Falownik fotowoltaiczny (inwerter) – czym jest i jak działa

Falownik, zwany też inwerterem, to najważniejszy obok paneli solarnych element każdej instalacji fotowoltaicznej. Poznaj podstawowe informacje na jego temat.

Z artykułu dowiesz się m.in.:

• skąd się wzięły różne nazwy falownika,
• dlaczego instalacja fotowoltaiczna musi być wyposażona w inwerter solarny,
• kiedy stosuje się falowniki jednofazowe, a kiedy trójfazowe,
• czym się różnią inwertery on-grid od falowników wyspowych,
• w jaki sposób inwerter chroni instalację PV,
• co to jest MPPT,
• z jakich elementów składa się falownik fotowoltaiczny,
• kiedy falownik powinien mieć transformator,
• jak długo jest sprawny inwerter.

O falowniku mówi się czasem, że jest sercem lub mózgiem instalacji fotowoltaicznej. To drugie określenie wydaje się nawet trafniejsze, bo falownik niejako zarządza pracą paneli słonecznych, pomagając wyciągnąć z nich maksimum możliwości, monitoruje działanie całego systemu i dba o jego bezpieczeństwo. Ale po kolei.

Po co jest inwerter

Podstawową funkcją falownika fotowoltaicznego jest dostosowanie parametrów prądu wytwarzanego w panelach do tego, który płynie w gniazdkach elektrycznych. Generowany przez panele prąd stały (ang. direct current, DC), jak może pamiętasz z lekcji fizyki, to uporządkowany przepływ ładunków elektrycznych w jednym, konkretnym kierunku. W przypadku zasilania takim prądem wartość chwilowa dostarczanej mocy jest zawsze taka sama, co na schematycznym wykresie można narysować jako linię prostą biegnącą równolegle do osi czasu.

W gniazdkach płynie natomiast prąd przemienny (ang. alternating current, AC), czyli taki, gdzie wartości chwilowe są na przemian dodatnie i ujemne, a w dodatku zmieniają się w powtarzalny sposób, z określoną częstotliwością, co z kolei przedstawić można jako sinusoidę a więc linię falistą. Stąd właśnie wziął się wyraz „falownik”. Inne nazwy tego urządzenia to „przemiennik częstotliwości”, „przetwornica” (bo przetwarza prąd) oraz „inwerter”, od angielskiego czasownika „to invert” oznaczającego „zamieniać” lub „odwracać”.

W przypadku instalacji elektrycznych w budynkach zarówno grzbiety, jak i doliny owej fali powinny mieć taką samą wysokość i następować po sobie konkretną liczbę razy na minutę. Innymi słowy: prąd płynący w tych instalacjach powinien mieć określone napięcie (wyrażane w woltach) i wspomnianą już określoną częstotliwość (wyrażaną w hercach). W sieci niskiego napięcia, do której przyłączony jest twój budynek, parametry te wynoszą odpowiednio 230 V oraz 50 Hz – i do nich też przystosowana jest większość urządzeń elektrycznych takich jak lampy czy sprzęt RTV/AGD.

Falowniki jedno- i trójfazowe Trójfazowe instalacje o napięciu wynoszącym 230/400 V trzeba wyposażyć w inwerter trójfazowy. Wymóg ten zgodnie z normami Operatorów Sieci Dystrybucyjnych (OSD) obowiązuje w przypadku wszystkich instalacji, których moc przekracza 3,68 kW. Z kolei dla instalacji do 3 kW dostępne są wyłącznie falowniki jednofazowe. W przedziale 3-3,68 kW można wybierać pomiędzy inwerterem jednego i drugiego typu. Ten trójfazowy będzie droższy, ale rozprowadzając energię równomiernie na trzy fazy, zapewni mniejsze obciążenie sieci, a więc też jej większą stabilność. Opłaca się go montować zwłaszcza w zakładach przemysłowych i domach ogrzewanych elektrycznie lub posiadających inne energochłonne urządzenia (jak np. kuchenka indukcyjna). Tam, gdzie zużycie prądu na jednej fazie jest wyraźnie większe niż na innych – lub gdy jedna jest stabilniejsza od pozostałych – więcej sensu natomiast może mieć montaż inwertera jednofazowego.

