Wprowadzenie: Co ma AC/DC wspólnego z instalacjami fotowoltaicznymi?

Co ma legendarna grupa rockowa AC/DC wspólnego z instalacjami fotowoltaicznymi? Nazwa zespołu miała symbolizować potężną siłę i energetyczne występy – podobnie jak energetyczny prąd zmienny (AC) i surowa moc prądu stałego (DC), które przepływają przez instalacje fotowoltaiczne.

Aby poradzić sobie z tymi „surowymi" prądami, stosuje się elektronikę mocy. W tym artykule dowiesz się, jak działają falowniki i dlaczego wybór między systemami jedno- i trójfazowymi jest istotny.

Prąd stały spotyka prąd zmienny

Problem z instalacjami fotowoltaicznymi: Ogniwa słoneczne generują prąd stały (DC), ale urządzenia domowe potrzebują prądu zmiennego (AC) o częstotliwości 50 Hz. Dodatkowo, magazyny energii również używają prądu stałego.

Czym różnią się te dwa rodzaje prądu?

Prąd stały (DC):

• Prąd płynie nieprzerwanie w jednym kierunku
• Jak statek płynący tylko w górę rzeki
• Przykłady: Baterie, ogniwa słoneczne, urządzenia USB

Prąd zmienny (AC):

• Kierunek prądu zmienia się ciągle (50 razy na sekundę przy 50 Hz)
• Jak statek płynący ciągle w górę i w dół rzeki
• Standard w europejskiej sieci energetycznej

Falownik: Serce konwersji prądu

Zasada działania

Falownik przekształca prąd stały z modułów słonecznych w prąd zmienny zgodny z siecią. Odbywa się to za pomocą elektronicznych przełączników (IGBT lub MOSFET), które szybko włączają i wyłączają prąd stały:

1. Wejście DC: Prąd stały z modułów
2. Rozdrabnianie: Przełączniki mocy włączają i wyłączają DC bardzo szybko na różne okresy
3. Modulacja PWM: Poprzez modulację szerokości impulsu powstaje sinusoidalna krzywa z „kawałków prądu stałego"
4. Wyjście AC: Prąd zmienny zgodny z siecią o częstotliwości 50 Hz

Ważne funkcje falownika

• Synchronizacja z siecią: Częstotliwość i faza są dopasowywane do sieci – w przypadku odchylenia falownik się wyłącza
• Ochrona przed wyspą (NA): Odłącza instalację w przypadku awarii sieci dla ochrony personelu serwisowego
• Okno napięcia i częstotliwości: Zasilanie tylko w dopuszczalnych tolerancjach
• Ograniczenie mocy: Wiele sieci wymaga ograniczeń zasilania (np. zasada 70%), które są realizowane programowo

MPPT: Centrum regulacji

Maximum-Power-Point-Tracker (MPPT) jest często zintegrowany z falownikiem. Jego zadanie: Niezależnie od obciążenia czy warunków pogodowych zawsze uzyskać maksymalną możliwą moc z instalacji fotowoltaicznej.

Jak działa MPPT?

Moc elektryczna to iloczyn napięcia i prądu: P = U × I

Każdy moduł słoneczny ma indywidualną charakterystykę, która zależy od generowanego prądu i napięcia. Ta charakterystyka zmienia się przez:

• Zacienienie
• Zmiany temperatury
• Zmieniające się nasłonecznienie

MPPT ciągle bada charakterystykę mocy. Popularny algorytm „Perturb and Observe" (Zakłóć i Obserwuj) działa w ten sposób:

1. Napięcie jest lekko zwiększane lub zmniejszane (zakłócenie)
2. Mierzona jest wynikowa zmiana mocy (obserwacja)
3. Czy moc była wyższa? → Kontynuuj w tym kierunku
4. Czy była niższa? → Zmień kierunek

W ten sposób MPPT zawsze znajduje aktualny punkt maksymalnej mocy.

Zrozumienie prądu trójfazowego

Europejskie sieci używają nie prostego prądu zmiennego, ale prądu trójfazowego (trójfazowego prądu zmiennego). Składa się on z trzech prądów zmiennych, które oscylują równomiernie z przesunięciem czasowym o 120°.

Dlaczego prąd trójfazowy?

Sprawność przesyłu prądu jest znacznie lepsza:

• Prąd jednofazowy wymaga 2 kabli
• Prąd trójfazowy wymaga tylko 3 kabli dla trzykrotnej mocy

Trik: W każdym momencie trzy fazy się równoważą. Gdy maksymalna siła prądu płynie w jednym kablu, dwa pozostałe przewodzą prądy o połowę mniejsze w przeciwnym kierunku. Dzięki temu nie jest potrzebny osobny kabel zwrotny.

