Do czego służy inwerter

Do czego służy inwerter?

Fotowoltaika cieszy się rosnącym zainteresowaniem Polaków. Wizja produkcji własnego prądu z odnawialnych źródeł przy możliwości uzyskania dofinansowania ze strony państwa i stale rosnących opłatach za energię jest bardzo kusząca. Położenie paneli słonecznych na najkorzystniej nasłonecznionej połaci dachu to jeszcze nie wszystko. O efektywności działania instalacji decyduje dobrze dobrany falownik, czyli inwerter.

Jak działają panele słoneczne?

Panele słoneczne składają się z ogniw fotowoltaicznych. Każde ogniwo jest zbudowane z materiału półprzewodnikowego. Najczęściej jest to polikrystaliczny lub monokrystaliczny krzem. Fotony padające na ogniwo wywołują efekt fotowoltaiczny znany już od XIX w. Pod wpływem energii fotonów w materiale półprzewodnikowym o różnych cechach przewodnictwa dochodzi do przemieszczania się ujemnie naładowanych elektronów w jedną stronę, a dziur elektronowych (które zachowują się jak nośnik ładunku dodatniego) w drugą. Dzięki temu dochodzi do powstania różnicy potencjału elektrostatycznego, czyli napięcia. Pojedyncze ogniwo krzemowe jest w stanie wytworzyć napięcie około 0,5 V. W połączonych szeregowo ogniwach panelu fotowoltaicznego napięcie to ulega sumowaniu i powstaje prąd stały. Można go gromadzić w akumulatorach albo zamienić w prąd przemienny stosowany w sieci energetycznej.

Co to jest inwerter i jak działa?

Możliwości wykorzystania prądu stałego (z j.ang. direct current, DC) są stosunkowo ograniczone. Do zamiany wytworzonego w panelach słonecznych prądu stałego w prąd przemienny (z j. ang. alternating current, AC) potrzebne jest dodatkowe urządzenie. Jest nim falownik albo inaczej inwerter (z j. ang.), czyli przemiennik częstotliwości. Główną częścią falownika jest układ mostkowy tranzystorowy, w którym zachodzi przemiana prądy stałego w prąd przemienny o określonych parametrach napięcia i częstotliwości. Układ wyjściowy inwertera zapewnia dopływ prądu o stabilnych parametrach oraz chroni kable instalacji domowej i podłączone urządzenia przed nieprzewidzianymi skokami natężenia prądu. Układ wejściowy wyposażony jest z kolei w system zabezpieczenia przed przepięciami, rozłącznik oraz układ MPPT, który pozwala wykorzystać od 20% do 30% energii więcej niż w przypadku starszych wersji falowników pozbawionych tego układu. Falownik nagrzewa się podczas pracy i wymaga chłodzenia przez naturalny przepływ powietrza lub przy pomocy wbudowanego wentylatora. Odpowiednie chłodzenie wydłuża żywotność urządzenia. Inwerter może być zamontowany wewnątrz budynku lub na zewnątrz bezpośrednio przy modułach fotowoltaicznych, lub na zewnętrznej ścianie budynku. Falowniki takie są zabezpieczone przed działaniem czynników atmosferycznych i przystosowane do pracy w szerszym zakresie temperatur. Ich umiejscowienie na zewnątrz budynku redukuje długość kabli oraz ułatwia konserwację instalacji.

Co to jest układ MPPT?

Podstawową zasadą projektowania i montowania instalacji fotowoltaicznej jest unifikacja wszystkich paneli wchodzących w skład instalacji. Optymalnym rozwiązaniem byłoby, gdyby panele miały nie tylko identyczne parametry techniczne, ale także były identycznie zlokalizowane i ustawione względem słońca i kierunków geograficznych. W ciągu dnia zmienia się nasłonecznienie paneli słonecznych, od których zależy wielkość wytwarzanego napięcia oraz temperatura, która negatywnie wpływa na rezystancję, czyli opór elektryczny ogniw. Zależność między tymi czynnikami sprawia, że nieustannie zmienia się charakterystyka prądowo-napięciowa paneli pozwalająca wykorzystać maksymalną moc. Układ śledzenia maksymalnego punktu mocy paneli (z j. ang. Maximum Power Point Tracker, MPPT), analizuje te parametry i aktualizuje pracę całego systemu tak, by uzyskać maksymalny przepływ mocy z instalacji do odbiornika. Pozwala to zwiększyć efektywność pracy fotowoltaiki nawet w przypadku ułożenia paneli na dachu o skomplikowanej budowie i mniej korzystnej ekspozycji. Nowoczesne falowniki mogą być wyposażone w więcej niż jeden układ MPPT, dzięki czemu każdy z nich można połączyć z częściami instalacji, które z różnych względów różnią się nasłonecznieniem lub zostały zamontowane na połaciach dachu o innym nachyleniu i mniej korzystnej ekspozycji.

