Przejdź do treści

Co to jest optymalizator mocy?

Ryszard Jesionowski:

optymalizator mocy - zasada działania

Optymalizator mocy zamontowany pod panelem fotowoltaicznym umożliwia zwiększenie produkcji energii elektrycznej na skomplikowanym dachu.

Jeśli posiadasz dach, który ma wiele połaci, wykusze, komin, antenę, itp. to prawdopodobnie będzie trudno zbudować instalację fotowoltaiczną z klasycznym falownikiem łańcuchowym. W takiej sytuacji pomocne mogą się okazać optymalizatory mocy.

  1. Co to jest optymalizator mocy
  2. Zalety optymalizatorów mocy
  3. Wady optymalizatorów mocy
  4. Wyniki testów
  5. Czy w ogóle potrzebujesz optymalizatorów mocy?
  6. Podsumowanie



Co to jest optymalizator mocy?

Systemy fotowoltaiczne z optymalizatorami mocy oferują rozwiązanie pośrednie pomiędzy klasycznymi falownikami łańcuchowymi (wyposażonymi w algorytmy MPPT) a mikroinwerterami. Montuje się na ogół jeden optymalizator mocy na moduł fotowoltaiczny (w większych instalacjach, jeden optymalizator przypada na dwa lub cztery panele). Gdy panel fotowoltaiczny produkuje energię elektryczną, optymalizator mocy dopasowuje jego parametry pracy do pozostałych modułów. Optymalizator mocy nie jest falownikiem – musi zostać skomunikowany – sparowany – z falownikiem centralnym, który steruje jego pracą.

Każdy optymalizator pracuje niezależnie od pozostałych i jeden optymalizator steruje na ogół jednym modułem fotowoltaicznym. Z tego powodu, optymalizatory bardzo dobrze sprawdzają się na skomplikowanych dachach, lub na takich, gdzie występuje dużo obiektów zacieniających (komin, wykusz, antena, itp.).

Klasyczne falowniki łańcuchowe mogą obsługiwać dachy z dwoma lub maksymalnie trzema połaciami. Jeżeli połaci dachowych, na których będą zamontowane moduły solarne jest więcej, klasyczny falownik łańcuchowy sobie nie poradzi.

Gdy na dachu są obiekty rzucające cień, optymalizator mocy może spowodować większą produkcję prądu z modułu PV w porównaniu z instalacją z klasycznym falownikiem łańcuchowym.

Co to jest łańcuch (string) paneli fotowoltaicznych?

W klasycznym systemie fotowoltaicznym, panele solarne są połączone w tzw. łańcuchy (z ang. string). Łańcuch składa się z połączonych ze sobą szeregowo paneli fotowoltaicznych.

Prąd przepływa przez wszystkie połączone ze sobą moduły. Gdy jeden z paneli ulegnie zacienieniu, zmniejszy się przepływ prądu przez zacieniony panel, oraz przez pozostałe panele.

optymalizatory mocy - wydajność instalacji pv
Łańcuch (string) połączonych paneli fotowoltaicznych z zacienionym panelem

Można to porównać do przepływu wody w wężu ogrodowym. Częściowo zacieniony panel to nadepnięcie na wąż. Za miejscem, gdzie nadepnęliśmy na wąż, popłynie mniej wody.

Co to jest dioda bocznikująca

Pojedynczy panel fotowoltaiczny składa się z 60 lub 72 ogniw fotowoltaicznych. Prąd płynie przez szeregowo połączone ogniwa.

optymalizator mocy - diody bocznikujące
Panel fotowoltaiczny half cut z trzema diodami bocznikującymi

Prąd wpływający do modułu solarnego, musi przejść przez każde ogniwo, zanim dotrze do drugiego końca modułu. A zatem, nawet jeśli tylko jedno ogniwo jest zacienione, prąd będzie ograniczony we wszystkich pozostałych ogniwach.

