Miesiąc: Kwiecień 2018

Podstawy fotowoltaiki w pigułce

Podstawy fotowoltaiki w pigułce

Niniejszy artykuł ma na celu wyjaśnienie podstawowych zagadnień związanych z fotowoltaiką, zarówno technicznych, prawnych, jak i finansowych oraz podsumowanie korzyści wynikających z posiadania domowej elektrowni słonecznej. 

Podstawy fotowoltaiki

Nazwa „fotowoltaika” pochodzi z połączenia dwóch słów: photo – oznaczające światło, oraz volt – oznaczające jednostkę pomiaru napięcia prądu. Często zamiennie używa się dla określenia fotowoltaiki skrótu PV.

Moduły fotowoltaiczne składają się z ogniw, które bezpośrednio zamieniają promieniowanie słoneczne w energię elektryczną. Kiedy promieniowanie słoneczne pada na ogniwo, fotony wybijają elektrony i powstaje różnica potencjałów sprawiająca, że przepływa prąd stały. Systemy fotowoltaiczne nie potrzebują jasnego światła aby działać – produkują energię także w pochmurne dni.

Jak wygląda instalacja fotowoltaiczna?

Domowe instalacje fotowoltaiczne zwykle są montowane na dachu budynku. Systemy takie wymagają falownika (ang. inverter) – urządzenia zamieniającego prąd stały (DC) produkowany przez moduły PV na prąd zmienny (AC) o charakterystyce odpowiedniej dla sieci elektroenergetycznej danego kraju (w Polsce 230V, 50Hz).

Przykładowa instalacja fotowoltaiczna została pokazana na rysunku poniżej:

H:\Solar Energy\ARTYKUŁY\2018.02 Gazeta Sołecka\cz.1-rys.1-PV_inhouse_2.png

Rys. 1. Przykład systemu fotowoltaicznego zainstalowanego na dachu i przyłączonego do sieci: 1) pole modułów, generator fotowoltaiczny wytwarzający prąd stały (DC), 2) konstrukcja wsporcza, 3) kable dedykowane do zastosowań w fotowoltaice, 4) instalacja odgromowa, 5) układy pomiarowe – dwukierunkowy licznik energii elektrycznej, 6) falownik przetwarzający prąd stały na prąd przemienny (AC), 7) istniejąca w budynku sieć energetyczna, odbiorniki energii, 8) miejsce przyłączenia do sieci energetycznej, 9) sieć Operatora Systemu Dystrybucyjnego (OSD).

Co się dzieje z produkowaną energią?

Wyjaśnienie tego zagadnienia jest kluczowe dla zrozumienia korzyści płynących z instalacji fotowoltaicznych.

Na kolejnych rysunkach pokazane są przepływy energii pomiędzy OSD (Operator Systemu Dystrybucyjnego – np. PGE, Tauron, Energa, ENEA) a budynkiem. Granicą przyłączenia jest najczęściej miejsce instalacji układu pomiarowego – licznika energii.

\\pl-gli-001\Department$\TechSupport\Solar\07 partners\Fibaro\rys_02a.png

Rys. 2.a) Zwykła instalacja domowa. Całość energii potrzebnej do zasilenia odbiorników w domu pobierana jest z sieci.

\\pl-gli-001\Department$\TechSupport\Solar\07 partners\Fibaro\rys_02b.png

Rys. 2.b) Instalacja fotowoltaiczna w budynku produkuje energię, która w pierwszej kolejności zasila odbiorniki znajdujące się w domu. Jeśli ilość produkowanej energii jest niewystarczająca, „brakująca” część energii dobierana jest z sieci energetycznej (od OSD).

\\pl-gli-001\Department$\TechSupport\Solar\07 partners\Fibaro\rys_02c.png

Rys. 2.c) Może się również zdarzyć, że ilość produkowanej energii jest większa, niż potrzeby energetyczne budynku. W takiej sytuacji w pierwszej kolejności zasilane są odbiorniki w domu, a nadwyżka produkowanej energii jest oddawana do sieci energetycznej (do OSD).

Podłączenie instalacji fotowoltaicznej do sieci elektrycznej budynku (zrealizowane w jego rozdzielni głównej) pozwala bezpośrednio wykorzystać produkowaną energię na potrzeby odbiorników znajdujących się w budynku – w sytuacji niewystarczającej produkcji energia jest pobierana z sieci, natomiast nadwyżki są oddawane do sieci.

Aby móc zmierzyć ilość oddanej energii konieczna jest wymiana klasycznego licznika energii na nowoczesny licznik elektroniczny, dwukierunkowy. Energia zakupiona od sprzedawcy energii liczona jest ze znakiem „+”, natomiast energia oddana do sieci – ze znakiem „–”.

Jak oszacować ilość produkowanej energii

Moc instalacji fotowoltaicznej określa się jako iloczyn mocy nominalnej zastosowanych modułów. Przykładowo, dla 20 modułów 270Wp będzie to 5400Wp, czyli 5,4kWp.

20 • 270Wp = 5400Wp = 5,4kWp

Korzystając z darmowych narzędzi, takich jak baza PV-GIS (http://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/tools.html) można łatwo oszacować ilość produkowanej rocznie energii, w zależności od lokalizacji, kąta nachylenia modułów, czy też azymutu pola modułów PV. Dla gmin zlokalizowanych w Małopolsce, nasza przykładowa elektrownia wyprodukuje 5420kWh energii elektrycznej (rys. 3). W uproszczeniu można przyjąć, że 1kWp mocy elektrowni daje 1000kWh energii rocznie.

Rys. 3. Roczny profil produkcji energii w instalacji fotowoltaicznej o mocy 5.4kWp zainstalowanej na budynku domu jednorodzinnego.

Samowystarczalność – stopień wykorzystania energii na potrzeby własne

Prawidłowo dobrana instalacja fotowoltaiczna powinna w ciągu roku produkować tyle energii, ile jest zużywane w budynku w tym samym okresie. Przykładowo, jeśli zużywamy rocznie 5MWh (5000kWh), elektrownia fotowoltaiczna powinna w okresie roku produkować 5MWh.

Pojawia się jednak kwestia niedopasowania profilu zużycia energii i profilu jej produkcji w dwóch aspektach:

  • W trakcie roku energia produkowana jest z fotowoltaiki głównie w okresie letnim, późną wiosną i wczesną jesienią. W miesiącach grudzień-styczeń elektrownia wytwarza zaledwie około 4-5% całej produkcji rocznej. Z kolei zużycie energii z reguły jest większe niż w okresie letnim: krótsze dni wymagają dłuższych czasów korzystania z oświetlenia, energia jest też wykorzystywana do ogrzewania.
  • W ciągu dnia szczyt produkcji energii przypada na godziny okołopołudniowe. W tym czasie domownicy przebywają w pracy (poza domem), a zatem produkowana energia nie jest konsumowana i musi zostać oddana do sieci elektroenergetycznej.

Przykładowe profile zużycia i produkcji energii przedstawiono na rys. 4. Zjawisko to jest naturalne i występuje w przypadku, w którym moc instalacji fotowoltaicznej została dobrana poprawnie do potrzeb energetycznych budynku. Samowystarczalność takiego budynku – czyli ilość wytworzonej energii, którą wykorzystuje się bezpośrednio do zaspokojenia własnych potrzeb energetycznych – wynosi około 25-30%. To oznacza, że pozostałe 70-75% energii jest oddawane do sieci, a następnie odbierane z sieci np. w godzinach nocnych. Oczywiście ze stratą dla właściciela budynku (o czym więcej – poniżej).

H:\TechSupport\Solar\07 partners\Fibaro\rys_01a.png

Rys. 4. Przykładowy profil produkcji i zużycia energii w instalacji fotowoltaicznej zainstalowanej na budynku domu jednorodzinnego. Większość produkowanej w trakcie dnia energii oddawana jest do sieci, aby zostać pobrana w godzinach wieczornych i nocnych.