Rodzaje inwerterów

Wśród falowników możemy wyróżnić inwertery wyspowe, sieciowe i hybrydowe. Falowniki wyspowe działają niezależnie od sieci energetycznej i mogą służyć do ładowania akumulatorów. Inwertery sieciowe pozwalają na połączenie i synchronizację z lokalną siecią elektroenergetyczną i przepływ prądu przemiennego w obu kierunkach. Falowniki hybrydowe są połączeniem cech falowników wyspowych i sieciowych. Inwertery sieciowe możemy z kolei podzielić na urządzenia jednofazowe i trójfazowe. Falownik jednofazowy zapewnia uzyskanie prądu przemiennego o napięciu 230 V, czyli identycznego z tym jaki występuje w gniazdkach w naszych domach. Falowniki trójfazowe pozwalają uzyskać prąd o napięciu 400 V, czyli tzw. siłę. Prąd o takim napięciu jest konieczny do zasilania niektórych urządzeń takich jak kotły centralnego ogrzewania, piece akumulacyjne, przepływowe podgrzewacze wody, obrabiarki, betoniarki czy niektóre maszyny rolnicze. Zastosowanie inwertera jednofazowego uniemożliwi korzystanie z tego typu urządzeń. Falowniki dostosowane do współpracy z modułami cienkowarstwowymi są wyposażone w transformator, który zapewnia izolację galwaniczną między wyjściową a stałym napięciem na wejściu. Do pracy z panelami monokrystalicznymi i polikrystalicznymi produkowane są inwertery bez transformatorów, które są wyposażone w bardziej zaawansowane, ale też bardziej kosztowne, systemy zabezpieczające. Pozwalają one zminimalizować rozmiary i masę falownika oraz poprawić jego wydajność.

Sprawność i moc falowników

Inwertery nie przetwarzają całego prądu stałego DC na prąd przemienny AC. Najnowocześniejsze falowniki osiągają od 96 do 98% sprawności. Maksymalna moc podłączonych urządzeń korzystających w gospodarstwie domowym z wytwarzanego przez instalację prądu przemiennego AC nie może przekroczyć tej wartości. Instalacje fotowoltaiczne projektowane są w taki sposób, żeby nominalna moc falownika była o około 10-25% niższa od mocy modułów fotowoltaicznych dających prąd stały DC na wejściu. Inwerter nie przetworzy jednak więcej prądu, niż pozwala na to jego moc, dlatego ważna jest dokładna korelacja mocy inwertera i paneli fotowoltaicznych. Producenci paneli podają dla swoich wyrobów moc mierzoną w warunkach standardowych (STC, Standard Test Conditions), uzyskiwaną w warunkach laboratoryjnych przy nasłonecznieniu 1000W/m². W polskich warunkach klimatycznych występują one bardzo rzadko. Przez większą część roku panele fotowoltaiczne mogą wykorzystać maksymalnie 80 – 90% swojej mocy. Nie zawsze można uzyskać optymalne nachylenie i idealnie południową ekspozycję paneli, co dodatkowo zmniejsza osiąganą przez nie moc. Większość producentów paneli podaje również ich moc w nominalnych warunkach pracy komórki roboczej (NOCT, Nominal Operating Cell Temperature), czyli przy temperaturze powietrza 20ºC, chłodzącym wietrze wiejącym z prędkością 1,5 m/s i natężeniu promieniowania słonecznego na poziomie 800W/m2. Warunki te bardziej odpowiadają rzeczywistym warunkom występującym w Polsce. Trzeba też wziąć pod uwagę fakt, że panele fotowoltaiczne każdego roku tracą około 0,5% swojej mocy (najwięcej w pierwszym roku). Tymczasem falownik osiąga największą sprawność, gdy wykorzystuje niemal całą swoją moc znamionową. Skuteczność pracy falownika drastycznie spada, gdy jego moc jest wykorzystywana w mniej niż 80%. W zależności od lokalizacji moc falownika powinna być więc o 10-25% niższa od zainstalowanej mocy paneli fotowoltaicznych. W przeciwnym wypadku efektywność działania instalacji fotowoltaicznej może zniwelować spodziewane korzyści ekonomiczne.

Jak właściwie dobrać inwerter?

