Dlaczego w zestawie solarnym moc falownika (inwertera) powinna być niższa od mocy paneli? Czy takie rozwiązanie jest korzystne? To najczęstsze pytania, które zadają nam inwestorzy. Wyobraźmy sobie, że falownik to silnik samochodu osobowego. Zależy nam na tym, aby pokonać jak najdłuższy dystans i zużyć jak najmniej paliwa. Jeżeli do osobówki zamontujemy za duży silnik (np. z ciężarówki), to moc auta będzie większa, ale paliwa też zużyjemy więcej, więc przejedziemy mniej. Co z tego wynika? Trzeba odpowiednio dobrać silnik do masy auta. Tylko wtedy osiągniemy najlepszą wydajność. Podobnie jest z falownikami solarnymi. Ich sprawność jest największa przy maksymalnym obciążeniu energią ze słońca.
Energia z paneli fotowoltaicznych a moc falownika
Panele fotowoltaiczne dostarczają energię z różną mocą, co zależy od pory dnia, nasłonecznienia i temperatury. Kluczem w takiej sytuacji jest właściwy dobór mocy falownika. Panele fotowoltaiczne powinny jak najdłużej dostarczać energię o mocy zbliżonej do maksymalnej mocy falownika. Jednocześnie trzeba unikać strat energii, co ma miejsce wtedy, gdy panele generują większą moc, niż maksymalna moc falownika. Producenci paneli fotowoltaicznych zalecają, aby moc paneli wahała się w przedziale 80-125% mocy falownika. Sprawność systemu jest jednak najwyższa, gdy moc paneli zostanie przewymiarowana w stosunku do mocy falownika w granicach od 105 do 120%. Przykład: w zestawie fotowoltaicznym o mocy 6 kW można zastosować falownik o mocy 5 kW. Takie przewymiarowanie jest odpowiednie dla paneli skierowanych na południe pod kątem 30-40 stopni. W przypadku instalacji z mniejszym kątem nachylenia (np. 10-15 stopni) skierowanych na wschód lub zachód, przewymiarowanie może być większe, a dla instalacji wschód-zachód może wynosić nawet ok.160%. To oznacza, że instalacja o mocy 8 kW w konfiguracji 4 kW na wschód i 4kW na zachód może mieć falownik o mocy 5 kW.
Czym różni się moc paneli od mocy falownika (inwertera)?
Te dwie moce nie są ze sobą tożsame. Moc inwertera określa jego faktyczną maksymalną moc czynną z jaką inwerter przetwarza energię z paneli fotowoltaicznych. Moc paneli fotowoltaicznych można natomiast podać w ściśle określonych warunkach. Dzieje się tak dlatego, że producenci paneli muszą wykonać testy w takich warunkach, które są z góry określone przez jednostki certyfikujące. Tylko wtedy mogą określić parametry swoich produktów i uzyskać certyfikaty. Są to tzw. standardowe warunki testowania, określane w kartach katalogowych paneli jako STC (Standard Test Conditions). Należą do nich: promieniowanie słoneczne o natężeniu 1000 W/m², gęstość powietrza AM 1½, temperatura paneli (ogniw) 25°C. Takie warunki można osiągnąć w laboratoriach. W praktyce zdarzają się rzadko, zaledwie kilka razy w roku przez bardzo krótki czas.
Warunki pomiarów STC a warunki realne
W Polsce natężenie promieniowania słonecznego najczęściej osiąga wartość 800 W/m². Gęstość powietrza zbliżona do AM 1½, która oznacza grubość atmosfery przez jaką muszą przejść promienie słoneczne, występuje podczas równonocy wiosennej i jesiennej. Temperatura ogniw paneli 25°C osiągana jest krótko, ponieważ w pełnym słońcu panele nagrzewają się bardzo szybko, nawet do 45°C. Wraz ze wzrostem temperatury obniża się moc paneli. Zatem określenie mocy paneli przy temperaturze dokładnie 25°C jest bardzo trudne. To wszystko sprawia, że moc paneli osiągana w praktyce jest niższa od mocy podanej w karcie katalogowej. Zasada dotyczy wszystkich paneli, których moc określana jest w warunkach STC, czyli zdecydowanej większości paneli na świecie. Często określa się moc paneli w jednostce Wp (wat peak), co oznacza, że moc jest osiągana w tzw. szczycie, w warunkach STC.
Warunki NOCT – bliższe rzeczywistości
Dla lepszego określenia rzeczywistej mocy paneli fotowoltaicznych został wprowadzony standard tzw. nominalnej temperatury pracy ogniwa – NOCT (Nominal Operating Cell Temperature). Takie testowanie paneli lepiej odzwierciedla rzeczywiste warunki pracy instalacji fotowoltaicznej. Dla NOCT przyjmuje się: promieniowanie na poziomie 800 W/m², gęstość powietrza AM 1½, temperaturę ogniwa fotowoltaicznego 45°C. Przykład: panel, który w warunkach STC uzyskał moc 330 Wp, w warunkach NOCT osiągnie moc ok. 270 Wp. Renomowani producenci paneli fotowoltaicznych zawsze podają w karcie katalogowej wartość NOCT. Moc inwertera powinna być zatem dobrana bliżej wartości NOCT niż STC. Powszechniejsze jest jednak posługiwanie się mocą paneli w warunkach STC, dlatego producenci falowników zalecają przewymiarowanie mocy paneli nawet o 25%.
Dlaczego sprawność systemu fotowoltaicznego jest większa z falownikiem o niżej mocy maksymalnej?
