Urządzenia te mają na rynku różne nazwy: optymalizatory, optymizery, przetwornice DC/DC. Często mylone są z mikrofalownikami, a mają zupełnie inne działanie i zastosowanie.
Mikrofalownik – zamienia prąd stały DC, na prąd sinusoidalny AC. W odróżnieniu do falowników stringowych ma małą moc, dlatego obsługuje zwykle tylko jeden wybrany panel. Urządzenia te wykorzystuje się często w przewymiarowanych instalacjach, gdzie do głównego falownika nie da się już dopiąć kolejnych paneli. Mikrofalownik umieszczony jest zawsze w pobliżu panelu (najczęściej pod nim). Na wyjściu AC produkuje prąd jednofazowy i może być podpięty bezpośrednio do gniazdka w domu. Mikrofalownik jest autonomicznym urządzeniem, nie musi pracować w instalacji z inwerterem stringowym. Posiada własny MPPT tracker, który wyszukuje punkt mocy maksymalnej.
Optymizer mocy – to przetwornica prądu typu DC/DC. Nie zapewnia więc zmiany charakteru prądu, a jedynie jego parametrów, jak napięcie i natężenie. Urządzenia tego typu muszą zawsze współpracować z falownikiem. Optymizery mają za zadanie dopasować wartość prądu produkowanego przez pojedynczy zacieniony panel tak, aby nie wpływał na pracę całego stringu. Przy zacienieniu spada bardzo wartość prądu produkowanego przez ogniwa. W stringu moc całkowita połączonych szeregowo paneli jest zawsze iloczynem sumy napięć na poszczególnych panelach i prądu płynącego przez najsłabszy panel. Przy silnym zacienieniu moc takiej instalacji potrafi spaść do zera. Przy zastosowaniu optymizera na zacienionym panelu podnoszone jest natężenie prądu kosztem napięcia. Końcowa moc całej instalacji jest dzięki temu tylko minimalnie niższa.
Budowa
Optymizer posiada dwie pary przewodów z zarobionymi końcówkami MC4. Krótsza służy do podłączenia chronionego modułu, dłuższa – do podpięcia kolejnego optymalizatora lub kolejnego modułu w stringu.
Rys. Optymalizatory podłączone szeregowo.
Na rynku pojawiają się już optymalizatory (optymizery) z sześcioma końcówkami do ochrony dwóch modułów. W tym przypadku dwie pary krótszych przewodów służą do przyłączenia chronionych modułów, dłuższa do przyłączenia kolejnego optymalizatora, lub modułu.
Powyższe optymalizatory mają wspólną wadę. Mocowane są poza panelem i wymagają podłączenia do niego poprzez złącza MC4. Rodzi to szereg problemów:
- Wymaga osobnego montażu optymalizatora do ramy.
- Optymalizator pracuje pod panelem i narażony jest przez to bardzo wysokie temperatury, co wpływa na jego sprawność i trwałość.
- Większa ilość złącz MC4 w instalacji zwiększa ryzyko pożaru.
- Złącza MC4 w panelu i optymalizatorze mogą się różnić, jeśli oba rozwiązania są od innych pr
oducentów, nie są bowiem znormalizowane i mają często inne kształty. Może to powodować problemy z przewodnictwem
- Wiele modeli wymaga dedykowanego falownika (wyjątek, urządzenia firmy TIGO)
Wady powyższej nie mają optymalizatory zabudowane w skrzynce panelu, tzw. solar cell string optimizer firmy Maxim Integrated. W tej wersji optymalizatory zastępują diody w panelu i mogą współpracować z każdym falownikiem. Po prawej na zdjęciu przykładowy optymalizator (w kółku) w porównaniu do klasycznej diody. Każdy moduł PV z zamocowanymi optymalizatorami Maxim Integrated ma tak naprawdę trzy niezależne MPPT. Pozwala to w najbardziej optymalny sposób wyeliminować skutki zacienienia modułów. Poniżej na rys. różnice w działaniu poszczególnych rozwiązań, w przypadku zasłonięcia pojedynczego ogniwa.
