Przewymiarowanie instalacji względem mocy falowników Fronius

Na początku wyjaśnijmy podstawy: dlaczego należy przewymiarować instalację fotowoltaiczną względem mocy nominalnej falownika, a dalej zdefiniujemy jaki jest dopuszczalny stopień takiego przewymiarowania. Wiadomo, że falowniki rodziny SYMO o zakresie mocy do 8.2kW_AC oferują przewymiarowanie aż o 100%! Świadczy to o ich solidnej i wytrzymałej konstrukcji. Dlaczego jednak wogóle można zastosować mniejszy falownik do większej mocy modułów – wyjaśniamy 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 te przypadki, wprowadźmy definicję stosunku mocy modułów do mocy falownika (SM). Wzór na obliczenie tego współczynnika można zapisać:

Możliwe są tu trzy warianty:

1. SM < 100%, falownik niedociążony – moc nominalna modułów jest mniejsza niż moc nominalna falownika
2. SM = 100%, falownik obciążony mocą nominalną,
3. 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 rozwiązaniem na ustalenie właściwej wartości SM jest użycie specjalizowanego oprogramowania wspomagającego proces projektowania, takiego jak PV*SOL lub BlueSol. Przykładowe wyniki symulacji zamieszczono w artykule “Uzyski energii dla różnych układów modułów i konfiguracji falowników“.

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 ilość słonecznych godzin to ok. 1600, z czego zaledwie 15% to godziny o pełnym nasłonecznieniu. Dodatkowo, przy natężeniu promieniowania równym 1000W/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 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 o mocy większej 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%.

Rys. 1. Wykres sprawności falownika zależny od mocy i napięcia wejściowego. Źródło: Fronius

Jak to działa?

Załóżmy, że mamy moduły i falownik dobrane ze stosunkiem mocy SM = 98%. Przykładowo 20 modułów 300Wp = 6kWp oraz falownik Fronius SYMO 6.0-3-M o mocy nominalnej = 6kW i sprawności przetwarzania DC/AC = 98%. Jeżeli pojawią się warunki STC (1000W/m², AM = 1.5 oraz temperatura ogniw 25°C), falownik całą moc modułów przekaże na stronę AC. Taką sytuację przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2. Produkcja energii z instalacji PV przy SM = ~100%.

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 6.0kW zastosujemy falownik o mocy nominalnej = 5kW, stosunek mocy wyniesie wówczas: (6.0kWp / 5.0kW) • 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 5.0kW. Oczywiście tą 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.

Rys. 3. Produkcja energii z instalacji PV przy SM = ~120%, w warunkach STC

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 800W/m², temperatura otoczenia 20°C, prędkośc wiatru (czynnik chłodzący) – 1.5m/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).

Rys. 4. Produkcja energii z instalacji PV przy SM = ~120%, w warunkach rzeczywistych.

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 lekturę “Uzyski energii dla różnych układów modułów i konfiguracji falowników“.

Rys. 5. Produkcja energii z instalacji PV przy SM = ~200%, w warunkach rzeczywistych.

Wykresy na rysunkach 2 do 5 przedstawiają produkcję energii w słoneczne, bezchmurne dni. Jak wspomniano, takich dni w Polsce jest niestety niewiele. Znacznie częściej będziemy obserwować uzyski energii podobne do tych przedstawionych na rys. 6. To również argument za tym, aby użyć falownika o mocy mniejszej, niż moc nominalna modułów.

Rys. 6. Produkcja energii z instalacji PV przy SM = ~120%, w pochmurny dzień.

Podsumowując, oto dlaczego warto przewymiarować DC względem AC:

Zalety stosowania falowników o mocy nominalnej mniejszej niż moc modułów (SM > 100%):

1. w normalnych warunkach bardzo rzadko uzyskujemy tzw. STC (ang. Standard Test Conditions – Standardowe Warunki Badania), czyli natężenie promieniowania 1000W/m², temperatura ogniw: 25°C, optyczna gęstość atmosfery AM = 1.5. Takie parametry łącznie osiągamy przez kilka-kilkanaście godzin w roku. W pozostałym okresie czasu parametry produkcji są znacznie gorsze: albo niższe wartości natężenia promieniowania, albo wyższa temperatura ogniw. A zatem falownik dobrany 1:1 do instalacji (SM = 100%) byłby permanentnie niedociążony;
2. moduły fotowoltaiczne degradują się w czasie. Najwięcej na wydajności tracą w pierwszym roku, potem poniżej 1% rocznie. To oznacza, że nasza instalacja po 10 latach będzie miała moc nominalną o co najmniej 10% mniejszą. Zatem współczynnik mocy falownika do mocy modułów (SM) będzie malał w czasie;
3. sprawność falownika zawsze będzie niższa, niż 100%;
4. w miesiącach letnich wysoka temperatura modułów (nagrzewają się nawet 30-35°C powyżej temperatury otoczenia) przekłada się na ich mniejszą wydajność. Jeśli ujemny temperaturowy współczynnik mocy wynosi -0.45%/°C, to przy temperaturze modułów 65°C ich wydajność będzie mniejsza o:

(65°C – 25°C) • -0.45%/°C = 40°C • -0.45%/°C = -18%

Statystycznie korzystniejsze jest optymalne wytwarzanie energii przez większą część roku, niż ograniczenia w przetwarzaniu energii w pojedyncze dni, a nawet godziny.

Obliczenia

Dokonując obliczenia każdego wariantu doboru różnej ilości modułów PV do falownika tej samej mocy, największe uzyski energii otrzymamy dla największej liczby modułów (por. tabela 1 poniżej). Nie mniej istotny jest aspekt finansowy. W każdym z wariantów falownik stanowi identyczny koszt, co powoduje, że wariant SM > 100% jest po prostu najbardziej ekonomicznie uzasadniony.

Tabela 1. Porównanie różnych wariantów doboru modułów do falownika*

Wariant	SM < 100%	SM = 100%	SM > 100%
Falownik 3.0kW	Niedociążony	Nominalnie	Przeciążony	np. Symo 3.0-3-S
Liczba modułów	9	11	13
Moc nominalna 1 modułu	280	280	280	[Wp]
Moc maks. modułów PV po stronie DC	2,52	3,08	3,64	[kWp]
Moc maks. falownika po stronie AC	3,0	3,0	3,0	[kVA]
SM	82%	100%	119%
Współczynnik strat związanych z niedopasowaniem	0,3%	0%	0,5%
Roczne uzyski energii (szacunkowo)	2 583	3 167	3 724	[kWh]
Uzyski energii z mocy DC	1 025,2	1 028,2	1 023,1	[kWh/kWp]
Finanse
Koszt modułów	7 200	8 800	10 400	PLN
Koszt konstrukcji i montażu	1 800	2 200	2 600	PLN
Koszt falownika	4 000	4 000	4 000	PLN
Łącznie	13 000	15 000	17 000	PLN
Koszt za instalację 1 kWp (DC)	5 158	4 870	4 670	PLN/kWp
Koszt pozyskania 1 kWh w 1 roku	0,503	0,474	0,456	PLN

* wszystkie ceny przykładowe

Zainteresowanych symulacjami produkcji energii w zależności od wybranej wartości SM zapraszamy do lektury artykułu: “Uzyski energii dla różnych układów modułów i konfiguracji falowników“.

Przewymiarowanie falowników Fronius

Falowniki Fronius charakteryzują się bardzo szerokim zakresem napięć i wysoką wartością prądów wejściowych, dzięki czemu oferują wyjątkową elastyczność przy projektowaniu instalacji. technologia ta nazywa się SuperFlex Design. Dość powiedzieć, że falowniki rodziny SYMO o zakresie mocy do 8.2kW_AC oferują przewymiarowanie aż o 100%! W tej kategorii falowniki Fronius nie mają konkurencji.

Zalecane przewymiarowanie dla warunków polskich to 110%-120%. W przypadku instalacji Wschód-Zachód może być większe, nawet: 130-160%. A zatem: dla falownika Fronius SYMO 6.0-3-M jak najbardziej możliwe jest przyłączenie instalacji PV o mocy 12kWp, pod warunkiem spełnienia niżej opisanych wymagań dotyczących maksymalnych wartości napięć i prądów.

Z praktycznego punktu widzenia możliwość tak dużego przewymiarowania pozwala na obciążenie pojedynczego MPPT całą mocą nominalną falownika. Daje to wyjątkową łatwość realizacji instalacji, w której mamy połać główną (np. 80% mocy modułów) i połać dodatkową (pozostałe 20%). Bez problemu zrealizujemy również instalacje w układzie Wschód-Zachód. Więcej na ten temat w artykule Fronius SuperFlex Design.