Sprawność falownika zależy od przetwarzanej przez niego mocy. Sprawność jest najwyższa, gdy przetwarzana moc zbliża się do maksymalnej mocy falownika. Tę zależność przedstawia poniższy wykres dla falownika firmy Fronius:
Rys.1. Źródło: Fronius
Wykres przestawia krzywe sprawności falownika Fronius Symo. Widać, że dla napięcia 595 V (czerwona krzywa) sprawność maksymalna 98% jest osiągana, gdy falownik generuje moc w zakresie 70-100%. Natomiast w przypadku wytwarzania mocy na poziomie 10-30% sprawność falownika może być nawet o 10% niższa. To oznacza, że praca falownika z panelami, które dostarczają mocy poniżej 70%, będzie mniej efektywna. Najlepiej, aby panele jak najdłużej przekazywały energię na poziomie wyższym niż 70%. Warunki natężenia promieniowania słonecznego są jednak zmienne. Może więc dochodzić do sytuacji, w których panele byłyby w stanie dostarczyć więcej energii, ale falownik przetworzy jej tylko tyle, na ile pozwala mu moc maksymalna. Wtedy dochodzi do strat energii, które trzeba wziąć pod uwagę przy doborze falownika.
Analiza doboru falownika na przykładzie
Aby lepiej zobrazować korzyści z zastosowania mniejszego falownika względem mocy paneli, warto przeanalizować konkretną instalację fotowoltaiczną o parametrach:
- azymut: +15°C (prawie idealne południe),
- kąt nachylenia dachu: 40° (idealny dla wartości AM 1½ w czasie równonocy wiosennej),
- moc paneli STC – 6300 Wp (20 szt. x 315 Wp),
- moc inwertera – 6000 W,
- przewymiarowanie paneli względem inwertera – 105%.
Sprawdźmy, czy lepiej sprawdziłby się w tej instalacji falownik o mocy 5000 W z przewymiarowaniem 126%. Potrzebujemy danych o pracy systemu w warunkach bezchmurnego nieba od rana do wieczora, ale z różnymi temperaturami powietrza. Takie warunki wystąpiły 25 i 27 marca 2020 r, przy czym 25 marca był chłodniejszy o 10°C od 27 marca. Warunki 25 marca były bardzo zbliżone do warunków STC, według których określana jest moc szczytowa paneli. Moc instalacji osiągnęła 6000 W w szczycie. Próg najwyższej sprawności falownika >70% został przekroczony o godz. 9:30. Mniejszy falownik 5000 W przekroczyłby ten próg o godz. 9:00, czyli 30 min. wcześniej. Wystąpiłaby wtedy niewielka strata uzysku spowodowana ograniczaniem mocy do 5000 W (zaznaczona czarnymi liniami na wykresie).
Rys. 2. Wykres produkcji energii na dzień 25 marca 2020 r. Źródło: Fronius
27 marca odnotowaliśmy wzrost temperatury powietrza o 10°C i widać, że moc maksymalna spadła do 5500 W. Próg najwyższej sprawności falownika >70% został przekroczony w podobnych godzinach. Straty dla falownika 5000 W były już minimalne.
Rys. 3. Wykres produkcji energii na dzień 27 marca 2020 r. Źródło: Fronius
Dla porównania przeanalizujmy również wykres z dnia 30 czerwca 2019 (upalny bezchmurny dzień). Temperatura była wysoka i wynosiła 30°C. Moc maksymalna wyniosła 5000 W, a próg najwyższej sprawności falownika >70% został przekroczony nieco po godz. 11:00. Dla falownika 5000 W byłaby to godz. 10:00. Nie wystąpiły też straty wynikające z ograniczenia mocy falownika, ponieważ maksymalna dla instalacji była moc 5000 W.
Rys. 4. Wykres produkcji energii na dzień 30 czerwca 2020 r. Źródło: Fronius
Wnioski z analizy powyższego przykładu
Zastosowanie mniejszego falownika względem mocy paneli oznacza, że:
- chwilowa moc będzie niższa (tylko w wybrane dni), ale w dłużej perspektywie funkcjonowania instalacji uzysk energii będzie większy, ze względu na wyższą sprawność falownika,
- straty energii wynikające z ograniczenia mocy występują podczas niższych temperatur (głównie w okresie wiosennym, kiedy słońce jest już wysoko, ale nadal bywa chłodno). Strata wynosi ok. 1-2 kWh dziennie przez kilkanaście dni w roku (głównie w marcu i kwietniu), co stanowi ok. 1% produkcji rocznej,
- falownik pracuje dłużej w ciągu dnia średnio 1-2 godzin w zakresie swojej najwyżej sprawności (>70%). To przekłada się na wyższy uzysk energii (szczególnie w miesiącach cieplejszych: czerwiec, lipiec), kiedy częściej występują dni słoneczne. Korzyści mogą wynosić ok. 3-4% w skali roku,
- mniejszy falownik jest lepiej dopasowany w dłuższej perspektywie działania instalacji, ponieważ naturalna degradacja paneli powoduje spadek ich mocy o ok. 0,5% rocznie,
- można zaoszczędzić przy koszcie początkowym instalacji – mniejszy falownik jest tańszy.
Na podstawie analizy przykładu wynika, że zastosowanie falownika o mocy 5000 W zamiast 6000 W byłoby jak najbardziej korzystne. Większy falownik ma sens przy założeniu, że chcemy instalację rozbudować w przyszłości, przy czym do czasu rozbudowy sprawność całego układu będzie o kilka procent niższa.
