Jakie są rodzaje falowników? Czym się charakteryzują?

Falowniki - rodzaje i zastosowanie

Choć właściwie wszystkie inwertery fotowoltaiczne działają w podobny sposób, to jednak w pewnych kwestiach mogą się mocno różnić. Rozbieżności mogą wynikać nie tylko z ich marki czy modelu, ale także z ich konstrukcji i zastosowania.

Falowniki zwykle dzieli się na 4 podstawowe grupy, związane z ich przeznaczeniem, budową i charakterystyką pracy. Najczęściej grupuje się je ze względu na następujące kryteria:

• ilość obsługiwanych faz – spotyka się falowniki 1-fazowe i falowniki 3-fazowe,
• specyfikę pracy – dostępne są urządzenia z podłączeniem do sieci (falownik on-grid), bez podłączenia do sieci (falownik off-grid) oraz mieszane (falownik hybrydowy),
• izolację – falownik transformatorowy i inwerter beztransformatorowy,
• moc instalacji – stosuje się mikroinwerter, falownik stringowy lub falownik centralny.

Powyższą klasyfikację zawsze należy uwzględnić przy wyborze inwertera do instalacji fotowoltaicznej. Daje nam to pewność, że urządzenie będzie pracowało wydajnie, a my w pełni wykorzystamy tkwiący w nim potencjał.

Typy falowników – podział ze względu na ilość faz

Zacznijmy od tego, że instalacje elektryczne w Polsce występują w dwóch wariantach – jednofazowym oraz trójfazowym. W przypadku instalacji jednofazowej, napięcie osiąga wartość 230 V, co pozwala na pobór mocy do 6 kW (moc umowna). Rozwiązanie to stosowane jest głównie w gospodarstwach domowych, gdzie energię wykorzystuje się zwykle do zasilania podstawowych sprzętów – oświetlenia, AGD i RTV.

Instalacje trójfazowe (zwane też potocznie siłą) stosowane są tam, gdzie potrzebna jest większa moc i gdzie zachodzi większe zużycie – np. w przedsiębiorstwach, ale też w domach, które korzystają z np. kuchenki indukcyjnej bądź z ogrzewania elektrycznego. Napięcie w układzie trójfazowym sięga 400 V i pozwala na przesył mocy powyżej 6 kW.

Producenci inwerterów dostosowali budowę swoich urządzeń do powyższych standardów, dzięki czemu na rynku dostępne są falowniki 1-fazowe oraz falowniki 3-fazowe.

Falownik 1-jednofazowy

Inwerter jednofazowy dobiera się do instalacji o mocy nie większej niż 3 kW i jest to ściśle powiązane z charakterystyką pracy fotowoltaiki. Napięcie w zestawie fotowoltaicznym o mocy do 3 kW wynosi ok. 300-350 V, dlatego dla jak najlepszej sprawności urządzenia, stosuje się wariant 1-fazowy. Graniczną moc dla jednofazowego źródła wytwórczego określają również zapisy dokumentów “Instrukcje Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej”, które podają, że “Jednostki wytwórcze o mocy zainstalowanej większej niż 3,68 kW przyłączane są do sieci dystrybucyjnej w sposób trójfazowy”.

Falownik jednofazowy można podłączyć zarówno do instalacji jednofazowej, jak i instalacji trójfazowej. Pierwszy przypadek (inwerter 1-fazowy i instalacja 1-fazowa) to opcja optymalna – jeśli instalacja produkuje prąd o mocy 2 kW i obciążenie fazy wynosi 2 kW, to cała energia potrzebna do zasilania w domu pochodzi z fotowoltaiki, tym samym jej właściciel oszczędza.

W tym drugim przypadku (falownik 1-fazowy, instalacja 3-fazowa), urządzenie podpina się do najbardziej obciążonej fazy tak, aby maksymalnie zwiększać autokonsumpcję. Na pozostałych fazach pobór i tak będzie zachodził (nawet jeśli na fazie podłączonej do falownika produkcja przewyższy pobór i pojawiają się nadwyżki). To oznacza, że prosument nie zyska aż tyle – bo w zależności od rodzaju rozliczenia prosumenckiego, będzie tracił 20% odesłanej energii (w systemie opustów) lub też będzie musiał wycenić energię po stawkach giełdowych (net-billing).

Falownik 3-fazowy

Jeśli moc fotowoltaiki (według nowej definicji, rozumiana jako zsumowana moc modułów fotowoltaicznych) przekracza 3,68 kW, zgodnie z wymogami Operatorów Sieci Energetycznych, konieczne jest zastosowanie falownika 3-fazowego. Rozkłada on energię z instalacji równomiernie na wszystkie fazy, dzięki czemu produkcja z PV może od razu zmniejszać pobór z sieci.

