Uzyski energii dla różnych układów modułów i konfiguracji falowników

Jednym z bardziej popularnych wpisów na naszym forum, jest ten dotyczący przewymiarowania mocy modułów względem mocy falownika (można przeczytać go tutaj). W tym artykule wyjaśniamy, jak ułożenie modułów i ich dopasowanie do falownika przekłada się na rzeczywiste uzyski energii. 

Do symulacji użyliśmy oprogramowania firmy Valentin-Software: PV*Sol premium 2019 (R6) w wersji testowej. Nota bene zbliżają się Walentynki, więc będzie można zakupić to oprogramowanie z dobrą zniżką 🙂
PV*Sol to potężne narzędzie pozwalające na wykonanie symulacji na bazie statystycznych danych pogodowych: dla każdego dnia wyliczane są charakterystyki prądowo-napięciowe wybranych modułów uwzględniające chwilowe natężenie promieniowania, wpływ temperatury i ewentualnie zacienienia.  Tak uzyskane wartości nakładane są na parametry falownika: zakres napięć i prądów wejściowych, adaptacja układu MPPT i wykresy sprawności. Jeżeli w projekcie podane są długości i przekroje przewodów: uwzględnione są także powodowane przez nie straty. Jak szczegółowe są to dane, można zobaczyć na przykładowej karcie wyników na rys. 1:

Rys. 1. Symulacja uzysków energii w programie PV*Sol premium 2019 (R6)

Moduły PV wybrane do symulacji to NU-RD300 firmy SHARP o mocy nominalnej 300Wp. Możliwe, że są już nowsze i mocniejsze, ale okrągła wartość mocy ułatwiła nam obliczenia.

Warto jeszcze przypomnieć definicję stosunku mocy (SM), która wykorzystywana jest m.in. w programie doboru Fronius Solar.configurator 4.0:

Poniżej prezentujemy wyniki kilkunastu symulacji i zapraszamy do dyskusji (na forum lub w komentarzach poniżej artykułu).

Instalacja skierowana na Południe

Rys. 2. Moduły SHARP NU-RD300 ułożone na połaci południowej. Źródlo: program PV*Sol premium 2019 (R6)

Pierwsze symulacje wykonaliśmy dla modułów ułożonych w kierunku południowym (azymut = 180°) na dachu dwuspadowym o nachyleniu 37°. Układ 20 modułów został połączony w pojedynczy łańcuch, a ten przyłączono do falowników ze zwartymi wejściami MPPT (symbolicznie oznaczone jako MPPT1+2). Łączna moc modułów to 20 • 300Wp = 6.000Wp. Maksymalny uzysk osiągniemy dla falownika Fronius SYMO 6.0-3-M o nominalnej mocy wyjściowej 6.000W (SM = 98%), ale warto zwrócić uwagę, że dla SM w przedziale od 80% do 120% straty uzysku nie przekraczają – w ujęciu rocznym – 0,5%!

Wszyscy, którzy zastanawiają się nad rozbudową planowanej instalacji w przyszłości powinni również zwrócić uwagę na dobór falownika SYMO 8.2-3-M. W tej konfiguracji SM wynosi 72%, ale straty uzysku to tylko 0,6%.  W przyszłości można będzie bezpiecznie dołożyć kolejne 12 modułów o zbliżonej mocy (np. do drugiego MPPT). Łącznie uzyskamy moc 32 • 300Wp = 9.600Wp co w przypadku falownika o mocy 8.,2kW da nam SM =  ~115%.

A co się stanie, jeśli te 6kWp modułów przyłączymy do falownika SYMO 3.0-3-M, czyli uzyskamy SM bliskie 200%? Zgodnie z artykułem “Przewymiarowanie instalacji względem mocy falowników Fronius” taka konfiguracja jest dopuszczalna bez utraty gwarancji ze strony producenta. No cóż: w układzie modułów skierowanych na południe spowoduje to straty uzysku ponad 13%, a zatem przekroczy ewentualny zysk wynikający z zakupu tańszego modelu.