Opis sytuacji prawnej w Polsce

Zmiany w rozliczaniu wyprodukowanej energii elektrycznej przez prosumentów (właścicieli przydomowych mikroinstalacji o mocy do 40kW) weszły w życie od dnia 1.07.2016r.

Aktualny stan prawny dla prosumentów przewiduje brak zapłaty za nadwyżkę ilości energii wprowadzonej w stosunku do ilości energii pobranej z sieci OSD. Taki klient, spełniając warunek m.in. posiadania umowy kompleksowej, będzie podlegać rozliczeniu ilości energii elektrycznej wprowadzonej do sieci elektroenergetycznej wobec ilości energii elektrycznej pobranej z tej sieci w stosunku ilościowym 1:0,8 (dla mocy zainstalowanej elektrycznej mniejszej lub równej 10 kW) lub 1:0,7 (dla mocy zainstalowanej elektrycznej większej niż 10 kW).

W sytuacji, w której oddamy do sieci więcej energii niż będziemy w stanie odebrać w okresie 1 roku, energia ta „przepada”. Nie warto zatem inwestować w elektrownie fotowoltaiczne o zbyt dużej mocy.

Ile wyprodukowanej energii wykorzystamy? 

Aktualny system opustów można porównać do magazynu energii, w którym z 1000kWh oddanych do sieci możemy odebrać tylko 800kWh. Przy samowystarczalności budynku na poziomie 30% i rocznej produkcji 5400 kWh, bezpośrednio zużywamy:

30% • 5400 kWh = 1620 kWh.

Pozostałą część energii musimy oddać do sieci a następnie odebrać ją z opustem, zatem pozostaje nam:

70% • 5400 kWh • 0,8 = 3024 kWh.

Gdzie:

  • 30% to ilość energii wyprodukowanej i zużytej bezpośrednio (tzw. „samowystarczalność”)
  • 70% to pozostała energia: oddana, a następnie pobrana z sieci energetycznej
  • 5400kWh to ilość energii wyprodukowanej w ciągu roku przez naszą elektrownię fotowoltaiczną
  • 0,8 to wartość wynikająca z „opustu” 1:0,8.

Nadal jednak w naszym budynku możemy wykorzystać do zasilenia naszych odbiorników energii, całkiem sporą wartość, tj:

1620 kWh + 3024 kWh = 4644 kWh

Czy w takim razie fotowoltaika w Polsce się opłaca?

Jeżeli w naszym przykładowym domu zużywamy rocznie 5000 kWh energii, to płacimy za nią wraz z kosztami przesyłu i opłatami stałymi około 3100 zł (kwota ta może nieznacznie różnić się w zależności od Operatora i zastosowanej taryfy).

Jeżeli część dotychczas kupowanej energii wyprodukujemy sami, to rachunki za energię elektryczną znacząco się obniżą, ponieważ będziemy kupować jej istotnie mniej:

5000 kWh – 4644 kWh = 356 kWh

Za taką ilość energii zapłacimy około 330 zł rocznie (wraz z opłatami stałymi), czyli mniej niż 30zł miesięcznie!

Zysk w pierwszych dziesięciu latach – przy optymistycznym założeniu, że cena energii elektrycznej nie będzie rosła – to:

(3100 zł – 330 zł) • 10 lat = 2770 zł • 10 lat = 27700 zł

Elektrownię fotowoltaiczną bazującą na dobrej jakości, europejskich produktach (takich jak falowniki Fronius) można zakupić wraz z montażem za około 5000 zł brutto za 1 kWp. Nasza przykładowa elektrownia domowa o mocy 5,4kWp będzie zatem kosztowała około:

5,4kWp • 5.000 zł / kWp = 27000 zł

Wniosek

Instalacja fotowoltaiczna jest bezobsługowa i nie wymaga dostarczania paliwa. Zatem koszt zakupu i instalacji naszej elektrowni na dachu zwróci się dzięki obniżonym rachunkom za energię elektryczną w okresie poniżej 10 lat! A przecież poprawnie wykonana elektrownia będzie nam służyć 25 lat i dłużej, generując nam w tym okresie czysty (również w sensie ekologicznym) zysk.

Natomiast jeżeli podniesiemy stopień wykorzystania energii na potrzeby własne, np. z 30% do 50%, nasza inwestycja zwróci się jeszcze szybciej!

Na tym webinarium można się nauczyć, jako to zrobić.

Przewymiarowanie instalacji względem mocy falowników Fronius

Przewymiarowanie instalacji względem mocy falowników Fronius

Na początku wyjaśnijmy podstawy: dlaczego należy przewymiarować instalację fotowoltaiczną względem mocy nominalnej falownika, a dalej zdefiniujemy jaki jest dopuszczalny stopień takiego przewymiarowania.

Dobieramy moduły do falownika czy falownik do modułów?…

Często można spotkać się z odmiennymi opiniami na temat relacji mocy modułów do mocy nominalnej falowników. Aby przeanalizować te przypadki, wprowadźmy definicję współczynnika mocy falownika (ang. inverter ratio, IR). Wzór na obliczenie tego współczynnika można zapisać:

Możliwe są tu trzy warianty:

  1. IR < 100%, falownik niedociążony – moc nominalna modułów jest mniejsza niż moc nominalna falownika
  2. IR = 100%, falownik obciążony mocą nominalną,
  3. IR > 100%, falownik przeciążony po stronie DC – moc nominalna modułów jest większa niż moc nominalna falownika

Dla szerokości geograficznej Polski i Europy Centralnej przyjmuje się, że wartość IR powinna znajdować się w przedziale pomiędzy 80 a 125%, natomiast dokładny zakres oblicza się w zależności od specyficznych danych konkretnej instalacji PV. Optymalna wartość zależy głównie od lokalizacji, rodzaju i orientacji modułów fotowoltaicznych oraz sposobu ich połączenia z falownikiem.

Dlaczego jednak zalecaną przez projektantów wartością jest górna granica, tj. gdy moc modułów jest np. o 25% większa od mocy nominalnej falownika? Takie podejście na pierwszy rzut oka kłóci się z zasadą, w której układy przetwarzające energię z generatorów projektuje się powyżej ich mocy nominalnej, czyli wypadałoby mieć IR < 100%?

Instalacje fotowoltaiczne projektuje się zupełnie inaczej. Jeśli w szerokości geograficznej Polski moduły PV wytwarzają energię z mocą nominalną zaledwie przez kilkanaście, kilkadziesiąt godzin w roku, to w pozostałych okresach osiągana przez nie moc jest znacznie niższa. Jeśli zatem moc modułów będzie równa mocy falownika, to większą część czasu nie będzie on pracował z mocą nominalną, lecz mniejszą. To bezpośrednio przekłada się na uzyskiwane sprawności konwersji. Efekt ten będzie jeszcze lepiej widoczny, gdy moc modułów będzie mniejsza niż moc nominalna falownika (IR < 100%).

Rys. 1. Wykres sprawności falownika zależny od mocy i napięcia wejściowego. Źródło: Fronius

Co się jednak stanie, gdy moc modułów będzie większa niż moc nominalna falownika, a warunki pogodowe będą sprzyjać generacji energii? Falownik nie będzie przetwarzał więcej energii niż wynosi jego moc maksymalna, a jej nadmiar nie będzie odbierany z modułów (nastąpi ograniczenie mocy wyjściowej). Statystycznie jednak korzystniejsze jest optymalne wytwarzanie energii przez większą część roku, niż ograniczenia w przetwarzaniu energii w pojedyncze dni, a nawet godziny.

