Czy można skierować moduły PV na południe, wschód i zachód?

To pytanie dotyczące konfiguracji połączeń modułów fotowoltaicznych pojawia się m.in. na portalach społecznościowych: “czy możemy zainstalować moduły fotowoltaiczne bez optymalizatorów ustawione w trzech różnych kierunkach?”. Dziewięć na dziesięć razy odpowiedź jest błędna.

Aby wyjaśnić prawidłową odpowiedź, zaczniemy do podstaw ze wzorem na moc. Następnie wyjaśnimy, w jaki sposób projektujemy systemy modułów fotowoltaicznych zarówno w połączeniu szeregowym, jak i równoległym. Pokażemy, jak przy standardowym falowniku możemy zainstalować moduły fotowoltaiczne w więcej niż dwóch kierunkach. Na koniec rozważymy kilka rzeczy, których powinniśmy unikać, łącząc łańcuchy skierowane na wschód i zachód oraz czy w takich sytuacjach są dostępne bardziej wydajne opcje.

LEKCJA #1: MOC = NAPIĘCIE × PRĄD.

Waty, wolty, ampery, moc, prąd. Być może znasz wszystkie te terminy, ale możesz mieć wątpliwości, w jaki sposób odnoszą się do siebie nawzajem. Zamierzam wyjaśnić te znaczenia za pomocą analogii do wodociągów (sposób, w jaki to wyjaśniam, jest uproszczony – nie jest to idealna analogia.)

• Prąd jest podobny do rozmiaru wodociągu. Im większa rura, tym więcej wody może płynąć.   Prąd (I) mierzymy w amperach [A].
• Napięcie (U) jest podobne do ciśnienia wody w rurze. W Polsce to “ciśnienie” na energię elektryczną wynosi 230 woltów [V].
• Moc (P) jest iloczynem tych dwóch wartości. Wąż pożarniczy ma dużą moc, ponieważ jest to duży przekrój, w którym woda przepływa pod wysokim ciśnieniem. Moc mierzymy moc w watach [W].

Istnieją trzy sposoby na zapisanie tej formuły; wszystkie oznaczają to samo:

Możesz użyć tej podstawowej formuły w odniesieniu do urządzeń gospodarstwa domowego.

Czajnik 2000 W podłączany jest do zasilania o napięciu 230V. Ile prądu popłynie?

2000W / 230V  = 8,7A

Podobnie można użyć tego wzoru przy projektowaniu instalacji fotowoltaicznej:

Pojedynczy moduł fotowoltaiczny daje napięcie 30 V i prąd 9 amperów. Jaką wytwarza moc?

30V × 9A = 270W

LEKCJA #2: NAPIĘCIE DODAJE SIĘ W ŁAŃCUCHU

Kiedy projektujemy system modułów fotowoltaicznych na dachu, zazwyczaj łączymy je w “łańcuchy”. Łańcuch to grupa (zwykle od 5 do 23) modułów połączonych szeregowo.

Na powyższym schemacie mamy dziesięć modułów fotowoltaicznych połączonych szeregowo. Jeden moduł (przy dobrym nasłonecznieniu) wytwarza 9 amperów i 30 woltów. Jak wspomniano wcześniej, jeden moduł fotowoltaiczny będzie wytwarzał: 30 V x 9 A = 270 W.

Kiedy połączymy dziesięć modułów fotowoltaicznych, mamy napięcie 300V (napięcia się sumują), ale wciąż tylko 9 amperów.

300V x 9A = 2700 W

Zwróć uwagę, że napięcie jest dodawane szeregowo, natomiast prąd pozostaje taki sam.

UWAGA: w jednym łańcuchu możemy łączyć szeregowe wyłącznie identyczne moduły. Identyczne, tzn.:

• * tego samego producenta
• * tego samego typu
• * tej samej mocy

ale również identycznie ustawione, tj.:

• * skierowane pod tym samym azymutem
• * nachylone pod tym samym kątem

Kąt nachylenia i/lub azymut modułów w jednym łancuchu nie może się rówżnić o więcej niż ±5°!

LEKCJA #3: PRĄD SIĘ SUMUJE W POŁĄCZENIU RÓWNOLEGŁYM

Kiedy łączymy  równolegle  dwa łańcuchy, zamiast dodawać napięcia, sumujemy razem prądy. Zatem mamy 300 woltów i 18 amperów.

300V x 18A = 5400 W

Tym razem prąd jest dodawany równolegle, napięcie pozostaje takie samo.

UWAGA: równolegle możemy łączyć łańcuchy pod warunkiem, że ich napięcia nie różnią się od siebie więcej niż o 5%. Dlatego ilość modułów w łączonych równolegle łańcuchach w zasadzie powinna być identyczna. Nie jest poprawne połączenie dwóch łańcuchów składających się np. z 7 i 8 modułów.