Rys. Wpływ zacienia na pracę modułu przy zastosowaniu tradycyjnego optymalizatora i systemu Maxim Integrated (rys. Fronius).
Czy to się opłaca?
Zastosowanie optymalizatora mocy w instalacji fotowoltaicznej powinno być dobrze przemyślane. Nie jest to tanie urządzenie, jeden optymalizator kosztuje ponad 400zł. Aby ten wydatek się zwrócił, musi być konkretny zysk w produkcji energii elektrycznej. Spróbujmy poniżej prześledzić wszystkie za i przeciw stosowania tych urządzeń.
Kiedy warto stosować?
Optymalizatory są wskazanym rozwiązaniem w instalacji, w której występuje okresowe zacienienie w ciągu dnia jednego, lub więcej modułów. Instalacja taka traci w ciągu roku znaczną produkcję energii elektrycznej. Pamiętajmy, że produkcja ta jest największa w lecie, dlatego likwidowanie wpływu zacienienia w okresie zimowym, z powodu np. niskiego kąta padania promieni słonecznych, jest nieopłacalne. W okresie grudzień-styczeń ilość produkowanej energii przez panele nie przekracza z reguły 25% jednego miesiąca letniego. Zysk z tytułu zastosowania takiego rozwiązania może być znikomy.
Prześledźmy to na poniższym przykładzie. W instalacji pracuje 5 paneli o mocy 315Wp. Przy braku zacienienia ich całkowita moc wyniesie 5×315= 1575W. Jeśli jeden z paneli zostanie zacieniony i jego moc spadnie do np. 268 W, to moc całego stringu w instalacji bez optymalizatorów wyniesie 5×268= 1340W. Przy zastosowaniu optymalizacji spadnie moc tylko zacienionego modułu. Pozostałe będą pracować na pełnej mocy, stąd moc całej instalacji wyniesie:
4×315+268 = 1528W
Jeśli zacienienie będzie silniejsze. Instalacja bez optymalizacji może produkować wręcz znikome ilości energii, np. kilkadziesiąt W, podczas gdy z optymalizatorami, moc zostanie pomniejszona tylko o niepracujący w danym momencie panel. Zyski energii w takim przypadku są ogromne.
Rys. Wpływ zastosowania optymalizacji paneli PV (TIGO)
Cień może być rzucany przez różne obiekty:
- sąsiednie budynki
- drzewa
- komin na dachu
W każdym z tych przypadków należy wcześniej przeanalizować sensowność montażu paneli w takich miejscach.
Cień sąsiedniego budynku – Jednorodny cień rzucany przez sąsiedni budynek na np. najniższy rząd paneli w naszej instalacji, powoduje stały spadek mocy jeśli instalacja taka pracuje tylko na jednym MPPT. Spadek jest znaczący. Instalacja może tracić nawet do 80% swojej energii. Przy kilku kW panele produkują nie więcej niż kilkaset W. Jeśli takie zacienienie występuje nagminnie w określonych godzinach dnia, odczujemy bardzo znaczący spadek produkcji energii. Czy stosować wtedy optymalizator? Tak, ale musi być zamocowany pod wszystkimi zacienionymi panelami. Jest to znaczący koszt. Tańszym rozwiązaniem jest tutaj zastosowanie osobnego MPPT trackera, czyli użycie falownika z dwoma MPPT. Oczywiście warunkiem takiego rozwiązania jest minimalna ilość paneli na danym MPPT, generująca minimalne napięcie wejściowe. Może to być np. 150V. Jeśli jeden panel wytwarza napięcie 35V potrzeba minimum 5-ciu takich paneli, aby instalacja ruszyła. Gdy w strefie zacienienia są tylko cztery panele, MPPT nie zadziała. Tutaj optymalizatory mogą być najlepszym rozwiązaniem.