Dlaczego warto przewymiarować DC względem AC

Zalety stosowania falowników o mocy nominalnej mniejszej niż moc modułów (IR > 100%):

  1. w normalnych warunkach bardzo rzadko uzyskujemy tzw. STC (ang. Standard Test Conditions – Standardowe Warunki Badania), czyli natężenie promieniowania 1000W/m², temperatura ogniw: 25°C, optyczna gęstość atmosfery AM = 1.5. Takie parametry łącznie osiągamy przez kilka-kilkanaście godzin w roku. W pozostałym okresie czasu parametry produkcji są znacznie gorsze: albo niższe wartości natężenia promieniowania, albo wyższa temperatura ogniw. A zatem falownik dobrany 1:1 do instalacji (IR = 100%) byłby permanentnie niedociążony;
  2. moduły fotowoltaiczne degradują się w czasie. Najwięcej na wydajności tracą w pierwszym roku, potem poniżej 1% rocznie. To oznacza, że nasza instalacja po 10 latach będzie miała moc nominalną o co najmniej 10% mniejszą. Zatem współczynnik mocy falownika do mocy modułów (IR) będzie malał w czasie;
  3. sprawność falownika zawsze będzie niższa, niż 100%;
  4. w miesiącach letnich wysoka temperatura modułów (nagrzewają się nawet 30-35°C powyżej temperatury otoczenia) przekłada się na ich mniejszą wydajność. Jeśli ujemny temperaturowy współczynnik mocy wynosi -0.45%/°C, to przy temperaturze modułów 65°C ich wydajność będzie mniejsza o:

(65°C – 25°C) • -0.45%/°C = 40°C • -0.45%/°C = -18% 

Obliczenia

Dokonując obliczenia każdego wariantu doboru różnej ilości modułów PV do falownika tej samej mocy, największe uzyski energii otrzymamy dla największej liczby modułów (por. tabela 1 poniżej). Nie mniej istotny jest aspekt finansowy. W każdym z wariantów falownik stanowi identyczny koszt, co powoduje, że wariant IR > 100% jest po prostu najbardziej ekonomicznie uzasadniony.

Tabela 1. Porównanie różnych wariantów doboru modułów do falownika*

Wariant

IR < 100%

IR = 100%

IR > 100%

 
Falownik 3.0kW Niedociążony Nominalnie Przeciążony np. Symo 3.0-3-S
Liczba modułów

9

11

13

 
Moc nominalna 1 modułu

280

280

280

[Wp]
Moc maks. modułów PV po stronie DC

2,52

3,08

3,64

[kWp]
Moc maks. falowika po stronie AC

3,0

3,0

3,0

[kVA]
IR

82%

100%

119%

 
Współczynnik strat związanych z niedopasowaniem

0%

0%

0,3%

 
Roczne uzyski energii (szacunkowo)

2 567

3 167

3 759

[kWh]
Uzyski energii z mocy DC

1 018,9

1 028,2

1 032,8

[kWh/kWp]
 Finanse        
Koszt modułów

7 200  

8 800  

10 400  

PLN
Koszt konstrukcji i montażu  

1 800  

2 200  

2 600  

PLN
Koszt falownika

4 000  

4 000  

4 000  

PLN
Łącznie

13 000  

15 000  

17 000  

PLN
Koszt za instalację 1 kWp (DC)

5 158  

4 870  

4 670  

PLN/kWp
Koszt pozyskania 1 kWh w 1 roku

0,506  

0,474  

0,452  

PLN

* wszystkie ceny przykładowe

 

Przewymiarowanie falowników Fronius

Falowniki Fronius charakteryzują się bardzo szerokim zakresem napięć i wysoką wartością prądów wejściowych, dzięki czemu oferują wyjątkową elastyczność przy projektowaniu instalacji. technologia ta nazywa się SuperFlex Design. Dość powiedzieć, że falowniki rodziny SYMO o zakresie mocy do 8.2kWAC oferują przewymiarowanie aż o 100%! W tej kategorii falowniki Fronius nie mają konkurencji.

Zalecane przewymiarowanie dla warunków polskich to 110%-120%. W przypadku instalacji Wschód-Zachód może być większe, nawet: 130-150%. A zatem: dla falownika Fronius SYMO 6.0-3-M jak najbardziej możliwe jest przyłączenie instalacji PV o mocy 12kWp, pod warunkiem spełnienia niżej opisanych wymagań dotyczących maksymalnych wartości napięć i prądów.

Z praktycznego punktu widzenia możliwość tak dużego przewymiarowania pozwala na obciążenie pojedynczego MPPT całą mocą nominalną falownika. Daje to wyjątkową łatwość realizacji instalacji, w której mamy połać główną (np. 80% mocy modułów) i połać dodatkową (pozostałe 20%). Bez problemu zrealizujemy również instalacje w układzie Wschód-Zachód. Więcej na ten temat w artykule Fronius SuperFlex Design.

 

Przewymiarowanie FRONIUS SYMO 3.0-3-S – 8.2-3-M

Firma Fronius niniejszym potwierdza, że falowniki

/           Fronius Symo 3.0-3-M up to Fronius Symo 8.2-3-M
/           Fronius Symo 3.0-3-S up to Fronius Symo 4.5-3-S

mogą być przewymiarowane po stronie DC o 100% mocy znamionowej bez anulowania gwarancji producenta,
pod warunkiem, że:

/           konfiguracja łańcuchów przestrzega wytycznych dotyczących napięcia i prądu opublikowanych w instrukcji obsługi
/           napięcie obwodu otwartego z generatora fotowoltaicznego nie przekracza maksymalnego napięcia wejściowego falownika dla wszystkich warunków (temperatura, natężenie promieniowania)
/           maksymalny prąd zwarcia na wejściu DC nie może przekraczać 1,5x wartości maksymalnego prądu wejściowego DC falownika (ograniczenie rozłącznika DC)

Przewymiarowanie FRONIUS SYMO 10.0-3-M – 20.0-3-M

Firma Fronius niniejszym potwierdza, że falowniki

/           Fronius Symo 10.0-3-M do Fronius Symo 20.0-3-M

mogą być przewymiarowane po stronie DC o 50% mocy znamionowej bez anulowania gwarancji producenta,pod warunkiem, że:

/           konfiguracja łańcuchów przestrzega wytycznych dotyczących napięcia i prądu opublikowanych w instrukcji obsługi
/           napięcie obwodu otwartego z generatora fotowoltaicznego nie przekracza maksymalnego napięcia wejściowego falownika dla wszystkich warunków (temperatura, natężenie promieniowania)
/           maksymalny prąd zwarcia na wejściu DC nie może przekraczać 1,5x maksymalny prąd wejściowy DC falownika (ograniczenie rozłącznika DC)

Przewymiarowanie FRONIUS ECO 25.0-3-S – 27.0-3-S

Firma Fronius niniejszym potwierdza, że falowniki

/           Fronius ECO 25.0-3-S i Fronius ECO 27.0-3-S

mogą być przewymiarowane po stronie DC do 37.8kWpeak mocy znamionowej bez anulowania gwarancji producenta,pod warunkiem, że:

/           konfiguracja łańcuchów przestrzega wytycznych dotyczących napięcia i prądu opublikowanych w instrukcji obsługi
/           napięcie obwodu otwartego z generatora fotowoltaicznego nie przekracza maksymalnego napięcia wejściowego falownika dla wszystkich warunków (temperatura, natężenie promieniowania)
/           maksymalny prąd zwarcia na wejściu DC nie może przekraczać 71,6A

Przewymiarowanie FRONIUS PRIMO 3.0-1 do 8.2-1

Firma Fronius niniejszym potwierdza, że falowniki

/           Fronius Primo 3.0-1 do Fronius Primo 8.2-1

mogą być przewymiarowane po stronie DC o 50% mocy znamionowej bez anulowania gwarancji producenta,pod warunkiem, że:

/           konfiguracja łańcuchów przestrzega wytycznych dotyczących napięcia i prądu opublikowanych w instrukcji obsługi
/           napięcie obwodu otwartego z generatora fotowoltaicznego nie przekracza maksymalnego napięcia wejściowego falownika dla wszystkich warunków (temperatura, natężenie promieniowania)
/           maksymalny prąd zwarcia na wejściu DC nie może przekraczać 1,5x maksymalny prąd wejściowy DC falownika (ograniczenie rozłącznika DC)

>Przewymiarowanie FRONIUS GALVO

Firma Fronius niniejszym potwierdza, że falowniki

/           Fronius Galvo

mogą być przewymiarowane po stronie DC o 100% mocy znamionowej bez anulowania gwarancji producenta,pod warunkiem, że:

/           konfiguracja łańcuchów przestrzega wytycznych dotyczących napięcia i prądu opublikowanych w instrukcji obsługi
/           napięcie obwodu otwartego z generatora fotowoltaicznego nie przekracza maksymalnego napięcia wejściowego falownika dla wszystkich warunków (temperatura, natężenie promieniowania)
/           maksymalny prąd zwarcia na wejściu DC nie może przekraczać 1,5x maksymalny prąd wejściowy DC falownika (ograniczenie rozłącznika DC)

Rodzaje sieci (TN-C, TN-S, TN-C-S, IT) a falowniki Fronius

Rodzaje sieci (TN-C, TN-S, TN-C-S, IT) a falowniki Fronius

Często pojawia się pytanie, czy w danym układzie sieci (TN-C, TN-S, TN-C-S, TT, IT) można instalować trójfazowe falowniki fotowoltaiczne. Niniejszy artykuł charakteryzuje rodzaje układów sieciowych i podpowiada, czy nadają się do podłączenia falowników, a jeśli tak, to na jakich warunkach.

Niniejszy wpis powstał na bazie artykułu Wikipedii „Układy sieciowe„, który jest dostępny pod tym linkiem na licencji CC BY-SA 3.0, i również na tej licencji może być upowszechniany. 

Oznaczenia na schematach

  • L1L2L3 (line) – przewody fazowe,
  • N (neutral) – przewód neutralny,
  • PE (protection earth) – przewód ochronny,
  • PEN – przewód ochronno-neutralny,
  • Odbiornik – w naszym przypadku będzie to urządzenie wytwórcze, czyli falownik.

Typy sieci

Sieć trójfazowa Opis Czy można zastosować falownik Fronius?
TN-S
Dla sieci niskiego napięcia (do 1 kV) wyróżnia się układy:

  • TN – mający jeden punkt bezpośrednio uziemiony, a części przewodzące dostępne (np. metalowe obudowy odbiorników) przyłączone są do tego punktu za pomocą przewodów ochronnych. W zależności od związku przewodu neutralnego z przewodem ochronnym wyróżnia się układy:
    • TN-S – z oddzielnym przewodem ochronnym PE w całym układzie sieci. Przewód ten służy wyłącznie do ochrony urządzeń, nie można włączać go w jakikolwiek obwód prądowy, służy do tego oddzielny przewód neutralny N.
TN-C

  • TN-C – w którym w całym układzie sieci funkcje przewodu ochronnego PE, jak i funkcje przewodu neutralnego N pełni jeden wspólny przewód ochronno-neutralny PEN.

W przypadku przerwy w ciągłości przewodu może powstać znaczne zagrożenie porażeniowe. Z tego względu sieci TN-C mogą być stosowane tylko przy ułożeniu przewodów na stałe, a przekrój przewodów PEN nie powinien być mniejszy niż 10 mm² Cu lub 16 mm² Al. Sieci typu TN-C nie mogą być stosowane wówczas, gdy przekrój przewodów jest mniejszy od wartości podanych oraz w instalacjach odbiorników ręcznych i przenośnych. W tym przypadku dopuszczalne jest jedynie wykonanie sieci i instalacji o układzie TN-S lub TN-C-S.

TN-C-S

  • TN-C-S – w którym tylko w części układu sieci funkcję przewodu neutralnego N oraz funkcję przewodu ochronnego PE pełni jeden wspólny przewód PEN.
TT i IT

  • TT – mający jeden punkt bezpośrednio uziemiony, a części przewodzące dostępne są przyłączone do uziomu ochronnego niezależnego elektrycznie od uziemienia sieci. Wyróżnia się uziemienia indywidualne, grupowe oraz zespołowe.
  • IT (układ izolowany) – w którym wszystkie części czynne są odizolowane od ziemi lub jeden punkt przyłączony jest do ziemi poprzez impedancję, a części przewodzące dostępne są uziemione niezależnie od siebie (albo wspólnie), lub przyłączone są do uziemienia sieci.
Jak połączyć falownik Fronius z Fibaro Home Center 2

Jak połączyć falownik Fronius z Fibaro Home Center 2

Poniższy artykuł przedstawia szczegółowy opis metody połączenia elektrowni fotowoltaicznej bazującej na falownikach Fronius oraz instalacji inteligentnego domu bazującej na centrali Fibaro Home Center 2. Zamieszczono również przykładowy kod skryptu w języku Lua.
Aby zrozumieć korzyści płynących z tego połączenia należy uprzednio zapoznać się z wpisem wyjaśniającym podstawy fotowoltaiki: „Podstawy fotowoltaiki w pigułce”
 

Zobaczyć znaczy zrozumieć

Wszystkie falowniki Fronius nowej generacji SnapINverter (rodziny Fronius SYMO, PRIMO, GALVO, ECO) standardowo wyposażane są w nowoczesną kartę Datamanager 2.0. Karta ta umożliwia proste w obsłudze i wizualnie atrakcyjne monitorowanie działania instalacji fotowoltaicznej na portalu Solar.Web (http://www.solarweb.com) należącym do firmy Fronius. Użytkownik uzyskuje wgląd we wszystkie najważniejsze parametry instalacji, przede wszystkim w aktualnie oddawaną przez falownik moc oraz wykresy prezentujące ilości wyprodukowanej energii. Obserwując wyłącznie pracę falownika lub falowników nie wiemy jednak, co się dalej z tą energią dzieje. Łącząc te dane z systemem inteligentnego domu, otwierają się zupełnie nowe, znacznie bardziej interesujące możliwości: właściciel instalacji PV może obserwować bilans energii w budynku (zarówno produkcję i zużycie energii), a w kolejnym kroku – także nadzorować wykorzystanie energii produkowanej.

Optymalizacja zużycia produkowanej energii na własne potrzeby

Oddawanie do sieci niewykorzystanej energii wiąże się z wymiernymi stratami finansowymi. W przypadku mikronstalacji, dzięki wprowadzonemu net-meteringowi możemy „odzyskać” tylko 80% (do mocy 10kW) lub 70% (do mocy 40kW) oddanej energii wraz z kosztem jej dystrybucji. A stopień samowystarczalności (opisany powyżej) to zaledwie 25-30%.

Wprowadzając inteligentne włączanie niektórych urządzeń w godzinach największej produkcji energii ze słońca, możemy uzyskać poprawę takiego stanu, a stopień samowystarczalności podnieść nawet do 50%. Dlatego współpraca pomiędzy firmą Fibar Group a firmą Fronius przynosi zupełnie nowe rozwiązania w dziedzinie optymalizacji zużycia produkowanej energii na potrzeby własne.

H:\TechSupport\Solar\07 partners\Fibaro\rys_01b.png

Rys. 1. Idea zarządzana zużyciem energii w budynku jednorodzinnym w celu zwiększenia stopnia wykorzystania produkowanej energii.