Przeczytaj: Budowa instalacji fotowoltaicznej – elementy systemu i ich zadania

Falowniki sieciowe i wyspowe

Tzw. instalacja wyspowa (inaczej: off-grid), czyli niepodłączona do zewnętrznej sieci elektroenergetycznej, wymagać będzie specjalnego falownika. Zasadnicza różnica między inwerterami sieciowymi (on-grid) i wyspowymi polega na tym, że jeśli panele wytwarzają akurat więcej energii, niż wynosi bieżące zużycie, to falownik sieciowy może odesłać ów nadmiar do sieci, a falownik wyspowy – do akumulatora (albo ewentualnie odłączyć chwilowo instalację w przypadku jego braku). Gdy zapotrzebowanie na prąd jest zbyt wysokie, by pokryć je z pracy samych paneli PV, inwerter odpowiada natomiast za przesył energii w drugą stronę, czyli jej pobór z sieci bądź akumulatora.

Falowniki hybrydowe Nowoczesną, drogą, ale też najbardziej wydajną technologią są falowniki hybrydowe, które współpracują zarówno z akumulatorami, jak i z siecią elektroenergetyczną, łącząc zalety obydwu rozwiązań. Najbardziej zaawansowane urządzenia tego typu mogą mieć wbudowane baterie, co poszerza ich funkcjonalność dodatkowo o magazynowanie energii.

Przeczytaj: Instalacja fotowoltaiczna on-grid czy off-grid – którą wybrać?

Monitorowanie pracy instalacji

Kolejnym zadaniem inwertera jest kontrola wszystkich parametrów związanych z działaniem danej instalacji fotowoltaicznej. Falownik rejestruje chociażby, ile prądu wygenerowały panele w konkretnym czasie, ile energii zużyto, a ile trafiło do sieci – jak również ile energii z niej pobrano. Dane mogą pojawiać się na wyświetlaczu LCD urządzenia, aczkolwiek znacznie wygodniej nadzorować pracę systemu (i to z dowolnego miejsca na Ziemi!) za pośrednictwem dedykowanych stron WWW czy aplikacji na smartfony.

Dzięki nim nie tylko zaobserwujesz, jak szybko postępuje zwrot inwestycji, ale też choćby zareagujesz na wyłapane przez falownik ewentualne usterki, np. wzywając serwis z odpowiednim wyprzedzeniem. Również sam inwerter czuwa nad bezpieczeństwem całego układu, m.in. chroniąc akumulator przed przeładowaniem i rozładowaniem (falowniki wyspowe) czy dopasowując parametry prądu z paneli do napięcia, częstotliwości i przesunięcia fazy prądu płynącego w sieci oraz przerywając połączenie z tą ostatnią, w razie gdyby parametry sieciowe nie mieściły się w normie (falowniki on-grid).

Uwaga: jeśli inwerter wykryje zanik napięcia w sieci, automatycznie wyłączy instalację, która przestanie w związku z tym produkować energię. Zabezpiecza to podpięte do niej urządzenia, ale przede wszystkim chroni osoby zajmujące się przywróceniem działania sieci, które w przeciwnym razie mogłyby zostać porażone prądem z mikroelektrowni np. podczas usuwania skutków awarii.

MPPT, czyli układ śledzenia maksymalnej mocy paneli

Falownik nieustannie kontroluje i optymalizuje pracę systemu PV nie tylko na wyjściu, lecz także po stronie generujących prąd stały paneli. Nowoczesne urządzenia pozwalają „wycisnąć z nich” aż do 20% więcej niż inwertery starszego typu, wyliczając dopuszczalne obciążenie instalacji dzięki funkcji MPPT. Skrót pochodzi od angielskich słów „Maximum Power Point Tracking” oznaczających śledzenie maksymalnego punktu mocy.

Punkt ten zależy od nasłonecznienia i temperatury, które to czynniki są zmienne, a wpływają na charakterystykę prądowo-napięciową poszczególnych ogniw fotowoltaicznych, połączonych w moduły i panele. Jeden gorzej doświetlony moduł lub panel potrafi natomiast znacząco obniżyć wydajność całego systemu (nawet o 15-20%, i to w dobrze zaprojektowanej instalacji). To niekorzystne zjawisko można ograniczyć zasadniczo na trzy sposoby, a mianowicie poprzez:

• zwiększenie liczby modułów MPPT – tak by maksymalne punkty mocy były wyliczane osobno dla każdej z sekcji, na jakie podzieli się panele;
• wyposażenie paneli w specjalne optymalizatory;
• montaż tzw. mikroinwerterów, po jednym na każdy moduł bądź panel.

