envelope redakcja@polskiinstalator.com.pl home ul. Wąski Jar 9
02-786 Warszawa











9Każdy inwestor chce, aby jego instalacja fotowoltaiczna generowała jak największe uzyski energetyczne w ciągu roku. Aby to osiągnąć, konieczny jest odpowiedni dobór inwertera – urządzenia, które bezpośrednio wpływa na optymalną pracę modułów PV. To jedna z kluczowych decyzji przy planowaniu instalacji. Sprawdźmy zatem, na co powinno się zwrócić szczególną uwagę przy jego doborze oraz dlaczego korzystne jest przewymiarowanie mocy modułów PV w stosunku do mocy inwertera.

Zadania realizowane przez inwerter
Głównym zadaniem falownika (ang. inwerter) jest zamiana energii elektrycznej generowanej przez moduły fotowoltaiczne w postaci napięcia i prądu stałego DC – na napięcie i prąd przemienny AC o parametrach zgodnych z tymi, które charakteryzują publiczną sieć energetyczną niskiego napięcia, tj. 230/400 V i 50 Hz. Oprócz konwersji DC/ AC, falownik odpowiedzialny jest także za optymalizowanie pracy połączonych ze sobą w stringi modułów PV, poprzez odpowiednie ich obciążanie, tak aby pracowały w tzw. punkcie MPP (największym punkcie mocy panela) w danych warunkach pogodowych. Nie mniej ważnymi zadaniami inwertera są:

  • całodobowy monitoring pracy całej instalacji;
  • prowadzenie statystyk generowanej energii elektrycznej; 
  • umożliwienie bieżącego odczytu danych wejściowych od strony DC oraz wyjściowych po stronie AC. Pozwala to na bieżące śledzenie poprawności działania całej instalacji oraz szybką reakcję w razie wystąpienia usterki.10

Dlaczego moc modułów powinna być większa niż inwertera?
Instalacje fotowoltaiczne z wielu względów projektuje się w taki sposób, aby zainstalowana moc modułów PV była większa niż moc nominalna falownika. O tym, jaką wielkość powinno mieć to przewymiarowanie, decydują różne czynniki wpływające na zmniejszenie wydajności paneli, a także ich usytuowanie. Co zatem trzeba wziąć pod uwagę, aby właściwie dobrać moc falownika?

11Rzeczywiste warunki pracy, a nie warunki STC. Warunki pogodowe, w jakich realnie pracują moduły PV, bardzo rzadko odpowiadają warunkom STC (laboratoryjnym, w których testuje się panele – Standard Test Conditions), a to właśnie wtedy moduły osiągają swoją moc nominalną podawaną przez producentów na tabliczce znamionowej. W rzeczywistości parametry STC występują zaledwie przez kilkanaście godzin w ciągu roku. Natężenie promieniowania słonecznego najczęściej mieści się w zakresie 100-800 W/m2 , a jeśli nawet osiągnie ono wartość odpowiadającą STC (1000 W/m2 ), to rzadko kiedy temperatura ogniw PV wynosi jednocześnie 25°C, czyli tyle, co zakładają warunki STC. Latem, w słoneczne dni, temperatura ogniw fotowoltaicznych może osiągać wartości nawet 55-75°C.

Wraz ze wzrostem temperatury spada moc generowana przez moduły PV. Stratę tę możemy wyliczyć posługując się tzw. temperaturowym współczynnikiem mocy podawanym w danych technicznych modułu. Przykładowo: jeśli wartość temperaturowego współczynnika mocy wynosi -0,390%/K, a rzeczywista temperatura ogniw PV 60°C, to nastąpi spadek mocy wynoszący 13,65%. Spadek mocy modułu określa się korzystając z poniższej zależności: 

ΔT (60-25) · (-0,390%/K) = 13,65%.

Zakładając, że moc modułów wynosi 310 Wp, spadek mocy na poziomie 13,65% odpowiada wartości 42,3 W.

Dodatkowo warto wziąć pod uwagę straty mocy, które występują na przewodach, oraz wszelkie zabrudzenia na powierzchni modułów, np. kurz. Te czynniki również zmniejszają potencjalne uzyski energii.