Coraz ważniejszym tematem staje się wytwarzanie ciepła, także pod względem możliwości jego włączenia w zarządzanie energią. W nowoczesnych zbiornikach ciepłej wody użytkowej w zasadzie nie jest istotny moment pozyskania energii wykorzystanej do podgrzewania wody – potrafią one utrzymywać uzyskaną temperaturę przez kilkadziesiąt godzin. Podobnie w przypadku energooszczędnych, dobrze izolowanych budynków, załączenie pompy ciepła do ogrzewania lub chłodzenia pomieszczeń może być przesunięte w czasie. Urządzenia te idealnie zatem nadają się do sterowania, a co za tym idzie – inteligentnego magazynowania wytwarzanej energii w postaci ciepła (lub chłodu).

Zastosowanie Fibaro

Odpowiednio zaprogramowane urządzenia wykonawcze w systemie Fibaro pozwalają na załączanie i wyłączanie dowolnych odbiorników energii (np. poprzez przekaźnik FGS-2×1 lub FGS-2×3, a w przypadku większych mocy w instalacji trójfazowej – dodatkowy stycznik). Najprostszy algorytm może wykorzystywać w tym celu wartość aktualnie wytwarzanej w instalacji PV mocy. Poprzez odpowiednio ustawione wartości załączenia i wyłączenia następuje sterowanie podłączonym odbiornikiem.

System Fibaro może dawać jednak znacznie więcej możliwości. Mając dokładną wiedzę o aktualnym bilansie energii elektrycznej w budynku, można z łatwością zaprogramować załączenie urządzeń na bazie wartości mocy oddawanej do sieci oraz ich wyłączenie – w przypadku gdy energia z sieci jest pobierana.

Ale możliwości kontroli i regulacji jest więcej. W przypadku pomp ciepła bardzo ważne jest, aby kompresor po załączeniu pracował przez określony, minimalny czas. Taki parametr możliwy jest do ustawienia w przypadku wykorzystania skryptów LUA, a nawet zwykłych scen.

Można również, jako priorytet wybrać przygotowanie c.w.u. nie później, niż do określonej godziny, np. 18:00, gdy domownicy wracają po pracy. Fibaro będzie sterował grzałką c.w.u. w zależności od dostępnego nadmiaru produkowanej energii, a jeśli będzie on w pochmurne dni niewystarczający – załączy podgrzewanie wody z odpowiednim czasowym wyprzedzeniem.

Monitorowanie pracy instalacji PV i podejmowanie różnorodnych akcji na bazie np. aktualnie uzyskiwanej mocy, czy tez możliwość sterowania pracą instalacji PV daje projektantom instalacji inteligentnego budynku nieograniczone pole możliwości.

Połączenie Fibaro i Fronius – zagadnienia techniczne

Fronius Datamanager 2.0

Standardowo każdy falownik nowej generacji SnapINverter (Fronius SYMO, GALVO, ECO i PRIMO) wyposażany jest w zaawansowaną kartę Datamanager 2.0. Oprócz podstawowej funkcji, jaką jest przesyłanie danych na portal Solar.Web (http://www.solarweb.com) karta ta posiada wiele interfejsów, które mogą z łatwością zostać wykorzystane do integracji instalacji fotowoltaicznej z systemem inteligentnego budynku. Są to m.in.:

  • interfejs JSON
  • Modbus RTU (via RS-485) oraz Modbus TCP (via Ethernet)
  • Push FTP / HTTP POST

Szczególnie ten pierwszy interfejs wydaje się być idealny do połączenia z systemem Fibaro. Prosty skrypt w języku LUA umożliwi odczyt bieżącej wartości mocy czy też ilości wyprodukowanej energii. Te dwie liczby na początkowym etapie w zupełności wystarczą do zaspokojenia podstawowych potrzeb użytkowników takich połączonych instalacji:

  • wizualizacji
  • sterowania odbiornikami energii

Fibaro HC2 / HCL

Najwygodniejszą formą połączenia interfejsu Fronius z Fibaro byłoby wykorzystanie mechanizmu plug-inów, który daje łatwość instalacji i kompatybilność z HC2 oraz HCL.

Niestety, w obecnej wersji Fibaro nie jest możliwe tworzenie własnych plug-inów, ani pobieranie danych ze „zwykłych” plug-inów, które mogłyby służyć do sterowania, np. do wyzwalania scen opartych o bloki. Wyjątkiem jest plug-in pogodowy (YR i/lub Yahoo Weather), który zarówno zintegrowany jest z pulpitem, jak i stanowi osobną sekcję wśród wyzwalaczy.

Rozwiązaniem alternatywnym mogą być urządzenia wirtualne (VD), w których może zostać umieszczony odpowiedni skrypt w języku LUA. Takie rozwiązanie niestety wyklucza możliwość użycia centrali Home Center Lite (HCL), ale jest akceptowalne, ze względu na duży stopień wykorzystania Home Center 2 (HC2) w instalacjach.

Inteligentne liczniki Z-Wave

Docelowo w instalacji inteligentnego domu należy przewidzieć zastosowanie licznika energii Z-wave, który zainstalowany na styku budynku i OSD (np. szeregowo z licznikiem OSD) dokonywałby pomiarów zużycia energii we wszystkich fazach dla całego budynku. Aktualnie istnieją takie rozwiązania, np. licznik Aeon Labs HEM Gen 5. Licznik ten w wersji 3-fazowej posiada 3 przekładniki prądowe do założenia na przewodach w celu pomiaru prądu oraz 4 przewody do pomiaru napięć. Dokładność pomiaru jest wystarczająca na potrzeby wizualizacji i/lub sterowania. Licznik ten umożliwia pomiar dwukierunkowy, tzn. zarówno energii pobieranej z sieci (ze znakiem „+”), jak i energii oddawanej do sieci (ze znakiem „–”)

Więcej na temat licznika: http://aeotec.com/z-wave-home-energy-measure

W systemie Fibaro nie ma aktualnie możliwości ustawienia poziomów / priorytetów w urządzeniach mierzących zużycie energii elektrycznej. To znaczy, że pomiar dokonany przez WallPlug zostanie dodany do pomiaru dokonanego przez licznik energii pobieranej przez cały budynek.

Dodatkowym problemem jest prezentacja/wizualizacja ujemnych wartości energii, symbolizujących nadwyżkę produkowanej energii oddawanej do sieci. Taka opcja nie jest na chwilę zaimplementowana w systemie Fibaro.

Inteligentne liczniki Fronius Smart Meter

Alternatywnie, dane dotyczące oddawanej i pobieranej energii do/z sieci elektroenergetycznej OSD mogą być pobierane (również w skrypcie LUA) z licznika inteligentnego Fronius Smart Meter poprzez interfejs JSON Datamanagera. Ograniczone możliwości wizualizacji w panelu energii Fibaro mogą być zastąpione przez zaawansowany interfejs graficzny portalu Solar.Web, pozwalający na zaawansowaną analizę produkcji oraz zużycia energii, w tym bilans energetyczny.

KONCEPCJA POŁĄCZENIA

Możliwość integracji pomiędzy automatyką budynkową Fibaro, a instalacją PV bazującą na falownikach Fronius jest niezwykle łatwa do uzyskania.

Od strony falownika można tego dokonać poprzez protokół JSON (ang. Java Script Object Notation), standardowo dostępny w urządzeniu Fronius Datamanager 2.0. Firma Fronius udostępnia obszernie udokumentowane API (link do pliku), które daje możliwość odczytania praktycznie wszystkich kluczowych danych instalacji PV, począwszy od parametrów pracy falowników (w tym najważniejszych: aktualnej mocy i oddanej energii), ale również danych ze stacji pogodowej, przepływów energii przez inteligentny licznik Fronius Smart Meter, czy też magazynu energii Fronius Solar Battery.

