Jak działa falownik? Jak jest zbudowany?

Do czego służy inwerter? Funkcje falowników

Inwerter fotowoltaiczny, nazywany też falownikiem, w fotowoltaice służy do przekształcania prądu stałego DC (produkowanego przez moduły) na prąd przemienny AC, wykorzystywany przez większość współczesnych urządzeń elektrycznych. Stanowi on zatem pewnego rodzaju pomost między generatorem energii ze słońca, a jego odbiornikiem (siecią lub punktem obciążenia zmiennoprądowego).

Zmieniająca się technologia i potrzeby inwestorów sprawiły, że obecnie przekształcenie prądu to niejedyne zadanie falownika. Urządzenia te pełnią również szereg innych funkcji. Jakich?

Do podstawowych funkcji falowników należy:

• monitorowanie parametrów instalacji PV oraz sieci elektroenergetycznej,
• zarządzanie pracą instalacji fotowoltaicznej - w tym m.in. ograniczanie jej mocy w razie potrzeb,
• optymalizacja pracy modułów względem warunków otoczenia,
• komunikacja z użytkownikiem, uwzględniająca sygnalizację błędów lub awarii,
• zabezpieczanie pracy instalacji fotowoltaicznej.

Powyżej określiliśmy jedynie ogólne możliwości falowników fotowoltaicznych. Ich charakterystyka pracy w dużej mierze zależy bowiem od konstrukcji i przeznaczenia urządzenia. Przykładowo, niektóre nowoczesne urządzenia posiadają opcję zasilania rezerwowego. Dzięki niej inwerter pozwala korzystać z energii produkowanej przez panele zgodnie z zaleceniami, nawet gdy falownik wyłączy się z braku prądu w sieci. Dlaczego tak się dzieje pisaliśmy w artykule “Fotowoltaika a brak prądu w sieci – co musisz wiedzieć?”.

Wróćmy jednak do podstaw i omówmy, jak wygląda klasyczna budowa falownika fotowoltaicznego.

Budowa falownika fotowoltaicznego

Zanim przejdziemy dalej, warto podkreślić, że istnieje kilka kategorii oraz podwariantów falowników. Mają one różne przeznaczenie, które to wpływa na budowę samego urządzenia. Przykładowo, falowniki dzieli się na:

• jedno i trójfazowe,
• sieciowe (on-grid), wyspowe (off-grid) oraz hybrydowe (mieszane),
• transformatorowe i beztransformatorowe,
• stringowe, centralne oraz mikrofalowniki.

Więcej na temat klasyfikacji falowników znajdziecie w naszym artykule “Jakie są rodzaje falowników? Czym się charakteryzują?”.

Każdy z powyższych rodzajów, może się w mniejszych lub większych detalach różnić od pozostałych. Ogólna budowa falowników fotowoltaicznych jest jednak zwykle zbliżona.

Falownik - budowa zewnętrzna

Jeśli chodzi o zewnętrzną budowę falowników fotowoltaicznych, to są to najczęściej stosunkowo niewielkie skrzynki, swoim wyglądem przypominające np. licznik energii. Różnica między falownikiem a licznikiem jest jednak znacząca. Pierwsze urządzenie przetwarzając prąd stały na zmienny, dostarcza nam energii niezbędnej do zasilania urządzeń. Drugie - tj. licznik, służy wyłącznie do ewidencjonowania zużycia lub produkcji energii.

Zewnętrzna budowa falownika SMA, źródło: pixabay

Falowniki zwykle posiadają obudowę wykonaną z tworzywa sztucznego, na której froncie umieszcza się przyciski sterujące oraz wyświetlacz. Nie jest to jednak reguła, bo przykładowo falowniki SolarEdge dostępne są bez wyświetlacza, a mikrofalowniki Hoymiles posiadają aluminiową obudowę.

Oprócz tego, standardowe inwertery fotowoltaiczne, w dolnej części obudowy najczęściej posiadają jeszcze:

• przełącznik DC, służący do bezpiecznego odcięcia dopływu prądu DC do urządzenia,
• gniazda na złącza MC4 doprowadzające energię z modułów,
• porty komunikacyjne - np. RS485, Wi-Fi, LAN,
• wyjście AC.

