1. Rodzaje inwerterów

Inwertery do instalacji fotowoltaicznej dzielą się na trzy duże grupy, które bezpośrednio określają przypisane im zadania.

Sieciowe (on-grid)

Modele on-grid działają synchronicznie ze scentralizowaną siecią zasilającą. Krótko mówiąc, przekształcają energię słoneczną w prąd przemienny o parametrach sieci ogólnej. Wygenerowaną energię elektryczną można wykorzystać wewnątrz domu do zasilania urządzeń gospodarstwa domowego, a jej nadwyżkę można przesłać do scentralizowanej sieci w ramach „taryfy gwarantowanej” (musi to być wspierane przez sam inwerter, trzeba także nabyć dwukierunkowy licznik energii elektrycznej). Jeśli prąd wytworzony z paneli fotowoltaicznych nie zaspokoi potrzeb gospodarstwa domowego, wówczas część energii pobierana jest z sieci publicznej.

Inwertery sieciowe potocznie nazywane są też bezbateryjnymi – rzecz w tym, że oparte na nich systemy fotowoltaiczne nie posiadają bufora akumulatorowego, to znaczy nie są w stanie magazynować nadwyżki energii wytwarzanej w okresach wysokiej wydajności. Modele sieciowe typu on-grid mają za priorytetowe zadanie korzyści ekonomiczne wynikające z zastosowania paneli fotowoltaicznych. Pod warunkiem, że nadwyżka wytworzonej energii będzie regularnie sprzedawana do ogólnej sieci, instalacja fotowoltaiczna szybko się zwróci i może znacznie obniżyć koszty użytkowania energii elektrycznej.

Wizualny schemat zasady działania inwertera sieciowego.

Drugą stroną medalu inwerterów sieciowych jest ich ścisłe połączenie z ogólną siecią elektryczną i jej parametrami. Jeśli standardowa specyfikacja odbiega od normy, wystąpią przerwy w dostawie prądu lub scentralizowanego zasilania, produkcja energii słonecznej zostanie po prostu wstrzymana. Modele on-grid nie nadają się do samodzielnego zasilania mieszkań energią słoneczną.

Zalety inwerterów sieciowych:

  • Wysoka sprawność (98% to norma), ponieważ inwertery sieciowe nie marnują dodatkowej energii na interakcję z żadnym buforem akumulatorowym.
  • Wysoka „czystość” generowanej energii elektrycznej.
  • Efektywne wykorzystanie energii z paneli fotowoltaicznych.
  • Korzyści ekonomiczne.

Wady inwerterów sieciowych:

  • Ścisłe połączenie ze scentralizowaną siecią energetyczną.
  • Brak autonomii i redundancji.
  • Zależność od parametrów sieci ogólnej (niestabilne napięcie lub awarie mogą mieć wpływ na pracę inwertera).
Popularne inwertery sieciowe (on-grid)

Autonomiczne (wyspowe, off-grid)

Autonomiczne inwertery off-grid nie wymagają podłączenia do ogólnej sieci energetycznej – przetwarzają energię słoneczną wyłącznie na potrzeby gospodarstwa domowego. Wytworzona energia elektryczna może być zużywana przez urządzenia gospodarstwa domowego i jednocześnie gromadzona w buforach akumulatorów jako rezerwa. Całkowita niezależność od prądu sieciowego przyda się w przypadku częstych przerw w dostawie prądu i blackoutów.

Zatem inwertery off-grid działają w zamkniętym wewnętrznym systemie zasilania. Kiedy pojawia się nadwyżka generacji, nadmiar gromadzi się w akumulatorach, które należy użytkować przy pochmurnej pogodzie i w nocy. Zespoły akumulatorów do magazynowania energii będą musiały zostać zakupione osobno — inwerter jest do nich podłączany bezpośrednio przez odpowiednie zaciski.

Autonomiczne inwertery off-grid działają w zamkniętych (wewnętrznych) sieciach elektroenergetycznych.

W prostych słowach zasadę działania autonomicznego inwertera można wyjaśnić w następujący sposób. Załóżmy, że panele fotowoltaiczne generują 1000 W mocy, a do zasilenia obciążenia w danym czasie potrzebne jest 500 W mocy – inwerter zadba o to, aby połowa wytworzonego prądu została przekazana podłączonym odbiorcom, a reszta przesłana aby naładować akumulatory. W przypadku konieczności zasilenia obciążenia mocą 1500 W, cała generacja zostanie przeniesiona do obciążenia, a kolejne 500 W zostanie pobrane z bufora akumulatora. W podobny sposób można „manewrować” w okresach zmniejszonej aktywności słonecznej.