Przykładowe kody umożliwiające odczyt danych dotyczących całego systemu, poszczególnych urządzeń oraz przepływów energii w układzie.

http://<IPAddress:TCPPort>/solar_api/GetAPIVersion.cgi
http://<IPAddress:TCPPort>/solar_api/v1/GetActiveDeviceInfo.cgi?DeviceClass=System
http://<IPAddress:TCPPort>/solar_api/v1/GetInverterRealtimeData.cgi?Scope=System
http://<IPAddress:TCPPort>/solar_api/v1/GetInverterRealtimeData.cgi?Scope=Device&DeviceId=1&DataCollection=CommonInverterData
http://<IPAddress:TCPPort>/solar_api/v1/GetPowerFlowRealtimeData.fcgi

Gdzie: <IPAddress:TCPPort> to adres IP (zaleca się nadawanie adresu statycznego!) oraz port (standardowo: 80) karty Datamanager 2.0 w sieci wewnętrznej.

Jako przykład została wybrana funkcja „GetPowerFlowRealtimeData”, która w jednym zapytaniu umożliwia odczyt najważniejszych danych dla całego systemu:

http://<IPAddress:TCPPort>/solar_api/v1/GetPowerFlowRealtimeData.fcgi

Przykład danych uzyskanych powyższym zapytaniem zamieszczono w tabeli 2 poniżej:

String JS Eval
{
"Head" : {
"RequestArguments" : {},
"Status" : {
"Code" : 0,
"Reason" : "",
"UserMessage" : ""
},
"Timestamp" : "2017-03-12T08:53:31+01:00"
},
"Body" : {
"Data" : {
"Site" : {
"Mode" : "produce-only",
"P_Grid" : null,
"P_Load" : null,
"P_Akku" : null,
"P_PV" : 14174,
"E_Day" : 27021.800476,
"E_Year" : 27062257.75,
"E_Total" : 289067759.125
},
"Inverters" : {
"1" : {
"DT" : 121,
"P" : 1032
},

 

Graficzna reprezentacja powyższych danych może wyglądać następująco:

H:\TechSupport\Solar\07 partners\Fibaro\rys_03d.png

Rys. 2. Graficzna reprezentacja danych z zapytania JSON

W Fibaro Home Center 2 należy stworzyć tzw. urządzanie wirtualne (ang. Virtual Device, VD) z krótkim kodem w języku skryptów „Lua”.

Podstawą skryptu jest funkcja json.decode(), która w formie zagnieżdżonych tablic asocjacyjnych daje dostęp do wszystkich przekazanych wartości:

fronius =
{ { „Head”, <tablica_Head> },
{ „Body”, <tablica_Body> } }

Przykładowo, wartość mocy wytwarzanej w instalacji PV („P_PV”):

fronius Body Data Site P_PV

może zostać odczytana w skrypcie w następujący sposób:

P_PV = fronius[“Body”].Data.Site.P_PV

lub

P_PV = fronius.Body.Data.Site.P_PV

Do poprawnego działania skryptu konieczne jest zdefiniowanie w VD następujących etykiet („Label”):

load
pv
grid
eday

Zaznaczenie „Label” jako „Main” spowoduje wyświetlanie wartości w oknie głównym.

Natomiast, aby używać danych w scenach, należy je zapisać do uprzednio zdefiniowanych zmiennych globalnych w panelu „Variables”. Przykładowo:

-- set the global variables
fibaro:setGlobal ('PV_plant_load', P_Load)
fibaro:setGlobal ('PV_plant_grid', P_Grid)
fibaro:setGlobal ('PV_plant_pv', P_PV)
fibaro:setGlobal ('PV_plant_eday', E_Day)

Przykładowy kod skryptu do Virtual Device

Do pobrania po akceptacji regulaminu. Wyłącznie dla zarejestrowanych użytkowników!

Podsumowanie

Kod napisany jest w taki sposób, aby adres IP Datamanagera w sieci lokalnej oraz port (standardowo 80) był podawany w panelu kontrolnym Virtual Device. W przypadku zaimportowania VD do centrali HC2 są to jedyne dane, które powinny zostać skonfigurowane (poza definicją zmiennych globalnych), co ułatwia proces instalacji.

H:\TechSupport\Solar\07 partners\Fibaro\PV_plant_VD_General — krótki.png

Rys. 3. Panel konfiguracyjny Virtual Device z polami na adres IP oraz port, pod którym dostępny jest Datamanager 2.0

Niestety, w chwili obecnej wykorzystanie podstawowej funkcjonalności i stworzenie odpowiednich powiązań wymaga od firmy instalacyjnej umiejętności pisania kodu w języku „Lua”, dla instalatorów systemów automatyki domowej nie powinna być to jednak przeszkoda.

Niemniej jednak, wykorzystanie bardziej zaawansowanych funkcji, takich jak umieszczenie źródła energii w „Energy Panel” będzie wymagało stworzenia dedykowanego plug-inu.

Przykład wizualizacji urządzenia wirtualnego zbierającego dane z elektrowni fotowoltaicznej przedstawiono na rysunkach od 4 do 6:

H:\TechSupport\Solar\07 partners\Fibaro\proof-of-concept_HC2_v1.png

Rys. 4. Przykład wizualizacji danych pobieranych z elektrowni PV

H:\TechSupport\Solar\07 partners\Fibaro\proof-of-concept_HC2_v3.png

Rys. 5. Dane dostępne w urządzeniu wirtualnym (VD)

H:\TechSupport\Solar\07 partners\Fibaro\PV_plant_VD_Variables.png

Rys. 6. Dane pochodzące z elektrowni dostępne jako zmienne globalne

Powiązanie danych pochodzących z instalacji PV (poprzez zmienne globalne) ze sterowaniem najprostszym urządzeniem jakim jest Fibaro Wall Plug daje nam nieograniczone możliwości zaprogramowania „scen”: alarmy, progi zadziałania, zależności czasowe, monitorowanie, zaawansowana analiza produkcji i zużycia energii oraz bazujące na tych informacjach inteligentne sterowanie odbiornikami energii. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby odpowiednio sterować również bardziej zaawansowane urządzenia, choćby ściemniacze (ang. dimmer) czy kontrolery LED RGBW, których w sieci Z-Wave może być nawet 232.

ZAŁĄCZNIKI





Kilka liczników Fronius Smart Meter w jednej instalacji

Kilka liczników Fronius Smart Meter w jednej instalacji

Właśnie została dodana długo oczekiwana funkcjonalność podłączenia kilku liczników Fronius Smart Meter do jednego Datamanagera. Daje to bardzo ciekawe możliwości analizy profilu produkcji i zużycia energii z wyszczególnieniem najważniejszych z nich (np. pompy ciepła, bojlera., itp.). Przykładowo, jeśli włączymy dodatkowy licznik do toru zasilania bojlera:

Na portalu Solar.Web uzyskamy precyzyjną informację o zużywanej energii:

Do poprawnej pracy należy skonfigurować odpowiednio liczniki (nadać im różne adresy Modbus). Jest już polska instrukcja wyjaśniająca, jak to zrobić. Dla zarejestrowanych użytkowników forum do pobrania tutaj:

Natomiast w interfejsie webowym Datamanagera definiujemy, czy dany licznik odpowiada za odbiornik energii (grzałka c.w.u., pompa ciepła), czy za dodatkowy generator (falownik innego producenta, wiatrak). Konfiguracja jest niezwykle prosta, wybieramy licznik pierwotny, a następnie dodajemy liczniki wtórne:

W instalacji musi być jeden licznik główny – zainstalowany na styku budynku i OSD. Zawsze z adresem 1.
Dodatkowych liczników może być trzy:

Jak widać ze schematu powyżej nowa funkcjonalność daje również możliwość monitorowania innych urządzeń wytwórczych, np. falownika od wiatraka lub falownika PV innego producenta.