Oczywiście, układ ten może się różnić w zależności od marki, a nawet poszczególnych modeli falownika. Przykładowo w falownikach Huawei w tym miejscu znajduje się oprócz tego m.in. złącze bateryjne.

Falownik - wymiary i waga

Wymiary falownika do fotowoltaiki również nie zawsze będą takie same. Na wielkość urządzenia wpływa bowiem m.in. jego marka, model, zastosowana technologia, konstrukcja, ale także moc nominalna. Wymiary falowników przeznaczonych dla instalacji komercyjnych (o mocy większej niż 10 kW) są większe, niż tych, które mają pracować w instalacjach domowych.

Falownik - wymiary przykładowe

Również waga falowników może być różna. Zwykle jednak nie przekracza kilkunastu kilogramów.

Wewnętrzna budowa falownika

Jeśli chodzi o wewnętrzną budowę falownika, to składa się on z kilku głównych elementów:

• przekształtnika DC/DC z układem MPPT - jego zadaniem jest przekształcenie napięcia wejścia, do napięcia wyjścia;
• przekształtnika DC/AC, czyli falownika głównego, w którym dokonuje się transformacja napięcia stałego o zadanej wysokości, na napięcie przemienne o amplitudzie i częstotliwości zgodnej z parametrami sieci elektroenergetycznej (230 V, 50 Hz);
• filtra wygładzającego LC, którego zadaniem jest ograniczanie wyższych harmonicznych do poziomu, dopuszczalnego przez przyjęte normy.

To tyle, jeśli chodzi o podstawowe elementy budowy falownika związane z jego głównym zadaniem, czyli przetwarzaniem prądu stałego na prąd przemienny.

Konstrukcję inwertera PV można opisać również w inny sposób. W uproszczonym modelu budowy falownika jako całego urządzenia, poszczególne komponenty grupuje się w układy. W takim ujęciu inwerter fotowoltaiczny składa się z:

• wejścia strony DC;
• tzw. mostka kluczy półprzewodnikowych, którego zadaniem jest zamiana prądu DC (stałego) na przemienny (AC);
• układów: sterującego i zabezpieczającego;
• układu wyjścia.

W nowoczesnych urządzeniach, istotnym elementem budującym falownik jest szczególnie tzw. układ śledzenia punktu mocy maksymalnej (MPPT – Maximum Power Point Tracking). Układ ten zlokalizowany jest w układach wejścia i stale analizuje warunki zewnętrzne, by panele PV pracowały możliwie jak najwydajniej. Moc modułu jest bowiem wprost uzależniona od napięcia. Na nie zaś wpływają czynniki zewnętrzne takie jak: temperatura otoczenia modułów czy natężenie promieniowania słonecznego. MPPT szuka punktu, w którym bieżące parametry zagwarantują najwyższą moc.

Wewnętrzna budowa falownika, źródło: materiały Solplanet

Jako że inwertery pełnią obecnie też wiele innych funkcji, pod obudową znajdziecie jeszcze szereg innych elektrycznych i elektronicznych komponentów m.in.:

• płytę zasilania,
• płytę główną,
• płytę sterowania,
• tablicę komunikacyjną,
• kondensatory,
• radiator (przy chłodzeniu pasywnym) lub radiator z wentylatorem (przy chłodzeniu aktywnym),
• zabezpieczenia.

Przykładowy schemat falownika fotowoltaicznego

Zastanawiacie się, jak faktycznie wygląda wnętrze falownika? Uproszczony model budowy inwertera, w formie ideowej można niekiedy znaleźć instrukcjach obsługi i zaleceniach montażu urządzenia. Poniżej znajdziecie przykładowy schemat falownika fotowoltaicznego firmy SMA.