Przewymiarowanie FRONIUS SYMO 3.0-3-S – 8.2-3-M

Firma Fronius niniejszym potwierdza, że falowniki

/           Fronius Symo 3.0-3-M up to Fronius Symo 8.2-3-M
/           Fronius Symo 3.0-3-S up to Fronius Symo 4.5-3-S

mogą być przewymiarowane po stronie DC o 100% mocy znamionowej (SM = 200%) bez anulowania gwarancji producenta,
pod warunkiem, że:

/           konfiguracja łańcuchów przestrzega wytycznych dotyczących napięcia i prądu opublikowanych w instrukcji obsługi
/           napięcie obwodu otwartego z generatora fotowoltaicznego nie przekracza maksymalnego napięcia wejściowego falownika dla wszystkich warunków (temperatura, natężenie promieniowania)
/           maksymalny prąd zwarcia na wejściu DC nie może przekraczać 1,5x wartości maksymalnego prądu wejściowego DC falownika (ograniczenie rozłącznika DC)

Przewymiarowanie FRONIUS SYMO 10.0-3-M – 20.0-3-M

Firma Fronius niniejszym potwierdza, że falowniki

/           Fronius Symo 10.0-3-M do Fronius Symo 20.0-3-M

mogą być przewymiarowane po stronie DC o 50% mocy znamionowej (SM = 150%) bez anulowania gwarancji producenta,pod warunkiem, że:

/           konfiguracja łańcuchów przestrzega wytycznych dotyczących napięcia i prądu opublikowanych w instrukcji obsługi
/           napięcie obwodu otwartego z generatora fotowoltaicznego nie przekracza maksymalnego napięcia wejściowego falownika dla wszystkich warunków (temperatura, natężenie promieniowania)
/           maksymalny prąd zwarcia na wejściu DC nie może przekraczać 1,5x maksymalny prąd wejściowy DC falownika (ograniczenie rozłącznika DC)

Przewymiarowanie FRONIUS ECO 25.0-3-S – 27.0-3-S

Firma Fronius niniejszym potwierdza, że falowniki

/           Fronius ECO 25.0-3-S i Fronius ECO 27.0-3-S

mogą być przewymiarowane po stronie DC do 37.8kW_peak mocy znamionowej bez anulowania gwarancji producenta,pod warunkiem, że:

/           konfiguracja łańcuchów przestrzega wytycznych dotyczących napięcia i prądu opublikowanych w instrukcji obsługi
/           napięcie obwodu otwartego z generatora fotowoltaicznego nie przekracza maksymalnego napięcia wejściowego falownika dla wszystkich warunków (temperatura, natężenie promieniowania)
/           maksymalny prąd zwarcia na wejściu DC nie może przekraczać 71,6A

Przewymiarowanie FRONIUS PRIMO 3.0-1 do 8.2-1

Firma Fronius niniejszym potwierdza, że falowniki

/           Fronius Primo 3.0-1 do Fronius Primo 8.2-1

mogą być przewymiarowane po stronie DC o 50% mocy znamionowej (SM = 150%) bez anulowania gwarancji producenta,pod warunkiem, że:

/           konfiguracja łańcuchów przestrzega wytycznych dotyczących napięcia i prądu opublikowanych w instrukcji obsługi
/           napięcie obwodu otwartego z generatora fotowoltaicznego nie przekracza maksymalnego napięcia wejściowego falownika dla wszystkich warunków (temperatura, natężenie promieniowania)
/           maksymalny prąd zwarcia na wejściu DC nie może przekraczać 1,5x maksymalny prąd wejściowy DC falownika (ograniczenie rozłącznika DC)

>Przewymiarowanie FRONIUS GALVO

Firma Fronius niniejszym potwierdza, że falowniki

/           Fronius Galvo

mogą być przewymiarowane po stronie DC o 100% mocy znamionowej (SM = 200%) bez anulowania gwarancji producenta,pod warunkiem, że:

/           konfiguracja łańcuchów przestrzega wytycznych dotyczących napięcia i prądu opublikowanych w instrukcji obsługi
/           napięcie obwodu otwartego z generatora fotowoltaicznego nie przekracza maksymalnego napięcia wejściowego falownika dla wszystkich warunków (temperatura, natężenie promieniowania)
/           maksymalny prąd zwarcia na wejściu DC nie może przekraczać 1,5x maksymalny prąd wejściowy DC falownika (ograniczenie rozłącznika DC)

---

Artykuł zaktualizowano 3.02.2019