Optymalizacja – fakty i mity

Od czasu do czasu można spotkać systemy fotowoltaiczne z tzw. optymalizatorami (ang. optimizers). Niestety utarło się przekonanie, że mogą one stanowić rozwiązanie wszelkich problemów na instalacji, głównie polegających na jej zacienieniu. Wbrew obiegowym opiniom, optymalizatory nie są jednak w stanie zakrzywić praw fizyki: zacieniona instalacja zawsze będzie wytwarzać mniej energii, niż równoważna – niezacieniona. Są jednak aplikacje, w których optymalizatory mogą wykazać swoje zalety, a więcej o faktach i mitach z nimi związanych mogą Państwo przeczytać w niniejszym artykule.

Zarówno mikrofalowniki, jak i optymalizatory modułów są klasyfikowane jako przetwornice mocy na poziomie modułów (ang. Module-Level Power Electronics, MLPE). W systemie fotowoltaicznym wyposażonym w MLPE wpływ każdego z modułów na pozostałe jest minimalizowany. Dzięki temu różnice w poziomie nasłonecznienia wynikające z zacienienia, różnych orientacji lub kątów nachylenia, a także degradacja pojedynczych modułów nie oddziałuje negatywnie na inne moduły. W systemie PV ze “zwykłym” falownikiem, moduły, które są podłączone do tego samego MPP-trakera są od siebie zależne.

Każdą instalację fotowoltaiczną trzeba indywidualnie dostosować do warunków panujących na konkretnym dachu — nieważne, czy chodzi o różne ustawienie powierzchni dachowych, czy występowanie tymczasowego zacienienia. Błędem jednak jest przyjmowanie założenia, że optymalizatory rozwiążą wszystkie problemy i całkowicie wyeliminują np. wpływ zacienienia lub nierównomierną degradację modułów. Moduł, którego ogniwa są choćby częściowo zacienione zawsze będzie wytwarzał mniej energii, niż podobny moduł nie zacieniony. Każdorazowo należy przeprowadzić analizę opłacalności takiej inwestycji, ponieważ realizowanie „na siłę” instalacji znajdującej się przez większą część dnia w cieniu może mieć niezadowalający dla inwestora czas zwrotu, który jeszcze dodatkowo zostanie wydłużony niemałym przecież kosztem optymalizatorów.

Należy przy tym uwzględnić fakt, że systemy PV wyposażone w MLPE nie zawsze mają wyższe wydajności, niż systemy PV z falownikami łańcuchowymi (ang. string inverters). Nie są to przecież urządzenia o 100% sprawności. Czasami straty generowane przez MLPE są wyższe, niż wynikające z ich zastosowania dodatkowe uzyski. W rzeczywistych warunkach systemy PV, testowane z falownikami łańcuchowymi Fronius oraz z MLPE, wykazują niewielki rozrzut wydajności. Po przeprowadzeniu analizy technicznej obejmującej symulacje komputerowe oraz instalacje testowe następujące wyniki pokazują, jak falowniki łańcuchowe porównują się z MLPE.

Systemy niezacienione

Dla systemów niezacienionych niedopasowanie modułów (0,5-1%) jest wyrównywane przez optymalizatory (lub ogólnie: przez MLPE), ale utrata wydajności z każdego modułu z optymalizatorem wynosi od 1% do 5% (w zależności od typu MLPE). Dlatego dla niektórych optymalizatorów możliwe jest uzyskanie do +0,5% wyższej wydajności, ale można również uzyskać nawet i -5% mniejszą wydajność systemu z optymalizatorami w porównaniu do „zwykłego” falownika.

Optymalizatory mają za zadanie dopasowanie wartości prądu w łańcuchu szeregowo połączonych ogniw lub modułów PV. Dopasowanie to odbywa się poprzez konwersję wartości prądu kosztem napięcia, która przykładowo realizowana jest w przetwornicy DC/DC. Bez względu jednak na zastosowaną w optymalizatorach technologię proces konwersji nie jest procesem bezstratnym. Producenci optymalizatorów oczywiście podają sprawność swoich urządzeń (najczęściej jako wartość maksymalną, spełnianą wyłącznie w ściśle określonych, laboratoryjnych warunkach) i należy ją rozumieć jako:

U_wy • I_wy = U_we • I_we • η_opt

gdzie:

• U_wy, I_wy – odpowiednio napięcie i prąd na wyjściu optymalizatora
• U_we, I_we – odpowiednio napięcie i prąd na wejściu optymalizatora
• η_opt – sprawność optymalizatora (maksymalna <99%, rzeczywista sprawność optymalizacji <97%)

Zakładając sprawność ważoną optymalizatora η_opt na poziomie nawet 98% (faktyczna sprawność optymalizacji), w przypadku standardowych modułów 275Wp (w punkcie mocy maksymalnej) oznacza to:

P_mppt • (100% – η_opt ) = 275Wp • (100% – 98%) = 275Wp • 2% = 5,5Wp

Jest to znacznie więcej, niż potencjalne uzyski wynikające z optymalizacji niedopasowanych mocą modułów. Dlatego stosowanie optymalizatorów w każdej instalacji prowadzi do nieuzasadnionego wzrostu kosztów tych instalacji.