Schemat falownika fotowoltaicznego, źródło: SMA

Falownik - zasada działania

Teraz, w dużym uproszczeniu omówimy, jak działa falownik. Przez układy wejścia (za pośrednictwem przewodów solarnych i złączek MC4) prąd stały przechodzi do konwertera DC/AC. Ten przekształca napięcie prądu stałego na napięcie przemienne, dostosowane parametrami do tego, które znajduje się w sieci publicznej. Układem wyjścia, przekształcony prąd jest kierowany dalej – do domowej instalacji lub sieci energetycznej.

Współczesne falownik posiadają rozbudowane systemy komunikacyjne (są wyposażone m.in. w łączność Wi-Fi, Bluetooth), co pozwala na wygodne monitorowanie i zarządzanie systemem. Tyle z kwestii czysto technicznych.

Pod względem funkcjonalnym, zasada działania falownika jest taka, że podwyższając nieco napięcie prądu AC, urządzenie kieruje go w pierwszej kolejności do zużycia w domowej sieci. W przypadku standardowych inwerterów nadwyżki (to, co nie zostało skonsumowane na bieżąco) jest później przesyłane do sieci.

Jak działa falownik trójfazowy?

Falownik trójfazowy działa dokładnie w taki sam sposób, jak omówione zostało to powyżej (transformuje prąd stały na prąd przemienny). Charakterystyczną regułą zasady działania inwertera trójfazowego jest głównie to, że będąc podłączonym do instalacji trójfazowej rozdziela przetworzoną energię po równo, na każdą z faz.

Jak działa falownik fotowoltaiczny jednofazowy?

Również falownik fotowoltaiczny jednofazowy dokonuje przekształcenia prądu DC na prąd AC. Ze względu na swoją budowę, otrzymaną energię jest jednak w stanie przekazać jedynie na wybraną fazę, do której został podłączony. Co ciekawe, falownik fotowoltaiczny jednofazowy może działać na trójfazowej instalacji elektrycznej. Jednak w takim przypadku, aby zoptymalizować autokonsumpcję w instalacji PV, podłącza się go do najbardziej obciążonej fazy.

Więcej na temat falowników jedno- i trójfazowych w instalacjach elektrycznych znajdziecie w artykule: “Instalacja fotowoltaiczna jednofazowa a trójfazowa – porównanie”.

Inwerter hybrydowy - jak działa?

Falownik hybrydowy działa w jeszcze nieco inny sposób. Ponieważ jest on dostosowany do współpracy zarówno z siecią elektroenergetyczną, jak i magazynem energii, posiada układy pozwalające na inteligentne zarządzanie energią.

Inwerter hybrydowy analizuje zapotrzebowanie na energię w obiekcie i kieruje do niego odpowiednią ilość prądu, która pokryje to zapotrzebowania. Jeśli energii jest więcej, nadwyżki w pierwszej kolejności wysyła do akumulatorów. Dopiero gdy te będą naładowane, prąd jest kierowany do sieci energetycznej.

Czy falownik działa w nocy?

Część właścicieli elektrowni słonecznych, widząc, że po zachodzie słońca fotowoltaika wyłącza się wraz z inwerterem, zastanawia się, czy jest to normalne zachowanie urządzenia. Czy falownik działa w nocy?

Odpowiedź na to pytanie jest dość prosta – falownik w nocy nie działa, ponieważ panele nie mają z czego produkować energii. Większość inwerterów, w nocy wyłącza się, przechodząc w stan uśpienia – nie migają wówczas żadne diody i nic nie pojawia się na wyświetlaczu. Gdy pojawi się słońce, urządzenie automatycznie się wybudzi i zacznie pracować.

Warto przy tym pamiętać, że nawet podobne falowniki mogą zachowywać się inaczej – różnią się bowiem od siebie pod wieloma względami – nie tylko marką.

Dlaczego falownik nie działa? Prawdopodobne scenariusze

Choć z zasady inwertery to wytrzymałe urządzenia, może się zdarzyć sytuacja, że falownik nie działa - z bliżej nieokreślonej przyczyny. Gdzie w takiej sytuacji szukać źródeł problemu?