W przypadku inwerterów 3-fazowych jeszcze do niedawna problemem była kwestia bilansowania międzyfazowego. Aktualna wersja ustawy o OZE określa, że OSD ma obowiązek rejestrować i bilansować energię ze wszystkich faz, w sposób wektorowy - który jest bardziej opłacalny dla prosumentów. Szerzej na ten temat pisaliśmy w naszym artykule: System opustów i bilansowanie energii z fotowoltaiki – co musisz wiedzieć?

Choć korzystanie z falownika trójfazowego ma swoje wady, ma również istotną zaletę – równomierne wprowadzanie energii przez każdą z faz sprzyja stabilizowaniu sieci lokalnej. Symetryczne rozkładanie produkcji z fotowoltaiki przez inwerter 3-fazowy pozwala m.in. na zastosowanie mniejszych przekrojów przewodów solarnych.

Jeśli chcecie wiedzieć więcej na temat zasad współpracy falowników jednofazowych i trójfazowych z domowymi instalacjami elektrycznymi, zachęcamy do zapoznania się z naszym artykułem: Instalacja fotowoltaiczna jednofazowa a trójfazowa – porównanie.

Rodzaje inwerterów - klasyfikacja ze względu na tryb pracy

Kolejny podział falowników związany jest ze sposobem ich pracy. Zapewne wiecie już, że instalacje zwykle pracują w jednym z dwóch trybów on-grid i off-grid (a jeśli nie wiecie, zapoznajcie się z naszym artykułem na ten temat: On grid i off grid – instalacja przyłączona do sieci energetyki lub nie).

W pierwszym przypadku mamy do czynienia z instalacją podłączoną do sieci. W drugim z instalacją całkowicie niezależną. Od jakiegoś czasu spotkać można się też z wariantem mieszanym. Każda z tych sytuacji wymaga falownika o innych możliwościach.

Inwerter sieciowy, czyli falownik on-grid

Falownik sieciowy to obecnie najpopularniejsza opcja, wykorzystywana w instalacjach on-grid, czyli podłączonych do sieci elektroenergetycznej. Pozwala on na przesyłanie nadwyżek energii do sieci i korzystanie z przyjętych systemów rozliczeń prosumenckim.

Inwerter on-grid ma jednak jedną, dość uciążliwą wadę (a raczej cechę użytkową, wymaganą przez przepisy). Gdy w sieci zabraknie prądu – przez awarię czy prace konserwatorskie, falownik sieciowy musi się wyłączyć (wyzwalaczem tej funkcji jest tzw. zabezpieczenie wyspowe). Urządzenie rozłącza się jednak w konkretnym celu, a mianowicie by ochronić przed porażeniem osoby pracujące przy naprawie sieci. Najważniejsze informacje na ten temat zawarliśmy w artykule: Fotowoltaika a brak prądu w sieci – co musisz wiedzieć?

Dobra wiadomość jest taka, że niektóre nowsze urządzenia są w stanie zapewnić elektrykom bezpieczeństwo, nie odcinając jednocześnie prądu w gospodarstwie domowym.

Falownik off-grid - inwerter wyspowy

Z kolei falownik off-grid (czy też inwerter wyspowy) dostosowany jest do pracy całkowicie poza siecią. Zamiast tego może współdziałać np. z magazynami energii, do których odsyłana jest energia, nieskonsumowana na bieżąco. Falowniki tego typu wyposażone są w funkcje ułatwiające współpracę z akumulatorami (np. zarządzanie trybami ładowania akumulatora, inteligentny system ładowania akumulatorów) bądź też z urządzeniami zewnętrznymi (np. z agregatami prądotwórczymi).

Falowniki off-grid to uniwersalne rozwiązania, łączące w sobie funkcje falownika, regulatora ładowania, a także ładowarki magazynu energii.

Inwerter hybrydowy

Połączeniem inwertera sieciowego (on-grid) oraz falownika wyspowego (off-grid) jest tzw. falownik hybrydowy, który został zaprojektowany w taki sposób, by móc pracować zarówno we współpracy z siecią elektroenergetyczną, jak i poza nią. Jak działa inwerter hybrydowy, który działa w instalacji z akumulatorami?

Gdy fotowoltaika działa z pełną parą (czyli w niezbyt gorący, słoneczny dzień) falownik hybrydowy otrzymany prąd stały przekształca na prąd zmienny i w pierwszej kolejności kieruje go do urządzeń działających w lokalnej sieci elektrycznej. Gdy zapotrzebowanie zostanie pokryte, nadwyżki są kierowane do akumulatorów. Dopiero gdy te zostaną napełnione, pozostała energia zostaje odesłana do sieci. W razie awarii sieci, procedura kończy się po prostu na ładowaniu akumulatora, ale co istotne, prąd z fotowoltaiki nadal może zasilać urządzenia domowe.