Poziomy napięcia w Polsce

Poziom	Napięcie	Zastosowanie
Wysokie napięcie	220–380 kV	Sieci przesyłowe
Średnie napięcie	60–110 kV	Dystrybucja regionalna
Niskie napięcie	10–35 kV	Przemysł, sieci miejskie
Bardzo niskie napięcie	400 V (trójfazowe)	Gospodarstwa domowe
Gniazdko	230 V (jednofazowe)	Pojedyncza faza prądu trójfazowego

Falownik jednofazowy czy trójfazowy?

Wybór między falownikami jedno- i trójfazowymi ma dalekosiężne skutki dla Twojej instalacji.

Falownik jednofazowy

W falowniku jednofazowym prąd stały jest przekształcany w jedną fazę prądu zmiennego. Typowy dla małych i średnich instalacji.

Zalety:

• Prosta konstrukcja: Wymaga tylko dwóch kabli do wejścia i wyjścia
• Niższe koszty: Mniejsze koszty zakupu dzięki prostszej technologii
• Kompatybilność: Wiele urządzeń domowych korzysta tylko z jednej fazy

Wady:

• Ograniczona moc: Zwykle dla instalacji do 3–6 kWp
• Niesymetryczne obciążenie: Przy wysokich prądach mogą wystąpić problemy
• Nie dla dużych odbiorników: Stacje ładowania samochodów elektrycznych lub pompy ciepła często wymagają prądu trójfazowego

Falownik trójfazowy

Falownik trójfazowy przekształca prąd stały w trzy symetryczne fazy prądu zmiennego. Standard dla większych instalacji.

Zalety:

• Wyższa moc wyjściowa: Dla instalacji od 6 kWp wzwyż
• Lepsze rozłożenie obciążenia: Wyższe prądy są rozdzielane na trzy fazy
• Symetryczne zasilanie: Przyjazne dla sieci, brak asymetrii obciążenia
• Kompatybilność z dużymi odbiornikami: Pompy ciepła, stacje ładowania, płyty grzewcze

Wady:

• Wyższe koszty: Bardziej złożona konstrukcja, droższe komponenty
• Bardziej skomplikowana instalacja: Dodatkowe środki bezpieczeństwa i okablowanie

Rekomendacja

Wielkość instalacji	Rekomendacja
Do 3 kWp	Jednofazowy wystarczający
3–6 kWp	W zależności od odbiorników
Od 6 kWp	Trójfazowy zalecany
Z pompą ciepła/stacją ładowania	Trójfazowy

Prostowniki i ścieżki DC

Jeśli używane są magazyny energii lub połączenia DC, prostowniki przekształcają prąd zmienny z powrotem w prąd stały. Jest to konieczne, gdy:

• Bateria połączona z siecią AC jest ładowana z sieci
• Nadmiar prądu z sieci jest magazynowany

Również tutaj obowiązują wysokie sprawności na poziomie około 96–98%. Straty powstają głównie przez:

• Straty przełączania w półprzewodnikach mocy
• Filtrację harmonicznych

Nowoczesne topologie redukują te straty dzięki wysokiej częstotliwości przełączania i zoptymalizowanym filtrom.

S w oprogramowaniu oznacza Solar

Oprócz sprzętu, oprogramowanie jest kluczowe dla zarządzania instalacją fotowoltaiczną. Oprogramowanie działa jako interfejs między modułami słonecznymi, baterią, licznikami energii a użytkownikiem.

Zadania oprogramowania instalacji

• Regulacja i sterowanie: Ścisła współpraca z MPPT
• Zbieranie danych pomiarowych: Cyfrowe zbieranie i zarządzanie wszystkimi danymi pomiarowymi
• Przekazywanie danych: Komunikacja między komponentami
• Monitorowanie: Wykrywanie błędów i spadków wydajności
• Obliczanie kosztów: Prognozy zysków i amortyzacja
• Integracja z inteligentnym domem: Połączenie z automatyką domową

Podsumowanie

Na zakończenie: Magazyny energii: Pomocnik przy złej pogodzie

Źródła

• Innov Energy: Mała szkoła prądu
• Elettronew: Falowniki fotowoltaiczne
• Elektronik-Kompendium: Dlaczego 220 Volt?
• Optivolt: Falowniki jedno- vs. trójfazowe
• Peter Hofmann: Pojazdy hybrydowe (Springer Vienna, 2010)
• Martin Doppelbauer: Podstawy elektromobilności (Springer, 2020)