Zalety inwerterów autonomicznych:

  • Całkowita niezależność od scentralizowanej sieci energetycznej.
  • Możliwość magazynowania energii.
  • Elastyczność rozkładu obciążenia.

Wady inwerterów autonomicznych:

  • Uzależnienie od warunków atmosferycznych.
  • Ograniczona moc.
  • Konieczność zakupu bufora akumulatorowego osobno.
  • Trudne w instalacji i konfiguracji.
Popularne inwertery autonomiczne (off-grid)

Hybrydowe (hybrid)

Największą elastyczność działania zapewniają inwertery hybrydowe. Stanowią unikalne połączenie modeli sieciowych (on-grid) i autonomicznych (off-grid), gdyż nie tylko przekształcają prąd stały w prąd przemienny, a mogą również magazynować nadwyżkę energii w buforze akumulatorowym i mieć możliwość dostarczania energii elektrycznej do scentralizowanej sieci w „taryfie gwarantowanej”. Najważniejsze jest dostrojenie współczynnika zużycia. Należy nad tym punktem zastanowić się bardziej szczegółowo.

Inwertery hybrydowe najlepiej nadają się do inteligentnej, automatycznej dystrybucji mocy. Jeśli więc zabraknie prądu z paneli fotowoltaicznych, taki przetwornik pobiera brakującą moc z akumulatora lub „miesza” ją ze scentralizowanej sieci – wszystko to elastycznie konfiguruje się w ustawieniach (przy wsparciu odpowiednich funkcji). Można całkowicie pominąć etap zasilania z akumulatora, zachowując w ten sposób zgromadzone rezerwy. Inwerter wysyła nadwyżkę generacji do ładowania bufora akumulatora lub przekazuje ją do sieci ogólnej – zgodnie z wybranymi priorytetami.

Najbardziej zaawansowane są inwertery hybrydowe, które można podłączyć do zewnętrznej sieci elektrycznej i bufora akumulatorowego.

Zaawansowane modele hybrydowe często wyposażone są w osobne wejście do podłączenia agregatu prądotwórczego. Inwerter może automatycznie włączać i wyłączać generator w przypadku braku wytwarzania energii elektrycznej lub utrzymywać optymalny poziom naładowania akumulatora, aby system był przez cały czas w pełni sprawny. Wszystkie te procedury można w pełni zautomatyzować – często poprzez aplikacje mobilne lub wygodny interfejs WWW.

Zalety inwerterów hybrydowych:

  • Możliwość pracy zarówno z systemami autonomicznymi (wyspowymi), jak i sieciowymi.
  • Elastyczność dystrybucji energii.
  • Efektywne wykorzystanie nadwyżek produkcji energii słonecznej.
  • Możliwość magazynowania energii.
  • Zmienność sterowania.

Wady inwerterów hybrydowych:

  • Wysoki koszt.
  • Trudne w instalacji i konfiguracji.
Popularne inwertery hybrydowe

2. Napięcie robocze, moc i sprawność

Ważnym aspektem przy wyborze inwertera do systemów wytwarzania energii słonecznej jest „wtyczka” dopuszczalnych napięć PV (układu paneli). Zakres pracy konwertera mieści się pomiędzy napięciem początkowym a punktami napięcia maksymalnego. Jeśli na wejście konwertera zostanie podane niższe napięcie, po prostu się nie uruchomi; jeśli zostanie podane wyższe napięcie, inwerter szybko się przegrzeje i ulegnie awarii. Maksymalne dopuszczalne napięcie w obwodzie obliczane jest dla temperatury granicznej akumulatora słonecznego -25°C, ponieważ napięcie wzrasta dokładnie wtedy, gdy temperatura panelu spada i przekraczanie go jest zdecydowanie niewskazane. Próg minimalny uwzględniany dla temperatury granicznej płyt wynosi +70°C. Obie uzyskane wartości określają strukturę przyłączania paneli fotowoltaicznych do ciągu, ich dopuszczalną liczbę i sposób łączenia (szeregowo, równolegle, szeregowo-równolegle). Aby nie obliczać parametrów za pomocą specjalnych wzorów, często podaje się je w charakterystykach konkretnych inwerterów (min. napięcie PV i maks. napięcie PV).

Aby wybrać inwerter na podstawie minimalnego i maksymalnego progu napięcia układu paneli fotowoltaicznych (PV)
Istnieją specjalne filtry wyszukiwania.

Moc wyjściowa jest podstawową cechą każdego inwertera. Moc znamionowa jest wskazywana na podstawie całkowitego zużycia energii przez całe obciążenie, które ma zostać podłączone. Można to z grubsza oszacować na podstawie charakterystyki urządzeń elektrycznych lub specjalistycznych tabel mocy. Aby inwerter nie doznał przeciążeń, zaleca się dodanie co najmniej 10 - 20% rezerwy ponad uzyskaną moc.