Jako ciekawostkę można podać fakt, że MLPE lub optymalizatory traktuje się w systemach fotowoltaicznych jako remedium na nierównomiernie degradujące się moduły niskiej jakości. Prosta kalkulacja wykazuje, że dużo lepszym rozwiązaniem jest zakup niewiele droższych, ale wysokiej jakości modułów od sprawdzonego producenta.

Systemy zacienione

Jednorodny cień *)	Niewielkie ruchome cienie	Duże ruchome cienie
Wydajność MLPE: od -4% do +2%	Wydajność MLPE: od -3% do +4%	Wydajność MLPE: od -2% do +9%
*) Pasmo górskie, duży budynek, linia drzew, rząd innych modułów itp.

Tabela 1. Porównanie zacienionych instalacji.

W praktyce, wszystkie badania na systemach PV wykazały niższe wydajności dla systemów z optymalizatorami i MPLE, niż obliczono w trakcie symulacji. Korzyść MLPE w systemach PV była widoczna głównie zimą, kiedy moduły były (częściowo) pokryte śniegiem.

Do porównania wykorzystano falownik Fronius rodziny SYMO oraz falownik PRIMO, które standardowo wyposażone są we Fronius SuperFlex Design, 2 trakery MPP oraz szeroki zakres użytecznych napięć MPP. Algorytm Dynamic Peak Manager skutecznie wyszukuje globalny punkt MPP (ang. Maximum Power Point) modułów i tym samym łagodzi potencjalne straty wydajności w przypadku zacienienia. Dodatkowo efekt zacienienia może być również silnie zmniejszony przez zastosowanie elastycznych możliwości połączeń łańcuchów, dzięki dwóm trakerom MPP, z których każdy dysponuje bardzo szerokim zakresem napięć wejściowych.

Rys. 1. Instalacja fotowoltaiczna zacieniona kominem (2m wys., 0,5m średnicy)

Rys. 2. Symulacja wpływu zacienienia

Przykład: duży komin, umieszczony tuż przed modułami, wysokość 2 m, średnica 0,5 m (rys. 1 i rys. 2)

System PV z …	Uzysk w porównaniu do systemu niezacienionego
falownik bez SuperFlex Design, 1 traker MPP, brak Dynamic Peak Manager	-8% do -12%
MLPE	-4% do -8%
falownik z SuperFlex Design, równe rozdzielenie modułów do obu trakerów MPP	-6%
falownik z SuperFlex Design, optymalne rozdzielenie modułów do obu trakerów MPP	-5%

Tabela 2. Uzyski w przykładowym systemie z zacienieniem pochodzącym od komina.

Należy zatem odpowiedzieć sobie na pytanie: czy ewentualne dodatkowe uzyski, wynikające z optymalizacji zacienionych modułów, pozwolą na pokrycie niemałych przecież kosztów optymalizatorów?

 

Gdzie warto stosować optymalizatory?

Jeśli projektant uzna, że z jakiś powodów nie da się uniknąć montażu modułów w miejscu zacienienia (np. z powodów estetycznych) z pomocą mogą przyjść optymalizatory firmy Tigo Energy, które charakteryzują się możliwością montażu tylko i wyłącznie na zacienionych modułach, tak jak to pokazano na rysunku 3.

Rys 3. Optymalizatory firmy Tigo Energy wystarczy zamontować tylko na zacienionych modułach.

Montaż optymalizatorów na wybranych modułach daje zalety wyeliminowania wpływu zacienienia przy minimalnych nakładach. Co ważne, łańcuch modułów z optymalizatorami Tigo można podłączyć do falownika dowolnego producenta. W przypadku falowników Fronius w menu BASIC należy jedynie wyłączyć Dynamic Peak Manager. Do poprawnego działania optymalizatorów nie są wymagane żadne dodatkowe urządzenia, możemy mieć zatem poprawnie działający układ już nawet z jednym takim urządzeniem.

Tigo Energy ma 5 typów nakładek: TS4-D, TS4-M, TS4-S, TS4-O i TS4-L (wkrótce dojdzie TS4-F). Do optymalizacji należy wybrać wersję TS4-R-O, lub osobno TS4-B (uchwyt) i TS4-O (nakładka). Ulotka dotycząca tego produktu oraz lista dystrybutorów, którzy mają rozwiązania Tigo Energy w swojej ofercie znajduje się na końcu tego artykułu.

Oczywiście optymalizatory mają również inną zaletę, którą jest elastyczność i łatwość projektowania. Falowniki Fronius oferują największą elastyczność projektowania: dopuszczają wiele orientacji, różne typy modułów, zacienienia lub niesymetryczne łańcuchy. Z optymalizatorami ta elastyczność zwiększa się jeszcze bardziej i pozwala np. na uzyskanie 20% różnicy długości łańcuchów podłączonych do jednego wejścia (trackera MPP) lub połączenie w jednym łańcuchu modułów o różnym azymucie i kącie nachylenia. Doskonałym przykładem może być instalacja na dachu przedszkola należącego do kościoła Św. Stefana w Wels, którą przedstawiono na rys. 4. Dzięki optymalizatorom bazującym na rozwiązaniu firmy Maxim Integrated instalacja ta została zrealizowana na klasycznych falownikach Fronius SYMO.