• Zbyt wysokie napięcie w sieci - w ostatnich miesiącach to może być najbardziej prawdopodobna przyczyna niedziałającego falownika. Aby przesłać nadwyżki prądu do sieci, falownik musi podnieść jego napięcie. Gdy wiele urządzeń naraz próbuje wykonać podobny manewr, napięcie w sieciach energetycznych zaczyna przekraczać dopuszczalną dla urządzeń normę (+/- 10% od wartości 230 V). W efekcie, by uniknąć awarii, falownik może (a nawet powinien) się wyłączyć.
• Przegrzane urządzenie - inwerter może pracować w pewnych zakresach temperatur otoczenia (zwykle od -25 do +60 stopni Celsjusza). Zakres ten drastycznie się jednak zmniejszy, jeśli sprzęt nie będzie miał zapewnionej właściwej cyrkulacji powietrza. Jeśli falownik nie działa, warto się upewnić, że nic nie blokuje wentylatora, a wokół urządzenia jest zachowany odstęp cyrkulacyjny.
• Po prostu awaria - każde urządzenie może się zepsuć. Jeśli falownik ulegnie awarii, powinien Was o tym poinformować odpowiednim kodem błędu. Większość inwerterów posiada bowiem funkcję autodiagnostyki (a także możliwość zdalnej naprawy). Opis ewentualnych awarii powinniście znaleźć w instrukcji obsługi. Jeśli posiadacie gwarancję, możecie też zgłosić się do swojego instalatora. W przeciwnym przypadku możecie skorzystać z serwisu fotowoltaiki.

Więcej na temat tego, dlaczego instalacja fotowoltaiczna i falownik nie działa lub wyłącza się, znajdziecie w naszym artykule “Instalacja fotowoltaiczna wyłącza się – dlaczego? Co robić?”.

Budowa i funkcje falownika a jego bezpieczeństwo oraz użyteczność

Wspominaliśmy już, że falowniki fotowoltaiczne już od jakiegoś czasu nie służą wyłącznie do przekształcania parametrów prądu. Obecnie to rozbudowane centrum dowodzenia instalacją fotowoltaiczną. Szczególną uwagę przykłada się w nich do kwestii ochrony. Wysokiej klasy falowniki mogą się pochwalić szeregiem wbudowanych zabezpieczeń, m.in.:

• ochroną przeciwzwarciową DC i AC,
• zabezpieczeniami przeciwprzepięciowymi DC i AC,
• funkcją monitoringu zwarcia doziemnego,
• zabezpieczeniem przed odwróconą polaryzacją DC,
• monitoringiem ciągłości izolacji (rezystancji izolacji),
• ochronę przed przegrzaniem,
• wykrywanie i wygaszanie łuku elektrycznego (moduł AFCI).

Obowiązkowym elementem każdego falownika przyłączonego do sieci jest także zabezpieczenie wyspowe (wymaga tego norma IEC 62116), gwarantujące odłączenie instalacji PV po wykryciu braku napięcia w sieci energetycznej (ma to m.in. chronić osoby pracujące przy naprawach). Każda instalacja PV o mocy powyżej 10 kW może być zdalnie wyłączona przez OSD (zgodnie z ustawą Prawo energetyczne).

Budowa i funkcje falowników PV powinny również uwzględniać zalecenia wynikające z międzynarodowych norm i dyrektyw, takich jak:

• IEC62109 część 1 i 2 - “Bezpieczeństwo konwerterów mocy stosowanych w fotowoltaicznych systemach energetycznych”,
• Kodeks sieciowy - NC RfG,
• Norma kompatybilności elektromagnetycznej EMC (IEC 61000).

Ogólna zasada działania falownika fotowoltaicznego jest zbliżona dla wszystkich typów i modeli - urządzenie ma przekształcać prąd DC na prąd AC. To jak działa inwerter, może jednak różnić się w detalach. Wiele zależy bowiem od budowy falownika, technologii zastosowanej przez producenta czy modelu samego urządzenia. Co istotne, elementy te wpływają m.in. na cenę falownika fotowoltaicznego.