LEKCJA #4: PROJEKTOWANIE MODUŁÓW FOTOWOLTAICZNYCH NA PROSTYM DACHU

Teraz zaprojektujmy równoległy ciąg po 7 modułów fotowoltaicznych i pojedynczy ciąg 8 modułów na dachu. Aby praca była prosta, najpierw wybierzmy duży dom z dachem pozytywnie nastawionym do promieniowania słonecznego 🙂

Większość falowników Fronius posiada dwa osobne wejścia, zwane modułami śledzenia punktów mocy maksymalnej lub MPPT (ang. Maximum Power Point Tracking). Ponieważ kąt padania i intensywność promieni słońca zmienia się w ciągu dnia, MPPT ciągle “śledzi” i dostosowuje napięcie i prąd łańcucha modułów tak, aby znaleźć “punkt”, w którym osiągnie on “maksymalną moc”.

Zauważ, jak każdy z łańcuchów modułów fotowoltaicznych jest ustawiony. Mamy jeden ciąg ośmiu modułów skierowanych na południe, oraz dwa ciągi po siedem modułów skierowane na wschód. Każde z nich połączone są z własnym „trackerem”, czyli wejściem MPPT.

Ale wróćmy do rzeczywistości. Nie każdy dach jest tak przyjazny dla modułów fotowoltaicznych. Spójrzmy, co się stanie, jeśli twój dach jest bardziej skomplikowany.

LEKCJA #5: ŁAŃCUCH MODUŁÓW FOTOWOLTAICZNYCH MUSI BYĆ USTAWIONY W TĘ SAMĄ STRONĘ

Moduły fotowoltaiczne, które są połączone elektrycznie w tym samym łańcuchu, muszą mieć tę samą orientację w zakresie ± 5° (azymut i kąt nachylenia).

Istnieje ku temu dobry powód. Prąd przepływający przez szereg modułów fotowoltaicznych jest ograniczony do najsłabszego modułu, tak jak woda płynąca w wężu jest ograniczona przez załamanie węża.

Powyższy przykład pokazuje ciąg dziesięciu modułów, pięć modułów zwróconych na wschód i pięć skierowanych na zachód. Rano wschodnie moduły zostaną „stłumione” przez te zachodnie. W godzinach popołudniowych: zachodnie moduły zostaną ograniczone przez te skierowane na wschód.

LEKCJA #6:  MIT = “RÓWNOLEGŁE ŁAŃCUCHY MUSZĄ BYĆ SKIEROWANE W TĘ SAMĄ STRONĘ”

Oto, gdzie wielu entuzjastów fotowoltaiki i sprzedawców takich systemów wskazuje niepoprawne rozwiązania. Wiedzą, że wszystkie moduły w łańcuchu  muszą być ustawione w tym samym kierunku, ale potem zakładają, że także wszystkie moduły połączone z jednym MPPT muszą być skierowane w tym samym kierunku.

Jeśli zastosujemy dotychczasową wiedzę, wydaje się to mieć sens. Nie ustawiamy modułów w jednym łańcuchu w różnych orientacjach, ponieważ moduły, które dają niższy prąd, działają jak “załamanie w wężu”.

Pomysł polega więc na tym, że możemy projektować równoległe łańcuchy modułów tak, aby sprostać różnym orientacjom, ponieważ łańcuch modułów pracujący przy niższym prądzie nie będzie wpływał na łańcuch modułów pracujący przy wyższym prądzie.

A jak się okazuje, napięcia na obu łańcuchach różnią się od siebie nieznacznie!

PROJEKT INSTALACJI WSCHÓD-ZACHÓD NA 1 MPPT

Możesz wiedzieć wystarczająco dużo o swojej domowej energii elektrycznej, która działa na napięciu 230 woltów. Liczba ta jest względnie stała, w rzeczywistości może się wahać od 184 woltów do 253 woltów. Ale kiedy zużywasz więcej energii w domu, to nie dlatego, że napięcie się zmienia – to zmienia się prąd.

Teraz wracam do modułów fotowoltaicznych. Gdy falownik po raz pierwszy włącza się rano, każdy moduł fotowoltaiczny działa z napięciem około 30 woltów i 0,1 ampera. Gdy słońce wzejdzie, prąd zwiększy się do 2 amperów, a następnie do 3 amperów i osiągnie maksimum około dziewięciu amperów w pełnym słońcu. Napięcie pozostaje jednak prawie takie samo: około 30 woltów.

Poniżej znajdują się dane monitorowania systemu wschód-zachód, który nasz zaprzyjaźniony instalator zainstalował w zeszłym roku. Ponieważ nie musiał łączyć łańcuchów równolegle, mamy dane napięciowe z części wschodniej i zachodniej, działające na oddzielnych MPPT.

