Aktualnie na rynku są dostępne różne rozwiązania dotyczące optymalizacji pracy instalacji fotowoltaicznej. Urządzenia te możemy dobierać w zależności od liczby modułów, skomplikowania dachu czy też elementów zacieniających.

Między innymi wybory te sprowadzają się do stosowania modułów PV z podziałem na 6 sekcji, optymizerów mocy, mikroinwerterów, czy też typowych falowników stringowych w celu optymalizacji uzysku. Wybór konkretnego rozwiązania przekłada się nie tylko na optymalizację instalacji, ale również na koszty jej wykonania i eksploatacji. Firma Solsum przygotowała przewodnik dla inwestorów, który podsumuje dostępne technologie w odniesieniu do mikroinwerterów i falowników co pozwoli na porównanie tych rozwiązań pod kątem wad i zalet.

Ciekawostka: aktualnie w Polsce mikroinwertery pracują na niecałych 2,7 % instalacji, powyżej 97% mikroinstalacji fotowoltaicznych obsługują falowniki stringowe. 

Rys. Po lewej stronie falownik (inwerter) tradycyjny, po prawej stronie mikroinwerter (mikrofalownik).

Moduły fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały (DC), który musi zostać przetworzony na prąd zmienny (AC) o określonych parametrach – tym zadaniem zajmują się falowniki.

W przypadku mikroinstalacji czyli instalacji o mocy do 50kWp najcześciej stosuje się jeden falownik, który jest dopasowany do liczby modułów i ich podziału na poszczególne obwody (sekcje). Stosuje się falowniki posiadające jedno, dwa lub więcej niezależnych wejść  MPPT – jest to o tyle istotne, że w przypadku falownika z dwoma niezależnymi wejściami MPPT moduły fotowoltaiczne możemy montować np. na różnych połaciach dachu i każda sekcja modułów będzie pracować niezależnie. W przypadku skomplikowanego dachu i elementów zacieniających można także rozważyć optymizery mocy np. dla wybranych modułów, które w pewnych okresach dnia lub roku będą zacieniane – do takiego doboru wykonuje się analizę zacienienia w profesjonalnych programach do projektowania instalacji fotowoltaicznych dla konkretnego budynku. Na rynku są także dostępne tzw. mikroinwertery.

Co to jest mikroinwerter?

Mikroinwerter to konwerter mocy (falownik) przetwarzający prąd stały na prąd zmienny, jest to zwykły inwerter jednak w mniejszym rozmiarze i mniejszej mocy i obsługuje jeden lub 2 moduły fotowoltaiczne. Główna różnica polega na tym, że mikroinwerter montowany jest przy każdym module fotowoltaicznym i nie obsługuje większej ilości modułów jednocześnie. Uwaga: zamiennie zamiast mikroinwerter używa się również zwrotu mikrofalownik.

Co jest optymizer mocy?

Jest to dodatkowe urządzenie, które jest montowane do każdego modułu lub obsługujące 2 moduły z tą różnicą, że dodatkowo muszą współpracować z falownikiem sieciowym lub hybrydowym.

Zalety stosowania mikroinwerterów:

1. Możliwość bardziej elastycznej rozbudowy instalacji fotowoltaicznych. W tym celu należy zamontować i podłączyć kolejny panel fotowoltaiczny wraz z mikroinwerterem (ale jednocześnie zobacz pkt 3 i 10. wady mikroinwerterów) 

2. Możliwość montażu instalacji fotowoltaicznych składających się z kilku modułów – w przypadku standardowych instalacji fotowoltaicznych jesteśmy ograniczeni pod względem minimalnej mocy instalacji, którą zastosujemy i minimalną mocą falownika np. od 3kW w przypadku falowników 3 fazowych. Mikroinwertery pozwalają budować instalacje, w których skład wchodzi zaledwie kilka modułów fotowoltaicznych.

3. Każdy mikroinwerter ma własny MPP-tracker – pozwala to na budowanie instalacji fotowoltaicznych na nietypowych dachach, gdzie na części paneli występuje stałe zacienienie, tutaj warto zauważyć, że w przypadku 7% zacienienia instalacji dodatkowy uzysk z mikroinwerterów nie przekroczy 1%, dopiero przy 25% zacienienia instalacji rocznie mikroinwertery dały 4,3% więcej uzysku (generalnie montaż instalacji z zacieniem rocznym na poziomie 25% nie jest zalecane ani opłacalne), zatem nie rozwiązuje to w 100% problemu zacienienia, ale pozwoli na poprawę pracy instalacji w pewnych przypadkach, ewentualnie można też rozważyć moduły z podziałem na 6 sekcji, które również skutecznie minimalizują wpływ zacieniania na uzyski.