Spadek sprawności modułów PV wraz z upływem czasu. Dobierając moc falownika, warto również wziąć pod uwagę to, że moduły PV tracą swoją wydajność wraz w upływem czasu. Każdego roku ich sprawność maleje mniej więcej o 0,5-0,8%, przy czym proces ten najszybciej postępuje w pierwszym roku eksploatacji. Oznacza to, że z każdym kolejnym rokiem stosunek mocy generatora PV do mocy falownika będzie maleć.
Oczywiście, trzeba jednocześnie pamiętać, że falownik nie pracuje ze sprawnością 100%. Nowoczesne falowniki beztransformatorowe osiągają sprawność na poziomie 96-98%. Oznacza to, że falownik nigdy nie zamieni całej energii elektrycznej wygenerowanej przez moduły PV na prąd przemienny oddawany do sieci. Niewielki procent energii jest po prostu tracony w procesie konwersji DC/AC.

Uzyski energii wynikające z usytuowania modułów PV.
Ułożenie modułów PV, tj. ich azymut (odchylenie od kierunku południowego) oraz kąt nachylenia, ma kluczowy wpływ na wartość nasłonecznienia, jakie dociera do nich w ciągu roku. Nasłonecznienie jest w tym przypadku rozumiane jako suma natężenia promieniowania słonecznego w danym czasie (np. w ciągu roku) przypadającego na daną powierzchnię. Jego wartość bezpośrednio wpływa na wielkość uzysków energii elektrycznej generowanej przez moduły.
W szerokościach geograficznych charakterystycznych dla Polski najwyższe wartości nasłonecznienia będą osiągane dla instalacji skierowanej w kierunku południowym, przy nachyleniu paneli 30-40°, a zatem i roczne uzyski energetyczne będą wówczas największe. Uwarunkowania inwestycji (głównie kształt i nachylenie dachu) nie zawsze jednak pozwalają na takie ułożenie modułów i uzyski energii są odpowiednio mniejsze (o tym, czy opłacalne jest „poprawianie” ułożenia paneli przez wykonanie dodatkowych konstrukcji pisaliśmy w „PI” 3/2020).

Jak moc falownika wpływa na uzyski energetyczne?
Sprawdźmy, zakładając różne ułożenie modułów PV, jak na wielkość rocznych uzysków energetycznych z instalacji wpływa zależność między mocą nominalną modułów a mocą nominalną falownika.
Jeśli chodzi o stosunek mocy modułów do mocy falownika (oznaczony jako SM), to generalnie możliwe są trzy warianty, gdy:

  • SM jest mniejszy niż 100% – falownik jest przewymiarowany, czyli moc nominalna modułów jest mniejsza niż moc falownika;
  • SM jest równy 100% – falownik jest dobrany w stosunku 1:1 do mocy nominalnej modułów;
  • SM jest większy niż 100% – falownik jest niedoszacowany, czyli moc nominalna modułów jest większa od mocy nominalnej falownika. 

W naszej analizie weźmiemy również pod uwagę trzy najpopularniejsze przypadki związane z usytuowaniem instalacji na dachu i liczbą paneli:

  • instalacja skierowana idealnie na południe – wszystkie moduły PV, 20 sztuk, znajdują się na jednej, południowej połaci dachu i są nachylone pod kątem 37°;
  • instalacja skierowana na wschód-zachód – zarówno na połaci wschodniej, jak i zachodniej dachu jest po 10 sztuk modułów, nachylonych pod kątem 37°;
  • instalacja kombinowana – 14 modułów znajduje się na połaci dachu skierowanej idealnie na południe, a 10 modułów jest na drugiej połaci, usytuowanej prostopadle względem pierwszej, w kierunku wschodnim bądź zachodnim; wszystkie moduły są nachylone pod kątem 37°. 

Zakładamy, że moduły mają moc 300 Wp każdy, a więc łączna moc instalacji dla dwóch pierwszych przypadków wynosi 6000 Wp. W trzecim przypadku wynosi ona 7200 Wp. Przy doborze mocy pod uwagę były brane falowniki marki Fronius serii SYMO o mocy: 3; 3,7; 4,5; 5; 6; 7 i 8,2 kW.