Aby zmniejszyć wpływ zacienienia, panele fotowoltaiczne posiadają diody bocznikujące (diody bocznikujące, zwane również bypasowymi – ich główne zadanie to ochrona przed hot-spotami). Gdy ogniwa fotowoltaiczne są zablokowane przez cień, prąd zamiast przez te zacienione ogniwa, popłynie przez diodę, omijając ogniwa. Bez diody bocznikującej, prąd mógłby przestać płynąć przez zacienione ogniwo i produkcja prądu z modułu spadłaby do zera.

Trzy diody bocznikujące pozwalają na wyłączanie sekcji 1/3 modułu, zamiast całego modułu. Prąd popłynie przez diodę, natomiast napięcie modułu oraz jego moc ulegną zmniejszeniu o 1/3. Natężenie przepływu prądu pozostanie na tym samym poziomie, dzięki czemu pozostałe panele w szeregu (stringu) nie zmniejszą swojej produkcji.

Problem może się pojawić, gdy cień jest zbyt mały, aby aktywować diodę bocznikującą. W takiej sytuacji, zmniejsza się moc modułu. Spadek natężenia przepływu prądu w zacienionym panelu powoduje spadek przepływu prądu również w pozostałych panelach.

optymalizator mocy zacieniony panel
Prąd w zacienionym module płynie przez diody bocznikujące

A zatem, diody bocznikujące pomagają w ograniczonym zakresie. Czas od pojawienia się cienia na module, do załączenia się diody bocznikującej, jest czasem, w którym przewagę uzyskują systemy z optymalizatorami. Gdy dioda się załączy, nie ma znaczenia, czy pod modułem znajduje się optymalizator mocy, czy nie.

Dodatkowo, nowoczesne falowniki wyszukują punkt mocy maksymalnej łańcucha paneli, powodując załączenie diody bocznikującej. Dzięki temu ograniczone zostają straty wywołane cieniem.

Zalety optymalizatorów mocy

W internecie można znaleźć gorące dyskusje na temat zalet i wad systemów wyposażonych w optymalizatory mocy. Poniżej zalety optymalizatorów mocy.

Monitoring na poziomie modułu

Optymalizatory mocy pozwalają na monitoring pracy poszczególnych modułów fotowoltaicznych. Dzięki temu można zobaczyć nie tylko, ile produkują poszczególne moduły. Można również wykryć uszkodzoną diodę bocznikującą. Oprócz tego, optymalizator mocy wyeliminuje wpływ uszkodzonej diody na pozostałe panele solarne.

optymalizatory mocy monitoring
Monitoring pracy poszczególnych paneli fotowoltaicznych

Uszkodzenie diody bocznikującej może być poważnym problemem, ponieważ może doprowadzić do powstania tzw. hot-spotu, a w konsekwencji nawet do powstania ognia. Dlatego większość producentów paneli fotowoltaicznych wyłącza działanie gwarancji, gdy moduły są zamontowane w miejscach zacienionych.

Łatwa rozbudowa systemu fotowoltaicznego

Dodając po jakimś czasie więcej modułów do instalacji fotowoltaicznej, nie trzeba się przejmować parametrami nowych modułów, ponieważ optymalizator mocy dopasuje ich parametry pracy do pozostałych modułów w łańcuchu. Aby jednak można było rozbudować instalację o kolejne panele, falownik musi posiadać rezerwę mocy, podobnie jak w klasycznych rozwiązaniach.

Możliwość zmniejszenia napięcia na panelach do poziomu bezpiecznego

Systemy w pełni wyposażone w optymalizatory mocy, pozwalają na obniżenie napięcia na modułach fotowoltaicznych nawet do 0 woltów (w zależności od producenta). Warunkiem jest jednak wyposażenie wszystkich modułów solarnych w optymalizatory. Stosując optymalizację selektywnie, na wybranych panelach, system zachowuje się podobnie jak klasyczne instalacje i nie ma możliwości redukcji napięcia.