4. Możliwość monitorowania każdego modułu osobno – może to być korzyść dla bardziej wymagających osób nastawionych na dokładniejsze badania i analizy pracy mikroinstalacji fotowoltaicznej – ta zaleta dotyczy zarówno mikrobinwerterów jak i optymizerów mocy.

Wady stosowania mikroinwerterów/optymizerów mocy:

1 . Większe ryzyko awarii instalacji fotowoltaicznej – zamiast 1 inwertera mamy tyle sztuk ile zamontowanych modułów. Obliczanie awarii w elektronice elektroenergetycznej jest bezpośrednio związane z liczbą komponentów w urządzeniach zbiorczych oraz temperaturą i wilgotnością, przy których te komponenty są zmuszone do działania. Więc jeśli system ma większą liczbę elementów lub działa w wyższej temperaturze i wilgotności, statystycznie jest znacznie bardziej prawdopodobne, że zawiedzie. Analizy tego typu przeprowadzał koncern SMA (producent falowników i mikroinwerterów) i wynika z nich, że awaryjność w przypadku mikroinwerterów jest nawet do 10 razy częstsza niż falownika stringowego. Brano pod uwagę metodykę średniego czasu między awariami (tzw. MTBF) jest to miara statystyczna stosowana do oszacowania prawdopodobnych awarii falownika.

Dodatkowo warto zapoznać się z prawo Lussera z inżynierii systemów, jest to prognoza niezawodności. Nazwany na cześć inżyniera Roberta Lussera , znany również jako prawo iloczynu Lussera lub prawo iloczynu prawdopodobieństwa elementów szeregowych, stwierdza, że ​​niezawodność szeregu elementów jest równa iloczynowi niezawodności poszczególnych elementów, jeśli ich tryby awarii są znany jako statystycznie niezależny. Im większa liczba komponentów, tym zgodnie z prawem Lussera zmniejsza się niezawodność. Wg prawa Lussera:

Ogólna niezawodność systemu (Rs) = niezawodność komponentu nr 1 x niezawodność komponentu nr 2 …

Przykład 1: Na przykład, biorąc pod uwagę system szeregowy dwóch składowych o różnej niezawodności – jeden z 0,95, a drugi z 0,8 – prawo Lussera przewiduje niezawodność:

Rs = 0,90 x 0,80 = 0,72

Przykład 2: System z 1, 2, 10, 100 komponentów. Każdy komponent ma tą samą niezawodność (0,99) zatem niezawodność całego systemu wynosi:

1 komponent: Rs = 0,99

2 komponenty: Rs = 0,99 x 0,99 = 0,98

10 komponentów: Rs = 0,99 ^ 10 = 0,90

100 komponentów: Rs = 0,99^10 = 0,37 

Instalacja fotowoltaiczna składająca się z 200szt. modułów fotowoltaicznych przy falowniku stringowym to ok. 2000 komponentów. W przypadku mikroinwerterów/optymizerów mocy natomiast ok. 60 000 komponentów.

2. Mikroinwertery/optymizery mocy są montowane pod modułami fotowoltaicznymi, przez co narażone są na trudne warunki atmosferyczne i większe wahania temperatur (obudowa mikroinwertera może nagrzewać się do ponad 60 st. C), zatem żywotność mikroinwerterów może być krótsza niż standardowego falownika, który pracuje w budynku i nie jest narażany na warunki atmosferyczne. Jeśli nawet mikroinwerter jest na gwarancji i zostanie ona uznana to gwarancja nie pokrywa demontażu modułów, ponownego montażu modułów i pełnych kosztów prac związanych z wymianą mikroinwertera (patrz. pkt. 4). 

5. Większe ryzyko powstania pożaru – badania wskazują, że najczęstszą przyczyną incydentów pożarowych w przypadku instalacji fotowoltaicznych są złącza DC, w tym połączenia wykonane złączami MC4 pochodzącymi od różnych producentów lub właściwy montaż. Montując instalację fotowoltaiczną z mikroinwerterami jest kilkukrotnie razy więcej takich połączeń, niż w przypadku standardowego inwertera stringowego, stąd zgodnie z prawem Lussera omawianym w pkt. 1 wzrost ryzyka awarii. 

6. Mikroinwertery/optymizery mocy montowane na dachu przy modułach emitują fale o częstotliwości radiowej, co może powodować szkodliwe zakłócenia w komunikacji bezprzewodowej, odbioru radia i telewizji w domu i w takim przypadku trzeba przenieść antenę w inne miejsce z dala od urządzeń – jest to oficjalna informacja z instrukcji użytkowania/obsługi mikroinwerterów. 