Instalacja skierowania na południe. Analizując dane z tabeli 1, która przedstawia m.in. możliwe wielkości uzysku (i strat) energii zależnie od mocy falownika, możemy dojść do wniosku, że dla instalacji skierowanej na południe wartość stosunku mocy modułów PV do mocy falownika (SM) powinna się zawierać w zakresie od 72 do 118%. Dla tego przedziału roczne uzyski energetyczne generowane przez instalację są najwyższe i niemal identyczne – różnica sięga około 0,6% w odniesieniu do mocy falownika dobranego w stosunku 1:1 do mocy nominalnej modułów.

12Instalacja wschód-zachód. Jak pokazuje zestawienie uzysków (i strat) energii w tabeli 2, w przypadku instalacji skierowanej na wschód-zachód, w której ta sama liczba modułów jest zlokalizowana na obu połaciach dachu, stosunek mocy modułów PV do mocy falownika może być jeszcze większy i przekraczać wartość 130%, dochodząc nawet do 160%. Możliwość tak dużego przewymiarowania mocy modułów wynika ze specyfiki pracy tej instalacji. Rano będą występowały lepsze warunki pracy dla modułów zlokalizowanych na wschodniej połaci dachu. Wraz ze zmianą położenia Słońca, w południe, warunki pracy będą zbliżone dla obu połaci dachu. Natomiast po południu bardziej sprzyjające warunki będą występować dla modułów zlokalizowanych na zachodniej połaci.

Instalacja kombinowana. Dla 13instalacji, w której większość modułów znajduje się w optymalnym położeniu, czyli na południowej połaci dachu, a mniejsza ich część na połaci o kierunku wschodnim lub zachodnim, stosunek mocy modułów do mocy falownika powinien się mieścić w zakresie 80-125%. Przewymiarowanie nie może być w tym wypadku tak duże jak dla instalacji wschód-zachód, ponieważ zbyt często dochodziłoby do straty nadwyżek energii, która nie byłaby przetwarzana powyżej mocy nominalnej falownika. Moduły skierowanie na południe będą wstanie pracować optymalnie przez większość dnia, natomiast moduły zlokalizowane w kierunku wschodnim – rano, a moduły skierowanie na zachód – po południu.

Ważny argument: kryteria ekonomiczne
Jeśli weźmie się pod uwagę kryteria ekonomiczne, to z pewnością nie opłaca się przewymiarowywać mocy falownika względem mocy modułów PV. Wraz ze wzrostem mocy falownika wzrasta bowiem ich cena, niekiedy skokowo, co nie przekłada się na odpowiednio wyższe uzyski energii – będą one na zbliżonym poziomie jak przy niższej mocy inwertera. Warto zwrócić na to szczególną uwagę, ponieważ różnica w cenach falowników mniejszej mocy (3-6 kW) wynosi około 200 zł, natomiast przy większych mocach może ona przekroczyć 1000 zł, a to już zauważalnie podwyższy koszty inwestycyjne i wydłuży okres zwrotu nakładów na instalację PV.

Literatura:
[1] www.forum-fronius.pl, Maciej Piliński, „Uzyski energii dla różnych układów modułów i konfiguracji falowników”
[2] www.forum-fronius.pl, Maciej Piliński, „Przewymiarowanie instalacji względem mocy falowników Fronius”

14Artykuł stanowi drugą część wznowionego na łamach „Polskiego Instalatora” cyklu „Warsztaty instalatora OZE” w zakresie inwestycji w instalacje fotowoltaiczne, szczególnie mikroi małe instalacje. Korzystając z wiedzy ekspertów z działu Wsparcia Technicznego i Szkoleń firmy Viessmann, przygotowujemy kolejne odcinki tego cyklu, poświęcone np. parametrom paneli PV czy współpracy instalacji z pompą ciepła. Znajdzie się w nich wiele cennych i praktycznych wskazówek dla wykonawców, które zarazem mogą służyć jako argumenty w rozmowach z inwestorami


 

pi