W jednej instalacji można mieszać różne typy liczników:

  • Fronius Smart Meter 63A-3
  • Fronius Smart Meter 50kA-3
  • Fronius Smart Meter 63A-1 (np. do jednofazowych pomp ciepła)
  • a także licznik S0 podłączony do wejścia falownika

Na koniec schemat elektryczny. Proszę pamiętać, że połączenia magistrali RS-485 wykonujemy skrętką, najlepiej ekranowaną (np. Li2YCY), a na początku i na końcu linii umieszczamy rezystor terminujący 120Ω. Aby aktywować rezystor terminujący w Datamanagerze, DIP-switch koło anteny WiFi należy ustawić na ON (tak jest ustawiony fabrycznie).

Kolejność podłączania liczników na magistrali RS-485 (Modbus RTU) nie ma  znaczenia. 

Optymalizacja – fakty i mity

Optymalizacja – fakty i mity

Od czasu do czasu można spotkać systemy fotowoltaiczne z tzw. optymalizatorami (ang. optimizers). Niestety utarło się przekonanie, że mogą one stanowić rozwiązanie wszelkich problemów na instalacji, głównie polegających na jej zacienieniu. Wbrew obiegowym opiniom, optymalizatory nie są jednak w stanie zakrzywić praw fizyki: zacieniona instalacja zawsze będzie wytwarzać mniej energii, niż równoważna – niezacieniona. Są jednak aplikacje, w których optymalizatory mogą wykazać swoje zalety, a więcej o faktach i mitach z nimi związanych mogą Państwo przeczytać w niniejszym artykule.

Zarówno mikrofalowniki, jak i optymalizatory modułów są klasyfikowane jako przetwornice mocy na poziomie modułów (ang. Module-Level Power Electronics, MLPE). W systemie fotowoltaicznym wyposażonym w MLPE wpływ każdego z modułów na pozostałe jest minimalizowany. Dzięki temu różnice w poziomie nasłonecznienia wynikające z zacienienia, różnych orientacji lub kątów nachylenia, a także degradacja pojedynczych modułów nie oddziałuje negatywnie na inne moduły. W systemie PV ze „zwykłym” falownikiem, moduły, które są podłączone do tego samego MPP-trakera są od siebie zależne.

Każdą instalację fotowoltaiczną trzeba indywidualnie dostosować do warunków panujących na konkretnym dachu — nieważne, czy chodzi o różne ustawienie powierzchni dachowych, czy występowanie tymczasowego zacienienia. Błędem jednak jest przyjmowanie założenia, że optymalizatory rozwiążą wszystkie problemy i całkowicie wyeliminują np. wpływ zacienienia lub nierównomierną degradację modułów. Moduł, którego ogniwa są choćby częściowo zacienione zawsze będzie wytwarzał mniej energii, niż podobny moduł nie zacieniony. Każdorazowo należy przeprowadzić analizę opłacalności takiej inwestycji, ponieważ realizowanie „na siłę” instalacji znajdującej się przez większą część dnia w cieniu może mieć niezadowalający dla inwestora czas zwrotu, który jeszcze dodatkowo zostanie wydłużony niemałym przecież kosztem optymalizatorów.

Należy przy tym uwzględnić fakt, że systemy PV wyposażone w MLPE nie zawsze mają wyższe wydajności, niż systemy PV z falownikami łańcuchowymi (ang. string inverters). Nie są to przecież urządzenia o 100% sprawności. Czasami straty generowane przez MLPE są wyższe, niż wynikające z ich zastosowania dodatkowe uzyski. W rzeczywistych warunkach systemy PV, testowane z falownikami łańcuchowymi Fronius oraz z MLPE, wykazują niewielki rozrzut wydajności. Po przeprowadzeniu analizy technicznej obejmującej symulacje komputerowe oraz instalacje testowe następujące wyniki pokazują, jak falowniki łańcuchowe porównują się z MLPE.

Systemy niezacienione

Dla systemów niezacienionych niedopasowanie modułów (0,5-1%) jest wyrównywane przez optymalizatory (lub ogólnie: przez MLPE), ale utrata wydajności z każdego modułu z optymalizatorem wynosi od 1% do 5% (w zależności od typu MLPE). Dlatego dla niektórych optymalizatorów możliwe jest uzyskanie do +0,5% wyższej wydajności, ale można również uzyskać nawet i -5% mniejszą wydajność systemu z optymalizatorami w porównaniu do „zwykłego” falownika.

Optymalizatory mają za zadanie dopasowanie wartości prądu w łańcuchu szeregowo połączonych ogniw lub modułów PV. Dopasowanie to odbywa się poprzez konwersję wartości prądu kosztem napięcia, która przykładowo realizowana jest w przetwornicy DC/DC. Bez względu jednak na zastosowaną w optymalizatorach technologię proces konwersji nie jest procesem bezstratnym. Producenci optymalizatorów oczywiście podają sprawność swoich urządzeń (najczęściej jako wartość maksymalną, spełnianą wyłącznie w ściśle określonych, laboratoryjnych warunkach) i należy ją rozumieć jako:

Uwy • Iwy = Uwe • Iwe • ηopt

gdzie:

  • Uwy, Iwy – odpowiednio napięcie i prąd na wyjściu optymalizatora
  • Uwe, Iwe – odpowiednio napięcie i prąd na wejściu optymalizatora
  • ηopt – sprawność optymalizatora (maksymalna <99%, rzeczywista sprawność optymalizacji <97%)

Zakładając sprawność ważoną optymalizatora ηopt na poziomie nawet 98% (faktyczna sprawność optymalizacji), w przypadku standardowych modułów 275Wp (w punkcie mocy maksymalnej) oznacza to:

Pmppt • (100% – ηopt ) = 275Wp • (100% – 98%) = 275Wp • 2% = 5,5Wp

Jest to znacznie więcej, niż potencjalne uzyski wynikające z optymalizacji niedopasowanych mocą modułów. Dlatego stosowanie optymalizatorów w każdej instalacji prowadzi do nieuzasadnionego wzrostu kosztów tych instalacji.

Jako ciekawostkę można podać fakt, że MLPE lub optymalizatory traktuje się w systemach fotowoltaicznych jako remedium na nierównomiernie degradujące się moduły niskiej jakości. Prosta kalkulacja wykazuje, że dużo lepszym rozwiązaniem jest zakup niewiele droższych, ale wysokiej jakości modułów od sprawdzonego producenta.

Systemy zacienione

Jednorodny cień *) Niewielkie ruchome cienie Duże ruchome cienie
Wydajność MLPE: od -4% do +2% Wydajność MLPE: od -3% do +4% Wydajność MLPE: od -2% do +9%
*) Pasmo górskie, duży budynek, linia drzew, rząd innych modułów itp.    

Tabela 1. Porównanie zacienionych instalacji.

W praktyce, wszystkie badania na systemach PV wykazały niższe wydajności dla systemów z optymalizatorami i MPLE, niż obliczono w trakcie symulacji. Korzyść MLPE w systemach PV była widoczna głównie zimą, kiedy moduły były (częściowo) pokryte śniegiem.

Do porównania wykorzystano falownik Fronius rodziny SYMO oraz falownik PRIMO, które standardowo wyposażone są we Fronius SuperFlex Design, 2 trakery MPP oraz szeroki zakres użytecznych napięć MPP. Algorytm Dynamic Peak Manager skutecznie wyszukuje globalny punkt MPP (ang. Maximum Power Point) modułów i tym samym łagodzi potencjalne straty wydajności w przypadku zacienienia. Dodatkowo efekt zacienienia może być również silnie zmniejszony przez zastosowanie elastycznych możliwości połączeń łańcuchów, dzięki dwóm trakerom MPP, z których każdy dysponuje bardzo szerokim zakresem napięć wejściowych.