Gdy panele fotowoltaiczne nie działają (w nocy) albo gdy produkcja nie pokrywa zapotrzebowania (w pochmurny dzień), falownik hybrydowy potrzebną energię najpierw pobiera z bufora (magazynu energii), a dopiero potem sięga po energię z sieci.

Według ekspertów, mieszany typ instalacji fotowoltaicznej w najbliższych latach będzie zyskiwał na znaczeniu, m.in. ze względu na zmiany w systemie rozliczeń prosumenckich, jak i spadające ceny magazynów energii. Ci, którzy chcą wiedzieć więcej na ten temat, mogą zajrzeć do naszego artykułu: Fotowoltaika i inwerter hybrydowy – idealne dla magazynów energii.

Typy falowników fotowoltaicznych – podział ze względu na izolację

Kolejną grupę inwerterów stanowią urządzenia, które zostały wyszczególnione ze względu na rodzaj izolacji. W tym przypadku wyróżnia się falowniki transformatorowe oraz beztransformatorowe.

Falownik transformatorowy

Jak sama nazwa wskazuje, falownik transformatorowy posiada transformator (niskiej częstotliwości LF lub wysokiej częstotliwości HF), który galwanicznie separuje stronę DC (stałoprądową – stronę modułów fotowoltaicznych) od strony AC (sieć).

Inwerter transformatorowy LF w fotowoltaice to rozwiązanie już nieco przestarzałe. Z jednej strony ma stosunkowo prostą budowę, co wpływa na niższą awaryjność. Z drugiej, obecność transformatora sprawia, ze całe urządzenie jest cięższe. Całość pracuje też z niższą sprawnością (w zależności od obciążenia, będzie to maksymalnie 96%).

Nowszym wariantem są fotowoltaiczne inwertery transformatorowe HF (wysokiej częstotliwości). Mają one dwustopniową budowę, która przekłada się na większą sprawność i niższą wagę, ale i potencjalnie większą awaryjność.

Falowniki transformatorowe stosuje się głównie w wyjątkowych przypadkach - np. we współpracy z modułami cienkowarstwowymi, które często wymagają uziemienia jednego z biegunów.

Inwerter beztransformatorowy

Rozpowszechnienie się modułów poli- i monokrystalicznych sprawiło, że obecnie, najbardziej rozpowszechnione są jednak falowniki beztransformatorowe. Mają bowiem sporo zalet:

• niższą wagę,
• wysoką sprawność w szerszym zakresie obciążenia,
• niższą cenę.

Nie posiadają jednak galwanicznego oddzielenia stron DC i AC, przez co muszą być wyposażone w zabezpieczenia i podzespoły pomiarowe. Inwertery beztransformatorowe zdominowały europejski rynek instalacji domowych i komercyjnych, z udziałem ponad 80%.

Moc urządzenia a rodzaje falowników

Ostatnią, popularną kategorią falowników jest ta, związana z ich wielkością, mocą oraz sposobem podłączenia. W tym przypadku wyróżnia się:

• mikroinwertery (mikrofalowniki),
• falowniki szeregowe,
• falowniki centralne.

Mikroinwertery lub mikrofalowniki - dla pojedynczych modułów

Mikrofalownik to urządzenie, które budową i działaniem przypomina standardowy inwerter. Jedyna różnica polega na tym, że mikroinwerter posiada zdecydowanie mniejsze wymiary oraz może współpracować najczęściej z jednym panelem. Maksymalna moc mikrofalownika przewidzianego dla pojedynczego modułu to ok. 350-400 W (istnieją jednak marki, które oferują mikroinwertery o mocy nawet powyżej 1 kW - np. Hoymiles). Ich konstrukcja sprawia, że montuje się je bezpośrednio pod modułami.

W przypadku mikroinwerterów, stosuje się model podłączenia równoległego, gdzie każdy moduł posiada własny inwerter. Taka mini instalacja pracuje niezależnie od pozostałych, co przekłada się na lepsze wyniki w przypadku np. częściowego zacienienia. Również rozbudowa instalacji fotowoltaicznej opartej o mikrofalownik jest prostsza. Urządzenie jest jednofazowe, dlatego w instalacjach trójfazowych montuje się go na każdej z faz. Inną ważną cechą mikroinwerterów jest to, że w instalacjach PV, w których pracują, napięcie oscyluje w granicach kilkudziesięciu wolt (a nie kilkuset, jak to jest w instalacjach łączonych szeregowo). Stąd też instalacje z mikroinwerterami określa się jako fotowoltaikę niskonapięciową.

Źródło: własne - enerad.pl

Jeśli potrzebujecie więcej informacji na ten temat, sprawdźcie nasz artykuł: Mikroinwerter – co to jest? Kiedy się go stosuje?