Przybliżone zużycie energii elektrycznej przez różne urządzenia
Elektronarzędzia Sprzęt AGD
Urządzenie Moc, W Urządzenie Moc, W
Wyrzynarka 250-700 Lampy elektryczne 5-50
Ostrzarka elektryczna 300-1100 Telewizor 100-400
Wiertarka 400-800 Lodówka 150-600
Strug elektryczny 400-1000 Komputer 400-750
Młotowiertarka 600-1400 Odkurzacz 1000-2000
Szlifierka 650-2200 Suszarka do włosów 450-2000
Piła tarczowa 750-1600 Żelazko 1000-2000
Pompa wysokociśnieniowa 2000-2900 Toster 500-1000
Urządzenia elektryczne Ekspres do kawy 800-1500
Urządzenie Moc, W Piekarnik 2000-3500
Pompa wodna 500-900 Czajnik elektryczny 2000
Silniki elektryczne 550-3000 Grzejnik 1000-2000
Termowentylator 750-1700 Kuchenka elektryczna 1100-6000
Kompresor 750-2800 Bojler 1500-2000
Klimatyzator 1000-3000 Mikrofalówka 700-1000
Piła tarczowa 18000-2100 Pralka 1000-2500


Ponadtowarto zwrócić uwagę na moc szczytową, która jest znacznie większa od mocy znamionowej. Rzecz w tym, że niektóre urządzenia elektryczne, takie jak lodówki, klimatyzatory czy pompy studniowe, zużywają znacznie więcej amperów w ciągu pierwszych kilku sekund rozruchu niż podczas normalnej pracy. Inwerter musi z łatwością wytrzymać tak zwiększone prądy rozruchowe. Zwykle moc znamionowa i szczytowa są określone w specyfikacji konwertera.

Moc prądu stałego inwertera zależy od specyfikacji układu paneli fotowoltaicznych i waha się od 80 do 120% znamionowej mocy wyjściowej. Rzecz w tym, że zwykle zaleca się lekkie „przeciążenie” inwertera po stronie prądu stałego, gdyż wyjście panelu fotowoltaicznego jest ustawione na warunki STC (standardowe warunki testowe odzwierciedlające idealne osiągi panelu fotowoltaicznego), które w praktyce rzadko są osiągane. W zdecydowanej większości panele fotowoltaiczne pracują na 80 - 90% mocy zainstalowanej i w trakcie pracy ich fotokomórki ulegają degradacji, co również prowadzi do spadku mocy. Dla konwencjonalnego modelu 5 kW optymalna wartość całkowitej mocy paneli fotowoltaicznych będzie mieścić się w przedziale od 4 do 6 kW (80% z 5 kW i 120% z tych samych 5 kW). Na podstawie uzyskanego zakresu można później obliczyć liczbę paneli w układzie fotowoltaicznym za pomocą specjalnych wzorów.

Jeśli chodzi o sprawność, zaleca się preferowanie modeli o sprawności około 90–95% lub większej. Podczas przetwarzania i przesyłu prądu z paneli fotowoltaicznych część energii jest nieuchronnie tracona, a część wykorzystywana jest na potrzeby własne inwertera (np. zapewnienie pracy jego układu chłodzenia). Straty powyżej 10% to nieosiągalny luksus dla systemów wytwarzania energii słonecznej, gdzie liczy się każdy wat.

Popularne inwertery o sprawności ≥ 98%

3. Geometria sygnału wyjściowego

Inwertery fotowoltaiczne wytwarzają różne przebiegi napięcia: falę prostokątną, falę quasi-sinusoidalną i czystą falę sinusoidalną.

Pierwszy wykres przedstawia falę prostokątną, drugi — quasi-sinusoidalną,
trzeci — czystą falę sinusoidalną.

Pierwsza opcja jest niezwykle rzadka i całkowicie nie nadaje się do zasilania obciążeń indukcyjnych (lodówki, klimatyzatora, elektronarzędzi itp.). Nieco lepiej radzą sobie modele z sygnałem o kształcie fali quasi-sinusoidalnej – jest to swego rodzaju ogniwo pośrednie. Dla wrażliwych obciążeń nadaje się z pewnym rozciągnięciem, jest jednak o rząd wielkości tańszy niż w przypadku inwerterów z czystą falą sinusoidalną. Gładka fala na wykresie jest oznaką napięcia o regularnym kształcie sinusoidalnym. Jest kompatybilne ze wszystkimi urządzeniami elektrycznymi gospodarstwa domowego, charakteryzuje się odpornością na obciążenia i nadaje się do zasilania delikatnego sprzętu.