Rys. 1. Instalacja fotowoltaiczna zacieniona kominem (2m wys., 0,5m średnicy)

Rys. 2. Symulacja wpływu zacienienia

Przykład: duży komin, umieszczony tuż przed modułami, wysokość 2 m, średnica 0,5 m (rys. 1 i rys. 2)

System PV z … Uzysk w porównaniu do systemu niezacienionego
falownik bez SuperFlex Design,
1 traker MPP,
brak Dynamic Peak Manager
-8% do -12%
MLPE -4% do -8%
falownik z SuperFlex Design,
równe rozdzielenie modułów do obu trakerów MPP
-6%
falownik z SuperFlex Design,
optymalne rozdzielenie modułów do obu trakerów MPP
-5%

Tabela 2. Uzyski w przykładowym systemie z zacienieniem pochodzącym od komina.

Należy zatem odpowiedzieć sobie na pytanie: czy ewentualne dodatkowe uzyski, wynikające z optymalizacji zacienionych modułów, pozwolą na pokrycie niemałych przecież kosztów optymalizatorów?

 

Gdzie warto stosować optymalizatory?

Jeśli projektant uzna, że z jakiś powodów nie da się uniknąć montażu modułów w miejscu zacienienia (np. z powodów estetycznych) z pomocą mogą przyjść optymalizatory firmy Tigo Energy, które charakteryzują się możliwością montażu tylko i wyłącznie na zacienionych modułach, tak jak to pokazano na rysunku 3.

Rys 3. Optymalizatory firmy Tigo Energy wystarczy zamontować tylko na zacienionych modułach.

Montaż optymalizatorów na wybranych modułach daje zalety wyeliminowania wpływu zacienienia przy minimalnych nakładach. Co ważne, łańcuch modułów z optymalizatorami Tigo można podłączyć do falownika dowolnego producenta. W przypadku falowników Fronius w menu BASIC należy jedynie wyłączyć Dynamic Peak Manager. Do poprawnego działania optymalizatorów nie są wymagane żadne dodatkowe urządzenia, możemy mieć zatem poprawnie działający układ już nawet z jednym takim urządzeniem.

Tigo Energy ma 5 typów nakładek: TS4-D, TS4-M, TS4-S, TS4-O i TS4-L (wkrótce dojdzie TS4-F). Do optymalizacji należy wybrać wersję TS4-R-O, lub osobno TS4-B (uchwyt) i TS4-O (nakładka). Ulotka dotycząca tego produktu oraz lista dystrybutorów, którzy mają rozwiązania Tigo Energy w swojej ofercie znajduje się na końcu tego artykułu.

Oczywiście optymalizatory mają również inną zaletę, którą jest elastyczność i łatwość projektowania. Falowniki Fronius oferują największą elastyczność projektowania: dopuszczają wiele orientacji, różne typy modułów, zacienienia lub niesymetryczne łańcuchy. Z optymalizatorami ta elastyczność zwiększa się jeszcze bardziej i pozwala np. na uzyskanie 20% różnicy długości łańcuchów podłączonych do jednego wejścia (trackera MPP) lub połączenie w jednym łańcuchu modułów o różnym azymucie i kącie nachylenia. Doskonałym przykładem może być instalacja na dachu przedszkola należącego do kościoła Św. Stefana w Wels, którą przedstawiono na rys. 4. Dzięki optymalizatorom bazującym na rozwiązaniu firmy Maxim Integrated instalacja ta została zrealizowana na klasycznych falownikach Fronius SYMO.

Rys. 4. Instalacja fotowoltaiczna z optymalizatorami Maxim Integrated i falownikami Fronius na przedszkolu w kościele Św. Stefana w Wels (Austria).

Przyszłość optymalizacji

Projektanci systemów PV coraz częściej będą napotykali na różne utrudnienia – wraz z upowszechnianiem się fotowoltaiki dachy o idealnym ustawieniu i bez zacienienia będą stopniowo zabudowywane. Dlatego pod uwagę będą brane dachy o różnych orientacjach lub częściowym zacienieniu, a takie instalacje muszą być poddawane krytycznej analizie. Dlatego, zdaniem autora, moduły fotowoltaiczne będą w przyszłości inteligentne.

Ale dotychczasowe rozwiązania, np. w postaci optymalizatorów dodanych do modułu, będą – ze względu na ich złożoność i dodatkowe koszty instalacji – wypierane przez lepsze rozwiązania. Jeśli chodzi o rzeczywistą optymalizację, amerykański producentem układów półprzewodnikowych, firma Maxim Integrated prezentuje nową generację optymalizatorów oferujących łatwą instalacją, wysoką efektywnością kosztową i największą wygodą projektowania. To doskonale uzupełnia i jeszcze bardziej zwiększa elastyczność projektowania z falownikami Fronius.

Maxim Integrated oferuje technologię optymalizacji ogniw fotowoltaicznych, która zastępuje tradycyjną diodę bocznikującą w module PV (rys. 5). Są to oparte na układach scalonych optymalizatory działające na poziomie łańcucha ogniw — zintegrowane przetworniki DC/DC, zainstalowane w module fotowoltaicznym w celu uzyskania maksymalnej mocy. Oznacza to, że każdy moduł ma 3 optymalizatory, a więc 3 niezależne MPPT – jest to najlepsze w swojej klasie rozwiązanie do łagodzenia skutków zacieniania, niedopasowania łańcuchów i zabrudzenia modułów. Technika ta pozwala na łatwą i opłacalną integrację układów optymalizacji podczas produkcji modułów. Zbędna zatem staje się kosztowna instalacja tradycyjnych optymalizatorów „retro-fit” (na poziomie modułów) i dodatkowych komponentów, co pozwala użytkownikowi na znacznie obniżenie kosztów w stosunku do tradycyjnych rozwiązań. Ponadto zwiększa się niezawodność całej instalacji dzięki eliminacji potencjalnego źródła awarii.

System z optymalizatorami Maxim jest łatwy w instalacji – podobnie jak w przypadku każdego standardowego systemu ze „zwykłymi” modułami: nie ma żadnych dodatkowych komponentów sprzętowych do zainstalowania, nie ma dodatkowych ustawień i nie ma problemów z łącznością na dachu. Optymalizatory, które zastępują diody bocznikujące, są fabrycznie zainstalowane w skrzynce połączeniowej modułu, co eliminuje potrzebę wykonania dodatkowych czynności instalacyjnych.

Systemy bazujące na Maxim wykazują do 5% więcej uzysków energii w porównaniu z tradycyjnymi optymalizatorami, dzięki optymalizacji DC na każdym łańcuchu ogniw (każdy moduł posiada 3 trackery MPP) i najwyższej efektywności optymalizacji. Dzięki tym zaletom i niższej cenie, rozwiązanie Maxim jest bardzo opłacalne i oferuje najbardziej korzystną technologię optymalizacji na rynku – zapewniając najszybszy zwrot inwestycji z systemu PV.

Rys. 5. Porównanie technologii optymalizatorów.

Dowiedz się więcej o rodzinie falowników Fronius na www.fronius.pl, na temat Tigo Energy na stronie: www.tigoenergy.com, natomiast więcej informacji na temat firmy Maxim Integrated można znaleźć pod adresem: www.maximintegrated.com.

Ilustracje zostały stworzone w PV*SOL Premium firmy Valentin Software.





Optymalizatory Tigo Energy można zakupić w Polsce m.in. w firmach: KENO Sp.z o.o., Manitu Solar, Grodno S.A.:

Manitu Solar PL Sp. z o.o.

ul. Kolumbijska 10
01-991 Warszawa

Piotr Kisiel
Tel: +48 731 331 333

piotr.kisiel@manitusolar.pl
http://www.manitusolar.pl  

KENO – Energy 

ul. I. Daszyńskiego 609
PL-44-151 Gliwice

Dział Handlowy
Tel: +48 721 070 013

biuro@keno-energy.com
http://www.keno-energy.com    

Grodno S.A. 

ul. Brukowa 14
91-341 Łódź

Maciej Kowalski
Tel: +48 604 268 006

mkowalski@grodno.pl
http://www.grodno.pl