Komin – Cień od komina przesuwa się w ciągu dnia i powoduje zwykle zacienienie kilku paneli. Czasem lepiej zrezygnować z montażu paneli w określonych miejscach na dachu, niż wspomagać się optymalizatorem mocy. Zyski z tytułu tych urządzeń mogą być znikome. Wybór wymaga symulacji w programach komputerowych.
Drzewa – to obiekty na które nie zawsze mamy wpływ, w dodatku zmieniające się z roku na rok (rosną). Jeśli drzewo jest na naszej działce, możemy je przyciąć i cienia nie będzie. Jeśli jednak to drzewo publiczne, lub na działce sąsiada, jego cień może być dokuczliwy. Cień taki przesuwa się w ciągu dnia. Dla jednych paneli może być głęboki, inne mogą się znajdować tylko w „półcieniu”. Spadki mocy są w tym wypadku różne. Optymalizacja jest jak najbardziej wskazana.
Optymalizatory sprawdzają się też w innych przypadkach:
- instalacja paneli pod różnymi kątami – jeśli kilka paneli w całej tablicy PV jest ustawionych pod innym, niekorzystnym kątem, ich produkcja będzie wpływać na całą instalację. Użycie optymalizatorów wskazane
- panele o różnych parametrach pracy – użycie w jednej instalacji kilku paneli o innych parametrach prądowo-napięciowych (np. wskutek wymiany) powoduje zakłócenie pracy całej tablicy PV. Jeśli nowe panele mają niższą wartość natężenia prądu, wpływ ten będzie znaczący. Użycie optymalizatorów wskazane.
- pożar instalacji – jeśli płonie instalacja PV, straż pożarna odcina falownik od sieci. Rozwiązanie takie nie obniża niestety napięcia na samych panelach, które dalej produkują energię po stronie DC. Jest to niebezpieczne w trakcie akcji gaśniczej, bo napięcia wynoszą wtedy kilkaset V. Przy zastosowaniu optymalizatorów, przy wyłączonym falowniku napięcie zostanie obniżone do 1V.
Wady i ograniczenia w stosowaniu
1. Optymalizator to też rodzaj przetwornicy i jak każda przetwornica charakteryzuje się określoną sprawnością. W instalacji z falownikiem stringowym, sprawności te mnożą się przez siebie obniżając sprawność całej instalacji. Przykładowo: sprawność falownika 99%, optymalizatora 98%, sprawność całkowita instalacji:
0,99×0,98 = 0,97 czyli 97%
Dodajmy, że spadek sprawności wystąpi przez cały rok. Jeśli optymalizacja daje efekty tylko przez kilka miesięcy, w skali całego roku zyski mogą być żadne.
2. Optymalizatory mogą być stosowane w łańcuchach o minimalnej ilości paneli PV. Ilość ta zależy od rodzaju optymalizatora (jednofazowy, trójfazowy) i zwykle wynosi:
- minimum 8 paneli w przypadku optymalizatora 1-fazowego
- minimum 12 paneli w przypadku optymalizatora 3-fazowego
Wartości te podawane są zawsze w charakterystyce pracy tych urządzeń.
3. W instalacji PV połączonej szeregowo, może być zamocowany nawet jeden optymalizator, tylko pod jednym panelem (takie rozwiązanie umożliwiają np. optymalizatory formy TIGO). Optymalizacja jest wtedy tanim i skutecznym rozwiązaniem. Jeśli jednak panele połączone są szeregowo i potem równolegle, to użycie optymalizatora tylko pod jednym panelem jest niemożliwe. Trzeba je wtedy zamocować pod wszystkim panelami, co bardzo podniesie koszt instalacji.
4. Większość optymalizatorów wymaga dedykowanego falownika. Wyjątkiem są urządzenia firmy TIGO, które są uniwersalne i mogą współpracować z różnymi falownikami.