Większa produkcja prądu z częściowo zacienionych paneli fotowoltaicznych

Jak opisaliśmy w tekście powyżej, do momentu załączenia diody bocznikującej, systemy z optymalizatorami generują na ogół większą moc z łańcucha modułów solarnych. Jeżeli cień występuje na większej ilości paneli, to montaż optymalizatorów mocy pod tymi modułami umożliwi uzyskanie większej produkcji prądu.

Wady optymalizatorów mocy

Optymalizatory mocy posiadają również kilka wad.

Optymalizator mocy potrzebuje energii do pracy własnej

Optymalizatory mocy, jak każde urządzenie elektroniczne potrzebują energii do pracy. Na ogół, energia ta jest pobierana przez cały czas, niezależnie od tego, czy moduł jest zacieniony, czy nie.

Producenci twierdzą, iż sprawność optymalizatora wynosi 99%, ale zwykle nie wspominają, iż jest to sprawność maksymalna. Średnia sprawność może wynosić 96% – 97%, jak wynika z badań przeprowadzonych na Uniwersytecie w Winterthur w Szwajcarii.

Każde dodatkowe urządzenie to ryzyko usterki

Czym więcej urządzeń, tym większe szanse na wystąpienie awarii. Z badań przeprowadzonych na Uniwersytecie w Bern w Szwajcarii, wynika że, w systemach z optymalizatorami mocy dochodzi do usterki dwukrotnie częściej niż w systemach bez optymalizacji.

Wymiana uszkodzonego optymalizatora może być kosztowna. Producenci optymalizatorów wypłacają instalatorom zryczałtowaną stawkę, za wymianę optymalizatora mocy, ale często nie pokrywa ona kosztów serwisu, dlatego, należy się spodziewać, iż po upływie okresu gwarancyjnego, taka usterka może być dodatkowo płatna (pomimo, iż sam optymalizator może mieć bardzo długą gwarancję).

Czy optymalizatory mocy zwiększają bezpieczeństwo instalacji PV?

Zgodnie z zaleceniami stowarzyszenia Polska PV, należy ograniczać liczbę połączeń, szczególnie w obwodach prądu stałego. Z badań dotyczących powstawania pożarów w instalacjach fotowoltaicznych wynika, iż główna przyczyna to złączki. Optymalizatory mocy wymagają dużej ilości dodatkowych łączeń, więc należy je wykonać poprawnie – należy zawsze stosować szybkozłącza tego samego producenta.

Zatem, im mniej połączeń, tym mniejsze ryzyko pożaru.

Wyniki testów systemów z optymalizacją mocy paneli PV

Poniżej wyniki testów porównujących wydajność instalacji fotowoltaicznych z optymalizatorami (ew. mikrofalownikami – oba systemy działają na zbliżonych zasadach) oraz z klasycznymi falownikami łańcuchowymi.

Badania przeprowadzone na Uniwersytecie Południowej Danii wykazały, iż klasyczne falowniki mogą wytwarzać więcej prądu niż instalacje z optymalizatorami, nie tylko przy bezchmurnym niebie, ale również podczas zachmurzenia.

Pewna australijska firma instalacyjna – NRG Solar – porównała produkcję prądu z instalacji PV zbudowanych na mikroinwerterach Enphase oraz falowniku Fronius. Mikroinwertery, podobnie jak optymalizatory mocy mają za zadanie uniezależnić od siebie pracę poszczególnych modułów.

optymalizatory mocy niedopasowanie paneli
Porównanie wydajności pracy systemów PV z Froniusem oraz Enphase

Różnica w produkcji prądu wyniosła od 1,26% przy bezchmurnym niebie do 4,53 % przy zachmurzonym niebie, na korzyść mikroinwerterów. W dalszej części testu, aby zasymulować pracę modułów o różnych parametrach (np. rozbudowa instalacji fotowoltaicznej po latach), uszkodzono jeden z nich za pomocą kija do krykieta, (uszkodzony panel pracuje mniej wydajnie). Okazało się, że rezultaty, nie dość, że porównywalne, to nieznacznie na korzyść Froniusa.