Inwertery stringowe, czyli falowniki szeregowe lub łańcuchowe

Najpopularniejszy typ falowników, wykorzystywany m.in. w fotowoltaice dla domu czy fotowoltaice dla firm to inwerter szeregowy. Według danych SBF Polska PV, w 2020 roku aż 93,2% wszystkich sprzedanych falowników stanowiły urządzenia stringowe, trójfazowe. Zazwyczaj mają moc od 1 do 50 kW. Z zasady, są zatem przeznaczone dla mikroinstalacji, choć praktyka pokazuje, że często wykorzystuje się je także przy budowie farm fotowoltaicznych.

Nazwa falownika szeregowego pochodzi stąd, że obsługuje on jeden lub kilka stringów (szeregów) modułów jednocześnie, zawierających od ok. 6 do 22 modułów. Wszystko zależy jednak od samego urządzenia, m.in. ilości MPPT, ale też rozłożenia paneli fotowoltaicznych w miejscu montażu. Taki sposób podłączenia sprawia jednak, że instalacje z falownikami łańcuchowymi nieco gorzej radzą sobie w przypadku zacienień (chyba że zastosuje się optymalizatory mocy). Muszą też operować na wyższych napięciach, co może negatywnie odbijać się na ich żywotności. Ich wykorzystanie w systemie PV jest jednak mniej kosztowne, niż alternatywy w postaci mikrofalowników.

Ze względu na swoją moc, falowniki szeregowe mogą współpracować zarówno z instalacjami jedno-, jak i trójfazowymi. Montuje się je w pobliżu punktu przyłączenia (np. przy rozdzielni i liczniku).

Inwertery centralne

Falownik centralny to urządzenie, które dedykowane jest dla farm fotowoltaicznych. Charakteryzuje się bardzo dużą mocą (kilkuset kilowatów, niekiedy nawet kilku megawatów) oraz znacznymi wymiarami. Na pierwszy rzut oka mogą nawet przypominać niewielki budynek. Dla przykładu inwerter centralny o mocy 1 MW ma wymiary ok. 2,5 x 2,7 x 1 m i waży niemal 2 tony.

Falownik centralny, źródło: unsplash.com

Falownik centralny może obsługiwać nawet tysiące paneli fotowoltaicznych, które są z nim łączone szeregowo w stringi, a następnie te są łączone równolegle. Pod względem funkcjonalnym nie różnią w większym stopniu od falowników stringowych czy nawet mikrofalowników.

Falowniki centralne zostały opracowane w celu optymalizacji kosztów inwestycyjnych - im większa moc urządzenia, tym niższy jego koszt w przeliczeniu na 1 kW. Co ciekawe, farmy fotowoltaiczne w Polsce raczej rzadko wykorzystują to rozwiązanie. Jeden centralny falownik zastępuje się zwykle odpowiednią liczbą falowników szeregowych. Daje to m.in. większe bezpieczeństwo w przypadku awarii urządzenia (wyłącza się tylko część instalacji, a nie cała) oraz optymalizację pracy instalacji (jeśli np. nie wszystkie moduły pracują w dokładnie takich samych warunkach otoczenia).

Na co wpływa rodzaj falownika do fotowoltaiki?

Kryteria służące do klasyfikacji inwerterów fotowoltaicznych mają bezpośredni wpływ na wiele aspektów ekonomicznych i funkcjonalnych z nimi związanych.

Do zobrazowania tych zależności można posłużyć się m.in. tematem kosztów. Cena falowników jest w największym stopniu wrażliwa na kwestie takie jak m.in.:

• ich moc - w przypadku falowników obowiązuje zasada, że im większa moc urządzenia, tym niższy jego koszt w przeliczeniu na 1 kW. Dla przykładu, w falownikach stringowych może ona wynieść poniżej 1.000 zł. W przypadku mikrofalowników, cena za 1 kW może przekroczyć 2.000 zł,
• ilość faz - falowniki jednofazowe są tańsze od inwerterów trójfazowych,
• posiadane funkcjonalności i sposób działania - jeśli falownik posiada unikalne rozwiązania, takie jak opcja pracy jako zasilanie zapasowe czy też wbudowany moduł AFCI, może (choć nie musi ;)) być bardziej kosztowny. Jeśli chcecie dowiedzieć się jak działa falownik i jaka jest jego budowa, mamy dla Was odpowiednie materiały: Jak działa falownik? Jak jest zbudowany?

Oczywiście aspekty techniczne czy użytkowe, to nie jedyne co ma wpływ na koszt inwertera. Znaczenie mają bowiem również m.in. kursy walut czy sytuacja gospodarcza na świecie. Szczegółowe informacje związane z finansową stroną inwerterów, znajdziecie w naszym artykule “Ile kosztuje falownik?”.