Na początku wyjaśnimy podstawy: dlaczego należy przewymiarować instalację fotowoltaiczną względem mocy nominalnej falownika, a następnie zdefiniujemy, jaki jest dopuszczalny stopień takiego przewymiarowania. Dlaczego w ogóle można zastosować mniejszy falownik do większej mocy modułów – o tym mowa poniżej.
Dobieramy moduły do falownika czy falownik do modułów?
Często można spotkać się z odmiennymi opiniami na temat relacji mocy modułów do mocy nominalnej falowników. Aby przeanalizować możliwe zależności między tymi dwoma wartościami, wprowadźmy definicję stosunku mocy modułów do mocy falownika (SM). Wzór na obliczenie tego współczynnika można zapisać:
Możliwe są tu trzy warianty:
- SM < 100%, falownik niedociążony – moc nominalna modułów jest mniejsza niż moc nominalna falownika,
- SM = 100%, falownik obciążony mocą nominalną,
- SM > 100%, falownik przeciążony po stronie DC – moc nominalna modułów jest większa niż moc nominalna falownika.
Dla szerokości geograficznej Polski i Europy Centralnej przyjmuje się, że wartość SM dla instalacji skierowanych na południe powinna znajdować się w przedziale pomiędzy 80 a 125%. W przypadku instalacji wschód–zachód zakres SM może być większy, nawet do 160%, i silnie zależy od nachylenia dachu. Optymalną wartość oblicza się w zależności od specyficznych danych konkretnej instalacji PV: lokalizacji, rodzaju i orientacji modułów fotowoltaicznych oraz sposobu ich połączenia z falownikiem. Najlepszym sposobem na ustalenie właściwej wartości SM jest użycie specjalizowanego oprogramowania wspomagającego proces projektowania, takiego jak PV*SOL lub BlueSol.
Dlaczego jednak zalecaną przez projektantów wartością SM jest wariant >100%, tj. gdy moc modułów jest np. o 25% większa od mocy nominalnej falownika? Takie podejście na pierwszy rzut oka kłóci się z zasadą, w której układy przetwarzające energię z generatorów projektuje się powyżej ich mocy nominalnej… czyli wypadałoby mieć SM < 100%?
Instalacje fotowoltaiczne projektuje się zupełnie inaczej. W szerokości geograficznej Polski liczba słonecznych godzin to ok. 1600, z czego zaledwie 15% to godziny o pełnym nasłonecznieniu. Dodatkowo, przy natężeniu promieniowania równym 1000 W/m² moduły PV nagrzewają się znacznie ponad temperaturę 25 °C (określoną w standardowych warunkach badania – STC), a przez to ich moc znacznie się obniża: nawet o 15–20% względem mocy nominalnej. A zatem, z jednej strony, moduły wytwarzają energię z mocą nominalną zaledwie przez kilkanaście, kilkadziesiąt godzin w roku, natomiast w pozostałych okresach osiągana przez nie moc jest znacznie niższa. To jeden z powodów, dla których warto zastosować mniejszy falownik (SM > 100%).
Z drugiej strony, jeśli zastosujemy falownik mniejszy niż moc modułów (SM < 100%), będzie on permanentnie niedociążony. Ponieważ wyższe sprawności działania uzyskujemy przy obciążeniu powyżej 10% mocy nominalnej (rys. 1), będzie to powodować dodatkowe straty. Jeśli jednak ktoś zastanawia się nad zakupem większego falownika, myśląc o rozbudowie swojej instalacji w przyszłości, nie powinien się tymi stratami zbytnio martwić: przy SM = 80% wyniosą one zaledwie około 0,3%.
Załóżmy, że mamy moduły i falownik dobrane ze stosunkiem mocy SM = 98%. Przykładowo, weźmy 20 modułów o mocy 300 Wp, co daje 6 kWp, oraz falownik o mocy nominalnej 6 kW i sprawności przetwarzania DC/AC równej 98%. Jeżeli pojawią się warunki STC (1000 W/m², AM = 1,5 oraz temperatura ogniw 25 °C), falownik całą moc modułów przekaże na stronę AC. Taką sytuację przedstawiono na rys. 2.
Co się jednak stanie, gdy moc modułów będzie większa niż moc nominalna falownika, a warunki pogodowe będą sprzyjać generacji energii? Czy falownik się nie uszkodzi, jeśli pojawią się warunki STC? Falownik nie będzie przetwarzał więcej energii, niż wynosi jego moc maksymalna, a jej nadmiar nie będzie odbierany z modułów: nastąpi ograniczenie mocy wyjściowej. Przykładowo, jeżeli zamiast falownika 6,0 kW zastosujemy falownik o mocy nominalnej 5 kW, stosunek mocy wyniesie wówczas: (6,0 kWp / 5,0 kW) • 98% = ~118%, czyli zgodnie z zaleceniami dla obszaru geograficznego Polski. W takiej sytuacji falownik obetnie nadwyżkę mocy ze strony DC i przekaże do sieci maksymalnie 5,0 kW. Oczywiście, tę nieodebraną z modułów energię należy potraktować jako stratę. Jeżeli spojrzymy na jej obszar – zakreskowany na rys. 3 – w ujęciu dziennym mogą to być wartości na poziomie 4–5% całodziennego uzysku.
Jak wspomniano powyżej, warunki STC zdarzają się niezwykle rzadko. Dlatego producenci podają również w swoich kartach parametry modułu w tzw. warunkach NOCT (ang. Nominal Operating Cell Temperature). Są one bardziej zbliżone do uśrednionych warunków pogodowych: natężenie promieniowania 800 W/m², temperatura otoczenia 20 °C, prędkość wiatru (czynnik chłodzący) 1,5 m/s. Moc modułów w takich warunkach może być nawet o 30% mniejsza niż ich moc nominalna. Wówczas mniejszy falownik jest po prostu lepiej wykorzystany (rys. 4).
Czy można zatem przewymiarować falownik jeszcze bardziej? Czy można zastosować SM = 150% lub nawet 200%? Można, ale nie w każdej sytuacji. Jeśli zrobilibyśmy tak duże przewymiarowanie w przypadku instalacji skierowanej na południe, straty energii będą pojawiać się praktycznie każdego słonecznego dnia (rys. 5) i mogą one sięgnąć nawet 15% w ujęciu rocznym. Ale już w przypadku instalacji wschód–zachód taki stopień przewymiarowania może być korzystny.
Zaciekawionym polecamy materiał:
„Uzyski energii dla różnych układów modułów i konfiguracji falowników”. Zobacz
Więcej w numerze 3/2019 Magazynu Fotowoltaika. Zaprenumeruj