Tak nieznaczne różnice pomiędzy systemami klasycznymi a wyposażonymi w optymalizatory (lub w mikroinwertery), wynikają przede wszystkim z pracy diod bocznikujących (co z kolei wymaga dobrej jakości modułów, aby dioda się nie uszkodziła w wyniku jej częstego załączania). Dodatkowo, producenci falowników łańcuchowych, w ostatnich latach znacznie poprawili skuteczność algorytmów wyszukiwania punktu pracy maksymalnej. Przykładem może być Fronius Dynamic Peak Manager, czy stosowany przez SMA algorytm pod nazwą ShadeFix.

Jaki optymalizator wybrać?

Przez wiele lat jedynym producentem systemów z optymalizatorami mocy był Solar Edge. W ostatnich latach pojawiło się jednak dwóch nowych producentów: Huawei oraz Tigo.

optymalizator mocy Huawei

Optymalizatory Tigo współpracują z każdym inwerterem, podczas gdy optymalizatory Solar Edge można montować jedynie z inwerterami Solar Edge. Optymalizatory Huawei, pracują jedynie z falownikiem Huawei.

optymalizator mocy Tigo

W przypadku Solar Edge, wszystkie moduły muszą być wyposażone w optymalizatory, bez względu na to, czy są zacieniane, czy nie. Konkurencja natomiast pozwala na montaż selektywny. Więc, jeżeli tylko jeden moduł jest zacieniany przez komin, wystarczy zamontować tylko jeden optymalizator Tigo lub Huawei. W ten sposób można zaoszczędzić sporo pieniędzy.

optymalizator mocy SolarEdge

Oprócz tego, producenci optymalizatorów mocy konkurują również z producentami mikrofalowników, m. in. Enphase, czy Hoymiles.

Czy w ogóle potrzebujesz optymalizatorów mocy?

Optymalizatory mocy posiada zarówno zalety, jak i wady. System z pełną optymalizacją można zamontować nawet na prostym dachu, na którym nie ma w ogóle cienia. Z wcześniej przytoczonych badań wynika, że w takiej sytuacji korzyści ze zwiększonej produkcji są minimalne, a czasami nawet ich brak, natomiast koszt instalacji z optymalizatorami jest na ogół sporo większy niż bez optymalizatorów. Rozważając wybór, warto wziąć pod uwagę poniższe punkty:

  • jeżeli posiadasz prosty dach z jedną (lub dwiema) połaciami bez cienia lub z niewielkim zacienieniem – raczej nie potrzebujesz optymalizacji;
  • jeśli dach jest skomplikowany, z dużą ilością obiektów rzucających cień (drzewo, komin, wentylacja, itp.), wówczas optymalizatory mogą być dobrym pomysłem,
  • jeśli zacienieniu ulega niewielka ilość modułów, wówczas wyposażenie jedynie tych zacienianych paneli w optymalizatory, może być ekonomicznym rozwiązaniem,
  • wszystkie poprawnie zamontowane systemy fotowoltaiczne są bezpieczne. Jednak optymalizatory mocy wyłączają panele fotowoltaiczne w przypadku awarii, zwiększając bezpieczeństwo akcji gaśniczej. Z drugiej strony wymagają dużo większej liczby złączek, co z kolei może zwiększać ryzyko powstania ognia, jeżeli montaż będzie niezgodny z wytycznymi.

Podsumowanie

  • Optymalizatory mocy śledzą pracę optymalizowanego modułu solarnego i dopasowują jego parametry pracy do pozostałych modułów;
  • Dzięki temu są szczególnie przydatne na dachach o wielu płaszczyznach;
  • Optymalizatory pozwalają na monitoring pracy optymalizowanych paneli fotowoltaicznych.


Może Cię zainteresować