Niebieska linia pokazuje moc zwiększoną w godzinach porannych. Dla uproszczenia nie wyświetlałem wykresu prądu na tym obrazie, ponieważ pokrywa się on z niebieską krzywą mocy. Podczas gdy dwa napięcia DC nie są idealnie dopasowane, pozostają one podobne – zwykle w granicach +/-5 procent (±5%) od wartości 350 woltów. Jeśli ten system fotowoltaiczny byłby wyposażony w dwa łańcuchy podłączone tylko do jednego MPPT, to MPPT dostosowałoby napięcie do punktu, który pozwoliłby uzyskać największą moc z obu łańcuchów.

Zauważ, że był punkt rano, kiedy purpurowa linia opadła. To są zachodnie moduły, które produkowały bardzo mało mocy. Gdyby zarówno moduł wschodni, jak i zachodni był na 1 MPPT, napięcie pozostałoby wysokie, a straty na zachodniej stronie nadal byłyby minimalne.

NO DOBRZE, ALE ILE WYDAJNOŚCI SIĘ TRACI?

W 2012 r powstało studium przypadku autorstwa Fronius International, które wykazało, że instalacja modułów wschód-zachód przyłączona do 1 MPPT spowodowała straty mniejsze niż 1 procent (<1%) w porównaniu do użycia dwóch falowników i/lub 2 wejść MPPT. To studium przypadku jest nieco przestarzałe, ponieważ zastosowane falowniki były mniej wydajne niż dostępne obecnie. Rzeczywista wartość utraty wydajności będzie zależeć od kilku czynników:

• * Różnica orientacji łańcuchów tylko o 90 stopni od siebie spowoduje mniejszą zmienność napięcia i mniejsze straty.
• * Posadowienie modułów fotowoltaicznych na bardziej płaskich dachach spowoduje mniejsze straty.
• * Instalacja jednego pola modułów w cieniu spowoduje znacznie więcej strat na drugiej połaci i dlatego należy jej unikać.
• * Pracy w optymalnych miejscach krzywych wydajności przy optymalnych wartościach napięcia dla danego falownika.

Niemniej jednak, w odpowiedniej sytuacji, rozdzielenie modułów na wschód i zachód i podłączenie ich do 1 MPPT może być opłacalnym sposobem na zainstalowanie większego systemu na dachu.

DACHY SKOMPLIKOWANE I ZACIENIONE

Jeśli kształt Twojego dach jest skomplikowany (>10 połaci), lub jeśli wzrost kosztów nie jest problemem, można zastanowić się nad MLPE (przetwornice mocy na poziomie modułów, ang. Module Level Power Electronics). MLPE pozwala każdemu modułowi działać niezależnie od siebie, niezależnie od ustawienia czy zacienienia. Oto dostępne opcje:

• + optymalizatory firmy TIGO
• + moduły PV zawierające optymalizatory w technologii Maxim Integrated
• – zamknięte rozwiązania wymagające zastosowania optymalizatorów i falowników tej samej firmy

Więcej na ten temat mogą przeczytać Państwo na naszym blogu: https://www.forum-fronius.pl/tag/optymalizatory/.

Aby dać Państwu rozeznanie, zoptymalizowane rozwiązanie o mocy 6,6 kWp może kosztować około 1000 EUR więcej niż standardowy niezoptymalizowany system na Fronius’ie.

WNIOSEK

Podczas projektowania instalacji fotowoltaicznej (bez optymalizacji) połączenie szeregowe modułów w dwóch różnych orientacjach spowoduje znaczną utratę mocy. Jednak połączenie dwóch równoległych łańcuchów modułów o różnych orientacjach wpłynie tylko nieznacznie na wypadkowe napięcie, więc utrata mocy będzie często minimalna. W rezultacie konstrukcja instalacji fotowoltaicznej w 3 różnych orientacjach z falownikiem o podwójnym MPPT spowoduje minimalne utratę mocy, a co za tym idzie: uzysków. Uwzględniając takie czynniki, jak zacienienia oraz różne nachylenia i orientacje modułów, w niektórych sytuacjach można rozważyć zastosowanie optymalizatorów.

CO DALEJ?

Mając na względzie powyższe zalecenia, poprawne pod względem elektrycznym konfiguracje połączenia modułów do falownika Fronius można zawsze sprawdzić przy użyciu bezpłatnego narzędzia Solar.Configurator 4.0. Polecamy również WEBINARIUM #07: SOLAR.CONFIGURATOR 4.0

---

Tekst zainspirowany wpisem na blogu australijskiej firmy instalacyjnej MC Electrical prowadzonym przez Marka Cavanagh. Gorąco go polecamy, chociaż blog jest prowadzony w języku angielskim. Zwracamy także uwagę, że ze względu na lokalizację, autor zaleca, aby moduły były ustawione w kierunku północnym 🙂