Ustawa z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii (tekst ujednolicony — Dz.U. 2020 poz. 261) wprowadza możliwość podłączenia domowej instalacji fotowoltaicznej do sieci elektroenergetycznej. Prywatni inwestorzy mogą przekazywać do sieci energetycznej nadwyżkę produkowanego przez siebie prądu i odbierać go w okresie jesienno-zimowym, gdy zapotrzebowanie na prąd wzrasta o ze względu na mniejsze nasłonecznienie i krótki dzień produkcja własna nie zaspokaja potrzeb gospodarstwa domowego. Operator systemu dystrybucji energii elektrycznej pobiera za to prowizję w wysokości 20% wartości dostarczanej do sieci energii. Obowiązkiem dystrybutora jest dostarczenie dwukierunkowego licznika energii oraz prowadzenie ewidencji energii elektrycznej pobranej z sieci i dostarczonej. Zgodnie z wymaganiami operatorów sieci dystrybucyjnych ze względów technicznych instalacje fotowoltaiczne o zainstalowanej mocy powyżej 3,68 kW muszą być wyposażone w falownik trójfazowy. Przy instalacjach o mocy od 3 do 3,68 kW właściciele posesji mogą wybrać, czy chcą zainstalować inwerter jednofazowy, czy trójfazowy. Instalacje o mocy poniżej 3 kW wyposażane są w inwertery jednofazowe, tańsze i łatwiejsze w montażu niż inwertery trójfazowe. Nowe przepisy umożliwiają międzyfazowe rozliczenie z operatorem sieci dystrybucji energii i gospodarstwa domowe, w których zamontowana jest instalacja o mocy poniżej 3,68 kW, nie muszą instalować droższych inwerterów trójfazowych pomimo tego, że korzystają z prądu trójfazowego.

Możliwości dofinansowania instalacji fotowoltaicznej

Potencjalnych inwestorów może zniechęcać wysoki koszt instalacji fotowoltaicznych. Trzeba pamiętać o tym, żeby nie szukać oszczędności, kupując i panele i falowniki gorszej jakości. W ostatnich latach władze państwowe oraz wiele samorządów lokalnych wychodzi naprzeciw proekologicznym postawom prosumenckim. Przez prosumenta rozumiemy osobę lub instytucję, która angażuje się w produkcję dóbr i usług, z których korzysta. Rządowy program „Mój Prąd” pozwala uzyskać nawet 50% zwrotu kosztów kwalifikowanych instalacji fotowoltaicznej, nie więcej jednak niż 5 tys. zł (w praktyce jednak wszyscy beneficjenci uzyskali maksymalne kwoty dofinansowania). Finansowany ze środków Wojewódzkich Funduszy Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej program  „Czyste Powietrze” umożliwiał uzyskanie dofinansowania wydatków dodatkowo na zamontowanie paneli fotowoltaicznych, gdy podstawową inwestycją była powietrzna lub gruntowa pompa ciepła. Preferencyjne kredyty do instalacji fotowoltaicznych z dofinansowaniem przewiduje druga edycja programu „Prosument” przeznaczona dla inwestorów indywidualnych, firm i spółdzielni energetycznych. W zeznaniach rocznych rozliczenia podatku dochodowego za rok 2019 pojawiła się i będzie kontynuowana w kolejnych latach możliwość odliczenia od dochodów wydatków poniesionych na termomodernizację budynków już istniejących. Pod tym pojęciem rozumiane są również wydatki na instalacje fotowoltaiczne. Maksymalna kwota odliczenia wynosi 53 tys. zł i może być rozliczana w ciągu sześciu kolejnych lat przy poziomie dochodów, który jest niższy niż wnioskowana kwota odliczenia. W przypadku, gdy rozliczają się małżonkowie lub współwłaściciele, każdy z nich może odliczyć tę kwotę w pkt. 6 części B załącznika O formularza PIT. Inwestycje fotowoltaiczne, służące walce ze smogiem, są objęte dofinansowaniem przez niektóre samorządy lokalne np. przez gminę Kraków.

Czy to się opłaca?

Okres zwrotu wydatków na zakup i montaż instalacji fotowoltaicznej to zazwyczaj kilka lat, ale od korzyści w postaci zminimalizowanych opłat za energię elektryczną są widoczne od razu. Podczas gdy inni płacą coraz wyższe rachunki za drożejący z roku na rok prąd, właściciele instalacji fotowoltaicznych mają go niemal za darmo. I to przez wiele lat, bo żywotność paneli fotowoltaicznej sięga 25 lat, a nawet więcej. Mniej trwały jest inwerter i w czasie funkcjonowania paneli trzeba go będzie wymienić, ale dobry inwerter to połowa sukcesu. Nadwyżka prądu przekazana do sieci latem jest odbierana zimą z 80-procentową zniżką. Przy zmianie rytmu dnia domowników można jeszcze zwiększyć oszczędności. Wystarczy, by urządzenia pobierające znaczne ilości prądu pracowały głównie wówczas, gdy świeci słońce i instalacja fotowoltaiczna produkuje prąd na potrzeby własne gospodarstwa domowego. Warto pójść z duchem czasu i zdecydować się na własny prąd z ekologicznego źródła.