Falownik	Konfiguracja modułów	Moc falownika	SM	Produkcja roczna	Strata względem optymalnego	Uzysk kWh/kWp
Fronius SYMO 8.2-3-M	20 szt. do MPPT1+2	8,2 kW	72 %	6184,67 kWh	-0,6%	1030,78
Fronius SYMO 7.0-3-M	20 szt. do MPPT1+2	7,0 kW	84 %	6203,74 kWh	-0,3%	1030,96
Fronius SYMO 6.0-3-M	20 szt. do MPPT1+2	6,0 kW	98 %	6220,21 kWh	maks.	1036,70
Fronius SYMO 5.0-3-M	20 szt. do MPPT1+2	5,0 kW	118 %	6187,04 kWh	-0,5%	1031,17
Fronius SYMO 4.5-3-M	20 szt. do MPPT1+2	4,5 kW	131 %	6111,31 kWh	-1,8%	1018,55
Fronius SYMO 3.7-3-M	20 szt. do MPPT1+2	3,7 kW	159 %	5834,51 kWh	-6,2%	972,42
Fronius SYMO 3.0-3-M	20 szt. do MPPT1+2	3,0 kW	196 %	5405,12 kWh	-13,1%	900,85

Instalacja Wschód-Zachód

Rys. 3. Moduły ułożone w układzie Wschód-Zachód. Źródlo: program PV*Sol premium 2019 (R6)

Identyczną ilość modułów ułożyliśmy w układzie Wschód-Zachód, po 10 z każdej strony, podobnie na dachu dwuspadowym o nachyleniu 37°. 10 modułów z połaci zachodniej zostało połączonych w pojedynczy łańcuch, który przyłączono MPPT1. Podobnie 10 modułów z połaci wschodniej przyłączono do MPPT2. Łączna moc modułów to oczywiście 20 • 300Wp = 6.000Wp. Maksymalny uzysk osiągniemy również dla falownika Fronius SYMO 6.0-3-M, ale co ciekawe: zastosowanie falownika SYMO 5.0-3-M (SM = 118%), a nawet SYMO 4.5-3-M (SM=131%) daje praktycznie identyczne uzyski! Nawet falownik SYMO 3.7-3-M (SM = 159%) daje sobie całkiem nieźle radę: straty uzysku w ujęciu rocznym wynoszą zaledwie 1,0%.

Tutaj należy zwrócić uwagę, że straty wynikające z przewymiarowania bardzo silnie zależą od nachylenia połaci: im jest większe, tym roczny uzysk energii będzie mniejszy. Gdy przy układzie południowym z każdego kWp uzyskamy około 1037 kWh, to w układzie Wschód-Zachód: 866 kWh. Oszczędność w kosztach instalacji można uzyskać dobierając mniejsze falowniki (SM nawet do 160%) – bez znaczących strat uzysku. Prosimy jednak o każdorazowe wyliczenie takich wartości dla indywidualnych parametrów instalacji (moc, nachylenie, orientacja modułów, itd.).

Falownik	Konfiguracja modułów	Moc falownika	SM	Produkcja roczna	Strata względem optymalnego	Uzysk kWh/kWp
Fronius SYMO 8.2-3-M	10 do MPPT1 + 10 do MPPT2	8,2 kW	72 %	5172,13 kWh	-0,5%	862,02
Fronius SYMO 7.0-3-M	10 do MPPT1 + 10 do MPPT2	7,0 kW	84 %	5184,24 kWh	-0,3%	864,04
Fronius SYMO 6.0-3-M	10 do MPPT1 + 10 do MPPT2	6,0 kW	98 %	5197,68 kWh	maks.	866,28
Fronius SYMO 5.0-3-M	10 do MPPT1 + 10 do MPPT2	5,0 kW	118 %	5195,18 kWh	0,0%	865,86
Fronius SYMO 4.5-3-M	10 do MPPT1 + 10 do MPPT2	4,5 kW	131 %	5196,03 kWh	0,0%	866,00
Fronius SYMO 3.7-3-M	10 do MPPT1 + 10 do MPPT2	3,7 kW	159 %	5147,44 kWh	-1,0%	857,91
Fronius SYMO 3.0-3-M	10 do MPPT1 + 10 do MPPT2	3,0 kW	196 %	5003,66 kWh	-3,7%	833,94