Pod koniec 2021r. Szwedzki urząd odpowiedzialny za bezpieczeństwo urządzeń elektrycznych zakazał sprzedaży wybranych modeli optymalizatorów mocy SolarEdge, oceniając, że nie spełniają one odpowiednich norm.

Jak podał PV Magazine, szwedzki urząd uznał, że optymalizatory mocy od izraelskiego producenta SolarEdge, nie spełniają standardów związanych z kompatybilnością elektromagnetyczną (EMC).

W efekcie w Szwecji została wstrzymana sprzedaż tych urządzeń. Decyzja miała być efektem badania, które Szwedzi wykonali, sprawdzając zgodność z normami EMC w sumie 11 modeli urządzeń obsługujących panele fotowoltaiczne.

7. W związku z wielokrotnioną liczbą połączeń mikroinwertery-panele złączami MC4 istnieje kilkukrotnie większe prawdopodobieństwo słabszego styku a przez to większej rezystancji i większych strat w produkcji energii a także penetracji wody do wnętrza złącz MC4 i w okresach zimowych rozsadzania takiego złącza. Konsekwencje to ograniczenia lub wyłączenia modułu/modułów z pracy

8. Średnio 2% niższa sprawność mikroinwerterów niż w przypadku inwertera sieciowego. Standardowa sprawność falownika sieciowego to 97,5-98,6%, natomiast mikroinwertera 95-96,5%. 

9. Kolejne badanie pokazujące, że w przypadku 95% instalacji wyższy uzysk osiąga instalacja na falowniku stringowym w dobrej technologii w porównaniu do mikroinwierterów, optymizerów mocy:

Rozpowszechnione w  marketingu opinie o wytwarzaniu dodatkowej energii w  przypadku stosowania optymalizatorów nie znalazły potwierdzenia w  tym eksperymencie. W rzeczywistości istnieje naprawdę niewiele scenariuszy, w  których użycie optymalizatorów lub mikroinwerterów zwiększa efektywność systemu.”

10. Wyższa cena, przy instalacji domowej w wersji 3 fazowej instalacja na mikroinwerterach czy optymizerach mocy będzie droższa w porównaniu do odpowiednika z jednym falownikiem. Wyliczenia prowadzone przez SMA wskazują, że instalacje do 3kW i więcej przy mikroinwerterach zwracają się dłużej niż z falownikiem stringowym a im większa instalacja tym większa przewaga w szybszym zwrocie przy falowniku stringowym. Poniżej wykres dotyczący porównania okresu zwrotu. 

11. Lokalizacja falownika a podbijanie napięcia w sieci. Coraz częściej spotykanym zjawiskiem jest wzrost napięcia w sieci, montaż falownika daleko od rozdzielni (w przypadku mikrofalowników ta odległość i ilość jest zawsze większa niż w przypadku falownika stringowego) może potęgować ten efekt.

12. Droższa rozbudowa instalacji niż w przypadku falownika stringowego. W przypadku falownika stringowego przy rozbudowie dokładamy moduły, natomiast w przypadku mikrofalowników dochodzi jeszcze dodatkowo koszt mikrobinwerterów oraz ich montażu i konfiguracji.

Rys. porównanie okresu zwrotu, im bardziej pionowa krzywa tym dłuższy okres zwrotu. źródło: SMA

Podsumowanie

Projektując instalację fotowoltaiczną zwracamy uwagę na optymalną pracę całej instalacji, optymalne koszty a także możliwie bezawaryjne działanie i krótki okres zwrotu –  ma to wpływ na to jaką technologię inwerterową powinno się zastosować w konkretnym przypadku, dlatego ważne jest indywidualne podejście i kontakt z projektantem. Prostym przewodnikiem jest to, że w przypadku systemów jednofazowych o mocy poniżej 3 kWp gdzie występuje zacienienie system mikro inwertorowy może zaoferować optymalne rozwiązanie. W większości pozostałych sytuacji opcją o szybszym okresie zwrotu i najniższym ryzyku jest użycie dobrej klasy typowego falownika (inwertera). Technologia mikroinwerterowa jest stosowana na świecie już od ponad 15 lat i mikroinwertery mają swoją niszę, głównie sprawdzą się w instalacjach poniżej 3kWp co znajduje też odzwierciedlenie w statystykach montaży, gdzie stanowią niecałe 3% montowanych instalacji domowych w Polsce. 

źródła: SMA, Stowarzyszenie Branży Fotowoltaicznej POLSKA PV