Wprowadzenie: Wyzwanie przekształcania prądu

Panele słoneczne są zamontowane, bateria gotowa do użycia, słońce świeci. Podstawy dla instalacji solarnej są zatem spełnione. Brakuje jednak ważnego elementu: inwertera i jego różnorodnych funkcji.

Wyzwanie w instalacjach solarnych:

• Ogniwa słoneczne generują prąd stały (DC)
• Urządzenia domowe potrzebują prądu zmiennego (AC)
• Baterie przechowują ponownie prąd stały (DC)

Aby to rozwiązać, stosuje się elektronikę mocy. W tym artykule dowiesz się, jak działają różne komponenty.

Przegląd: Komponenty elektroniki mocy

Zarówno w technologii solarnej, jak i we wszystkich nowoczesnych urządzeniach, bez elektroniki mocy nic nie działa. W instalacjach solarnych i bateriach stosuje się różne komponenty, które pełnią specyficzne zadania przy przekształcaniu prądu:

Komponent	Funkcja
Inwerter	DC → AC (prąd stały na zmienny)
Prostownik	AC → DC (prąd zmienny na stały)
Podwyższający	Niskie napięcie DC → Wysokie napięcie DC
Obniżający	Wysokie napięcie DC → Niskie napięcie DC
BMS	System zarządzania baterią

Jedno- i dwukierunkowe

Te komponenty mogą być jednokierunkowe (w jednym kierunku) lub dwukierunkowe (w obu kierunkach):

• Jednokierunkowe: Możliwy tylko prąd stały na zmienny
• Dwukierunkowe: Możliwe oba kierunki (ważne dla magazynów energii!)

Inwerter: Serce instalacji solarnej

Inwertery przekształcają generowany prąd stały z modułów słonecznych w prąd zmienny. Odbywa się to za pomocą elektronicznie sterowanych przełączników, zwanych przełącznikami mocy.

Zasada działania: "Rąbanie"

1. Prąd stały jest bardzo szybko włączany i wyłączany
2. Powstaje wzór z różnie długimi czasami przełączania
3. Z wartości średnich "kawałków prądu stałego" powstaje prąd zmienny
4. Częstotliwość wynosi standardowo 50 Hz (Europa)

Wynikiem jest prąd zmienny zgodny z siecią, odpowiedni do wszystkich zastosowań domowych.

Ważne funkcje inwertera

Oprócz samego przekształcania prądu, nowoczesne inwertery pełnią inne ważne funkcje dla bezpiecznej i efektywnej pracy instalacji solarnej:

Funkcja	Opis
Synchronizacja z siecią	Częstotliwość i faza są dostosowane do sieci
Ochrona przed awarią sieci	Odłącza przy awarii sieci (ochrona dla personelu serwisowego)
Ograniczenie mocy	Ograniczenie programowe (np. zasada 70%)
Monitoring	Nadzór i diagnostyka błędów

Sprawność

Nowoczesne inwertery osiągają sprawność 96–98%. Straty powstają przez:

• Straty przełączania w półprzewodnikach
• Własne zużycie elektroniki
• Rozwój ciepła

Prostownik: Przeciwieństwo inwertera

Prostownik to przeciwieństwo inwertera: przekształca prąd zmienny w prąd stały.

Zasada działania

Podczas prostowania prąd zmienny jest częściowo "odcinany":

• Wykorzystuje się tylko dodatnie "szczyty" prądu zmiennego
• Średnia daje niemal stały prąd stały
• Wysokoczęstotliwościowe przełączanie wygładza wynik

Zastosowanie w instalacjach solarnych

Prostowniki są potrzebne, gdy:

• Bateria AC jest ładowana z sieci
• Nadmiarowy prąd z sieci ma być przechowywany

Przetwornice DC-DC: Dostosowanie napięcia

Przetwornice DC-DC zmieniają poziom napięcia prądu stałego, bez jego przekształcania w prąd zmienny.

Podwyższający (Boost-Converter)

Przekształca niskie napięcie w wysokie napięcie.

Budowa:

• Źródło niskiego napięcia
• Cewka
• Dioda
• Przełącznik mocy
• Kondensator

Zasada działania:

1. Przełącznik zamknięty: Prąd płynie przez cewkę, pole magnetyczne się buduje
2. Przełącznik otwarty: Pole magnetyczne zanika, generuje prąd
3. Kondensator ładuje się: Zwiększone napięcie jest przechowywane w kondensatorze

Proces ten powtarza się z bardzo wysoką częstotliwością dla stabilnego napięcia.

Obniżający (Buck-Converter)

Przekształca wysokie napięcie w niskie napięcie.