Instalacja “mieszana”

Rys. 4. Moduły w układzie “mieszanym”: montowane na połaci południowej i wschodniej. Źródlo: program PV*Sol premium 2019 (R6)

Życie nie lubi prostych rozwiązań, dlatego często można spotkać się z układem modułów, z których [większa] część znajduje się na połaci południowej, a pozostałe – np. na połaci wschodniej. Taki wariant przedstawiono na rysunku 4. Dachy dwuspadowe mają nachylenie 37°. Układ 14 modułów z połaci południowej został połączony w pojedynczy łańcuch, a ten przyłączono do wejścia MPPT1. 10 modułów z połaci wschodniej: w pojedynczym łańcuchu do MPPT2. Schematycznie przedstawiono to poniżej, na rys. 5.

Rys. 5. Schemat przyłączenia modułów z połaci południowej i wschodniej do falownika z dwoma MPPT. Źródlo: program PV*Sol premium 2019 (R6)

Łączna moc modułów to (14 + 10) • 300Wp = 7.200Wp. Więcej niż w poprzednich przykładach. Maksymalny uzysk znów osiągniemy dla falownika Fronius SYMO 6.0-3-M o nominalnej mocy wyjściowej 6.000W, ale SM = 118%. Warto zwrócić uwagę, że dla SM w przedziale od 80% do 120% straty uzysku nie przekraczają – w ujęciu rocznym – 0,5%!

Falownik	Konfiguracja modułów	Moc falownika	SM	Produkcja roczna	Strata względem optymalnego	Uzysk kWh/kWp
Fronius SYMO 8.2-3-M	14 południe do MPPT1 10 wschód do MPPT2	8,2 kW	86 %	6695,13 kWh	-0,3%	928,88
Fronius SYMO 7.0-3-M	14 południe do MPPT1 10 wschód do MPPT2	7,0 kW	101 %	6708,10 kWh	-0,1%	931,68
Fronius SYMO 6.0-3-M	14 południe do MPPT1 10 wschód do MPPT2	6,0 kW	118 %	6714,22 kWh	maks.	932,53
Fronius SYMO 5.0-3-M	14 południe do MPPT1 10 wschód do MPPT2	5,0 kW	141 %	6615,28 kWh	-1,5%	918,84

Również i ten inwestor zastanawia się nad rozbudową inwestycji w niedalekiej przyszłości (tu mała dygresja: nie należy odkładać rozbudowy, ponieważ producenci praktycznie co rok wprowadzają nowe, wyższe moce i może być kłopot ze znalezieniem “naszych” modułów). Do każdego z łańcuchów chciałby dodać po cztery moduły uzyskując łącznie: ((14 +4) + (10+4)) • 300Wp = (18+ 14) • 300Wp = 9.600Wp. Na jaki falownik powinien się zatem zdecydować? Sprawdźmy dwie konfiguracje:

Falownik	Konfiguracja modułów	Moc falownika	SM	Produkcja roczna	Strata względem optymalnego	Uzysk kWh/kWp
Fronius SYMO 8.2-3-M	18 południe do MPPT1 14 wschód do MPPT2	7,0 kW	115 %	9021,80 kWh	maks.	939,77
Fronius SYMO 7.0-3-M	18 południe do MPPT1 14 wschód do MPPT2	6,0 kW	134 %	8957,24 Wh	-0,7%	933,05

Wybór właściwego modelu nasuwa się sam…

Dach płaski

Rys. 6. Moduły w instalacji przemysłowej na dachu płaskim. Źródło: program PV*Sol premium 2019 (R6)

W przypadku instalacji przemysłowych, często są one lokalizowane na płaskim dachu budynku. Ze względu na łatwość montażu najczęściej stosuje się systemy balastowe, o niewielkim kącie nachylenia (10-15°).