Popularne inwertery do paneli fotowoltaicznych z czystą falą sinusoidalną

4. Funkcjonalność

Jeśli moc wejściowa przekracza możliwości urządzenia lub trzeba zwiększyć ogólną wydajność systemu wytwarzania energii słonecznej, będziesz potrzebować funkcji równoległego połączenia dwóch lub więcej inwerterów. Konwertery połączone równolegle synchronizują się ze sobą za pomocą standardowych protokołów komunikacyjnych (np. Modbus lub CAN). Interfejsy do parowania to złącza RS232, RS485, LAN (RJ-45). W tym przypadku inwertery współpracują ze sobą, wytwarzając prąd o tej samej częstotliwości i synchronizacji faz.

Równoległe połączenie inwerterów pozwala nie tylko zwiększyć całkowitą moc wytwarzania energii, jednak także zoptymalizować wydajność paneli fotowoltaicznych. Taka konstrukcja umożliwia łączenie paneli o różnych orientacjach i kątach bez zmniejszania ogólnej wydajności systemu. W przypadku jednego inwertera do tych samych celów będzie służył sterownik MPPT optymalizując wytwarzanie energii przy zmianie warunków atmosferycznych. Określa najbardziej optymalny stosunek napięcia i prądu pobieranego z paneli fotowoltaicznych, zapewniając w ten sposób maksymalną wydajność poszczególnych łańcuchów paneli połączonych szeregowo (stringów). Niektóre układy zawierają kilka kontrolerów MPPT – każde wyjście przeznaczone jest do podłączenia jednego ciągu.

Wiele zaawansowanych inwerterów umożliwia zdalne sterowanie ze smartfona poprzez Bluetooth lub Wi-Fi.

Inne interfejsy na pokładzie inwerterów mogą być reprezentowane przez klasyczny USB do konfiguracji sprzętu z komputerem PC, modułami komunikacyjnymi Wi-Fi lub Bluetooth. Połączenie bezprzewodowe posłuży do sterowania pracą urządzenia ze sparowanego smartfona lub tabletu. Elastyczne ustawienia kontroli i monitorowania zużycia energii są zazwyczaj dostępne w aplikacji mobilnej lub interfejsie internetowym.

Inwertery autonomiczne (wyspowe) i hybrydowe często posiadają funkcję UPS – w przypadku niewystarczającej generacji energii słonecznej lub odcięcia zasilania od scentralizowanej sieci energetycznej, modele takie automatycznie przełączają się na pracę autonomiczną z akumulatorów. Zapewnia to automatyczne tworzenie kopii zapasowych podłączonego obciążenia.

Popularne inwertery z funkcją UPS

5. Zasady eksploatacji

Ważnym czynnikiem w przypadku inwerterów jest usuwanie ciepła z elementów wewnętrznych. W przypadku modeli o małej mocy wystarczy pasywny układ chłodzenia, a jeśli inwerter jest mocny i często jest obciążony „do maksimum”, warto przyjrzeć się bliżej modelom z chłodnicą.

W przypadku umieszczenia na zewnątrz lub użytkowania w warunkach dużej wilgotności warto uwzględnić stopień ochrony obudowy inwertera przed wilgocią — IP65 i wyższy. A podczas instalowania konwertera słonecznego w pomieszczeniach mieszkalnych występuje również poziom hałasu. Źródłem hałasu może być wspomniany wcześniej wentylator do nadmuchu podzespołów wewnętrznych; dodatkowo tanie chińskie inwertery pracują bardzo głośno i uciążliwie.

Na koniec niezwykle ważne jest prawidłowe podłączenie inwertera do sieci domowej i nie przekraczanie parametrów obciążenia szczytowego. Nowoczesne modele, choć wyposażone w zabezpieczenia przed przeciążeniami, skokami napięcia i zwarciami, nadal nie są zalecane do ich przeciążania.

Popularne inwertery z aktywnym układem chłodzenia

6. Podsumowanie

Reasumując, do pracy synchronicznej ze scentralizowaną siecią elektryczną i sprzedaży nadwyżek wyprodukowanej energii elektrycznej w „taryfie gwarantowanej” inwertery sieciowe sprawdzają się doskonale. Praca w zamkniętej pętli zasilania z akumulacją energii elektrycznej w buforach akumulatorowych to przywilej inwerterów autonomicznych. Maksymalną elastyczność zapewniają inwertery hybrydowe, które działają zarówno w sieci autonomicznej, jak i centralnej.