Falowniki szeregowe i centralne

„Klasyczny” inwerter przeznaczony dla instalacji o mocy do 30 kW określa się niekiedy mianem inwertera szeregowego, łańcuchowego lub – z angielska – stringowego. Jeśli instalacja jest niewielka, zazwyczaj jeden taki falownik obsługuje wszystkie panele. W większych systemach można ich spotkać dziesiątki, a nawet setki, przy czym każdy odpowiedzialny jest tylko za część paneli (tzw. string). W przypadku dużych farm fotowoltaicznych panele łączy się szeregowo w stringi, a następnie wszystkie podpina równolegle do inwertera centralnego. Tego rodzaju urządzenia osiągają moc od kilkuset kilowatów do kilku megawatów.

Budowa falownika fotowoltaicznego

Mierzą natomiast często po kilka metrów, a ich montaż wymaga wtedy użycia ciężkiego sprzętu. Falowniki używane w małych przydomowych instalacjach mają oczywiście znacznie mniejsze wymiary i zazwyczaj przybierają postać skrzynek wieszanych na ścianach piwnic lub pomieszczeń gospodarczych. Istnieją też inwertery bardziej odporne na działanie warunków atmosferycznych, umieszczane na zewnątrz budynków (klasa ochronności IP65 i więcej). Instrukcja każdego modelu zawiera szczegółowe informacje na temat miejsca i sposobu montażu urządzenia, jak również zakresu jego pracy, jeśli chodzi o dopuszczalną wilgotność czy temperaturę powietrza.

Wewnątrz skrzynki falownika mieszczą się zasadniczo elementy takie jak:

• układ wejściowy – to tu znajduje się moduł MPPT, a oprócz niego także m.in. bezpieczniki, rozłączniki i ograniczniki przepięć;
• układ sterujący – i monitorujący pracę instalacji;
• wspomniany wyświetlacz;
• układ przetwarzający prąd stały na zmienny o określonym napięciu i częstotliwości – podstawa całego inwertera;
• układ wyjściowy – dostarczający prąd przemienny do rozdzielnicy bezpieczników, wyposażony w tzw. dławiki, które m.in. zapobiegają nagłym zmianom natężenia;
• ewentualnie osobny układ zabezpieczający – odpowiedzialny np. za wykrywanie usterek;
• wentylatory i inne urządzenia odpowiedzialne za chłodzenie falownika w czasie jego pracy.

Falowniki transformatorowe Niektóre inwertery wyposażone są dodatkowo w transformator, który galwanicznie izoluje prąd stały od przemiennego. Falowniki tego typu są bezpieczniejsze i mniej awaryjne, ale też cięższe i droższe od powszechnie spotykanych falowników beztransformatorowych. Te ostatnie osiągają najlepsze wyniki w szerszym zakresie obciążenia (20-100% w porównaniu z 20-60% falowników transformatorowych), jednak zastosowanie transformatora jest zalecane choćby w przypadku urządzeń o większej mocy, jak również tam, gdzie zachodzi potrzeba uziemienia jednego z biegunów (np. w cienkowarstwowych modułach z ogniw amorficznych – zob. „Rodzaje paneli PV”).

Żywotność i koszt inwertera fotowoltaicznego

Z uwagi na obecność elektroniki i o wiele bardziej złożoną konstrukcję falowniki solarne w porównaniu z panelami fotowoltaicznymi cechuje znacznie wyższa awaryjność i krótsza żywotność. Dobrej jakości inwerter w zakładanych przez producenta warunkach powinien wytrzymać bez usterek jakieś 10-15 lat. Panele – około dwóch razy tyle. Im dłuższa gwarancja na falownik, tym wyższa jego cena, choć ta ostatnia zależy również od innych czynników, takich jak moc czy marka, przekładająca się m.in. na jakość i sprawne serwisowanie. Na inwerterze (i jego fachowym montażu) nie ma natomiast co oszczędzać, bo nie dość, że każda awaria urządzenia czy nawet restart systemu oznaczać będzie przerwę w dostawie prądu z instalacji PV, to jeszcze redukcja jej osiągów przez kiepski falownik wydłuży zwrot z całej inwestycji albo wręcz uczyni ją nieopłacalną.