Na rysunku 6. przedstawiliśmy przykładową instalację składającą się z 50 sztuk modułów o mocy 300Wp każdy. Orientacja modułów: południowa, nachylenie 10°. Układ: 2 x 14 modułów do MPPT1 oraz 22 moduły do MPPT2.

Łączna moc modułów to 50 • 300Wp = 15.000Wp. Więcej niż w poprzednich przykładach. Maksymalny uzysk znów osiągniemy dla falownika Fronius SYMO 15.0-3-M o nominalnej mocy wyjściowej 15.000W, ale dla falownika Fronius SYMO 12.5-3-M, czyli SM = 118%, straty uzysku są praktycznie zerowe!

Falownik	Konfiguracja modułów	Moc falownika	SM	Produkcja roczna	Strata względem optymalnego	Uzysk kWh/kWp
Fronius SYMO 17.5-3-M	2 x 14 do MPPT1 22 do MPPT2	17,5 kW	84 %	14502,63 kWh	-0,2%	966,84
Fronius SYMO 15.0-3-M	2 x 14 do MPPT1 22 do MPPT2	15,0 kW	98 %	14532,67 kWh	maks.	968,84
Fronius SYMO 12.5-3-M	2 x 14 do MPPT1 22 do MPPT2	12,5 kW	118 %	14527,29 kWh	-0,0%	968,49
Fronius SYMO 10.0-3-M	2 x 14 do MPPT1 22 do MPPT2	10,0 kW	147 %	14175,66 kWh	-2,5%	945,04
Fronius SYMO 8.2-3-M	2 x 14 do MPPT1 22 do MPPT2	8,2 kW	179 %	13522,74 kWh	-6,9%	901,52

Postanowiliśmy również sprawdzić – dla identycznego ułożenia modułów – nieco większą instalację. Konfigurację łańcuchów dopasowaliśmy do falownika Fronius ECO 27.0-3-S: każdy z łańcuchów ma po 23 moduły, czyli uzyskamy łącznie: 23 • 5 • 300Wp = 115 • 300Wp = 34.500Wp. Porównując uzyski wyrażone w kWh/kWp okazuje się, że strata względem konfiguracji optymalnej jest praktycznie pomijalna:

Falownik	Konfiguracja modułów	Moc falownika	SM	Produkcja roczna	Strata względem optymalnego	Uzysk kWh/kWp
Fronius ECO 27.0-3-S	5 x 23 do MPPT1	27,0 kW	125 %	33403,46 kWh	-0,1%	968,22

Podsumowanie

Jak widać, dzięki możliwości znacznego, ale bezpiecznego przewymiarowania falowników Fronius, zarówno projektanci, jak i instalatorzy dostają dużą swobodę w doborze prawidłowej konfiguracji. W połączeniu z SuperFlex Design uzyskujemy elastyczność, która stanowi jedno ze źródeł sukcesu produktów Fronius na całym Świecie.

Prawidłowe przewymiarowanie (Stosunek Mocy, SM) zależy od wielu czynników: lokalizacji, kąta nachylenia modułów, azymutu. Dlatego dla każdego indywidualnego przypadku należy dobrać optymalną wartość SM, która powinna być wynikiem obliczeń / symulacji. Przyjmuje się, że straty wynikające z przewymiarowania (SM > 100%) lub niedowymiarowania (SM < 100%) nie powinny przekraczać 1%, a najlepiej: 0,5%. Zależność wielkości strat od wartości SM jest nieliniowa. Dla opisanych w tym artykule wariantów wygląda jak na wykresie poniżej. Dla różnych konfiguracji ustawienia modułów uzyskamy różne graniczne wartości SM.

WAŻNE: wyniki powyższych symulacji są jedynie przykładem, w jaki sposób należy dobierać wielkość falownika do przyjętego układu modułów. Każdorazowo projektant i/lub wykonawca instalacji powinien określić poprawny dobór falownika opierając się na rzeczywistych danych, takich jak: lokalizacja, orientacja i nachylenie modułów, ich typ oraz ewentualny wpływ zacienienia. Gorąco zachęcamy do własnych eksperymentów i wykorzystania w swoich projektach programów takich jak PV*Sol czy BlueSol.