje się wg wzoru:

Parametr SM może wynosić: 

< 100%, falownik niedociążony (moc nominalna modułów jest mniejsza niż moc nominalna falownika)

= 100%, falownik obciążony mocą nominalną,

> 100%, falownik przeciążony po stronie DC,

Przyjmuje się, że w polskich warunkach wartość SM powinna znajdować się w przedziale pomiędzy 80 a 125% w przypadku instalacji eksponowanej na południe, a w przypadku instalacji wchód-zachód zakres SM może być większy – nawet do 160% i silnie zależy od nachylenia dachu. 

Dlaczego trzeba przewymiarować falownik? Falownik dobrany  na zasadzie 1:1 do instalacji (SM = 100%) byłby permanentnie niedociążony. Dokładny zakres SM oblicza się więc osobno dla każdej konkretnej instalacji fotowoltaicznej. 

Przy wyborze inwertera fotowoltaicznego nie powinniśmy kierować się ceną, a wszystkimi opisanymi wyżej zmiennymi. Prawidłowy wybór falownika może zadecydować o technicznym i finansowym powodzeniu całej inwestycji w instalację fotowoltaiczną. Najlepiej zdajmy się w tej kwestii na pomoc fachowców – pracowników firmy, której zlecamy projekt i wykonanie instalacji.

Autor