Rys. 4. Instalacja fotowoltaiczna z optymalizatorami Maxim Integrated i falownikami Fronius na przedszkolu w kościele Św. Stefana w Wels (Austria).

Przyszłość optymalizacji

Projektanci systemów PV coraz częściej będą napotykali na różne utrudnienia – wraz z upowszechnianiem się fotowoltaiki dachy o idealnym ustawieniu i bez zacienienia będą stopniowo zabudowywane. Dlatego pod uwagę będą brane dachy o różnych orientacjach lub częściowym zacienieniu, a takie instalacje muszą być poddawane krytycznej analizie. Dlatego, zdaniem autora, moduły fotowoltaiczne będą w przyszłości inteligentne.

Ale dotychczasowe rozwiązania, np. w postaci optymalizatorów dodanych do modułu, będą – ze względu na ich złożoność i dodatkowe koszty instalacji – wypierane przez lepsze rozwiązania. Jeśli chodzi o rzeczywistą optymalizację, amerykański producentem układów półprzewodnikowych, firma Maxim Integrated prezentuje nową generację optymalizatorów oferujących łatwą instalacją, wysoką efektywnością kosztową i największą wygodą projektowania. To doskonale uzupełnia i jeszcze bardziej zwiększa elastyczność projektowania z falownikami Fronius.

Maxim Integrated oferuje technologię optymalizacji ogniw fotowoltaicznych, która zastępuje tradycyjną diodę bocznikującą w module PV (rys. 5). Są to oparte na układach scalonych optymalizatory działające na poziomie łańcucha ogniw — zintegrowane przetworniki DC/DC, zainstalowane w module fotowoltaicznym w celu uzyskania maksymalnej mocy. Oznacza to, że każdy moduł ma 3 optymalizatory, a więc 3 niezależne MPPT – jest to najlepsze w swojej klasie rozwiązanie do łagodzenia skutków zacieniania, niedopasowania łańcuchów i zabrudzenia modułów. Technika ta pozwala na łatwą i opłacalną integrację układów optymalizacji podczas produkcji modułów. Zbędna zatem staje się kosztowna instalacja tradycyjnych optymalizatorów “retro-fit” (na poziomie modułów) i dodatkowych komponentów, co pozwala użytkownikowi na znacznie obniżenie kosztów w stosunku do tradycyjnych rozwiązań. Ponadto zwiększa się niezawodność całej instalacji dzięki eliminacji potencjalnego źródła awarii.

System z optymalizatorami Maxim jest łatwy w instalacji – podobnie jak w przypadku każdego standardowego systemu ze „zwykłymi” modułami: nie ma żadnych dodatkowych komponentów sprzętowych do zainstalowania, nie ma dodatkowych ustawień i nie ma problemów z łącznością na dachu. Optymalizatory, które zastępują diody bocznikujące, są fabrycznie zainstalowane w skrzynce połączeniowej modułu, co eliminuje potrzebę wykonania dodatkowych czynności instalacyjnych.

Systemy bazujące na Maxim wykazują do 5% więcej uzysków energii w porównaniu z tradycyjnymi optymalizatorami, dzięki optymalizacji DC na każdym łańcuchu ogniw (każdy moduł posiada 3 trackery MPP) i najwyższej efektywności optymalizacji. Dzięki tym zaletom i niższej cenie, rozwiązanie Maxim jest bardzo opłacalne i oferuje najbardziej korzystną technologię optymalizacji na rynku – zapewniając najszybszy zwrot inwestycji z systemu PV.

Rys. 5. Porównanie technologii optymalizatorów.

Dowiedz się więcej o rodzinie falowników Fronius na www.fronius.pl, na temat Tigo Energy na stronie: www.tigoenergy.com, natomiast więcej informacji na temat firmy Maxim Integrated można znaleźć pod adresem: www.maximintegrated.com.

Ilustracje zostały stworzone w PV*SOL Premium firmy Valentin Software.

---

Optymalizatory Tigo Energy można zakupić w Polsce m.in. w firmach: KENO Sp.z o.o., Manitu Solar, Grodno S.A.:

Manitu Solar PL Sp. z o.o.   ul. Kolumbijska 10 01-991 Warszawa Piotr Kisiel Tel: +48 731 331 333 piotr.kisiel@manitusolar.pl http://www.manitusolar.pl	KENO – Energy    ul. I. Daszyńskiego 609 PL-44-151 Gliwice Dział Handlowy Tel: +48 721 070 013 biuro@keno-energy.com http://www.keno-energy.com	Grodno S.A.    ul. Brukowa 14 91-341 Łódź Maciej Kowalski Tel: +48 604 268 006 mkowalski@grodno.pl http://www.grodno.pl