Zasada działania:

1. Przełącznik zamknięty: Prąd płynie do cewki i kondensatora
2. Przełącznik otwarty: Pole magnetyczne zanika, zmienia się polaryzacja
3. Zmieniające się ładunki: Przez ciągłe zmiany polaryzacji powstaje niższe napięcie

Dwukierunkowa przetwornica DC-DC (Buck-Boost)

Łączy obie funkcje – może zwiększać i zmniejszać napięcie. Ważne dla:

• Ładowania baterii przy różnych stanach naładowania
• Dostosowania do zmieniającego się napięcia modułów słonecznych

Zrozumienie komponentów

Dla lepszego zrozumienia, oto najważniejsze komponenty:

Cewka

Zwinięty przewodnik elektryczny, który:

• Podczas przepływu prądu generuje pole magnetyczne
• Przy przerwaniu prądu pozwala na chwilowy przepływ prądu

Analogicznie: Jak powolne koło wodne, które po wyłączeniu wody nadal się kręci.

Dioda

Pozwala na przepływ prądu tylko w jednym kierunku. Działa jak zawór zwrotny.

Kondensator

Przechowuje energię w postaci pola elektrycznego. Składa się z dwóch przeciwległych płyt metalowych. Służy jako bufor dla stabilnego napięcia.

Przełącznik mocy

Elektroniczne przełączniki na bazie półprzewodników:

• Ekstremalnie wysoka szybkość przełączania
• Mała przestrzeń
• Sterowane przez prąd sterujący

MPPT: Maksymalna moc z instalacji solarnej

Śledzenie punktu maksymalnej mocy (MPPT) jest często zintegrowane w inwerterze. Jego zadaniem jest niezależnie od pogody czy obciążenia zawsze uzyskiwać maksymalną moc z instalacji solarnej.

Dlaczego to potrzebne?

Moc elektryczna to: P = U × I (napięcie × prąd)

Każdy moduł solarny ma indywidualną charakterystykę, która zmienia się przez:

• Zacienienie
• Zmiany temperatury
• Zmienną intensywność promieniowania

Algorytm "Perturb and Observe"

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

W ten sposób MPPT ciągle znajduje punkt maksymalnej mocy – nawet przy zmieniających się warunkach.

System zarządzania baterią (BMS)

Nowoczesne magazyny energii posiadają inteligentny system regulacji i monitorowania dla bezpiecznej pracy.

Kluczowe zadania BMS

BMS spełnia wiele zadań, które są niezbędne dla bezpiecznej i długowiecznej pracy baterii:

Zadanie	Opis
Monitorowanie	Napięcie, prąd, temperatura każdej celi
Równoważenie cel	Równomierne ładowanie wszystkich cel
Ocena stanu	Obliczanie SoC, SoH, SoP
Ochrona	Przed przeładowaniem, przegrzaniem, zwarciem
Komunikacja	Przesyłanie danych do innych systemów

Ważne parametry baterii

BMS monitoruje różne parametry, które informują o aktualnym stanie baterii. Te standardowe skróty często pojawiają się w dokumentacji technicznej:

Skrót	Znaczenie	Pytanie
SoC	Stan naładowania	Jak pełna jest bateria?
SoH	Stan zdrowia	Jak zdrowa jest bateria?
SoP	Stan mocy	Jaką moc może oddać?
SoS	Stan bezpieczeństwa	Jak blisko granicy bezpieczeństwa?
SoF	Stan funkcji	Jak funkcjonalna jest bateria?

BMS monitoruje te parametry ciągle i decyduje o działaniach dotyczących dalszej pracy.

Podsumowanie

Co się dzieje, gdy wszystkie funkcje są zintegrowane w jednym urządzeniu? Więcej na ten temat w artykule Uniwersalny: Inwerter hybrydowy.

---

Pełna seria artykułów „Magazyny energii dla instalacji solarnych"

1. Od żabich udek do baterii: Jak działa magazyn energii? – Podstawy
2. Lit kontra ołów: Która bateria dla instalacji solarnej? – Porównanie technologii
3. Elektronika mocy: Inwertery i przetwornice DC-DC – Jesteś tutaj
4. Uniwersalny: Inwerter hybrydowy – Wszystko w jednym urządzeniu
5. AC czy DC? Topologie systemów dla instalacji solarnych – Koncepcje instalacji

Źródła

• Peter Hofmann: Pojazdy hybrydowe (Springer Vienna, 2010)
• SMA: Podstawy inwerterów solarnych
• HTW Berlin: Efektywność inwerterów hybrydowych
• Elektronik-Kompendium: Podstawy