Fotowoltaika pozwala pozyskiwać tanią energię elektryczną z promieniowania słonecznego. Zjawisko fotoelektryczne zachodzące w modułach fotowoltaicznych generuje prąd stały. Ten nie nadaje się jednak do zasilania sprzętów gospodarstwa domowego i urządzeń biurowych. Niezbędna jest jego dalsza konwersja na prąd zmienny, która odbywa się w falowniku. W tym artykule podpowiem, kiedy warto wybrać falownik jednofazowy, a kiedy trójfazowy.

Falowniki fotowoltaiczne – przekształcenie na prąd zmienny

Falownik fotowoltaiczny, inaczej nazywany inwerterem, jest sercem mikroinstalacji PV. Jego głównym zadaniem jest przekształcenie prądu stałego (DC) produkowanego przez moduły PV na prąd zmienny (AC). Co do zasady falownik jednofazowy wytwarza prąd o napięciu 230 V, zaś falownik trójfazowy o napięciu 230/400V. Cały proces konwersji odbywa się automatycznie w czasie rzeczywistym. Co dalej dzieje się z tak powstałą wiązką energii?

Jak działa falownik? – trzy ważne funkcje

Falownik to urządzenie o zdecydowanie szerszym zastosowaniu. Przetworzenie energii elektrycznej jest kluczowym, ale nie jedynym procesem odbywającym się bez udziału użytkownika. Pozostałe trzy funkcje inwertera to:

• Przekazywanie energii.
• Monitoring pracy instalacji.
• Kontrola bezpieczeństwa.

Bardzo ważnym zadaniem falownika fotowoltaicznego jest odpowiednie przekazywanie wyprodukowanego prądu. Gdy zakończy się proces konwersji, jest on gotowy do zasilenia obiektu w energię elektryczną. To inwerter przekazuje strumień prądu do gniazdek. Ale to nie wszystko. Jeśli nasza instalacja w danym momencie wytworzy zasób większy niż jesteśmy w stanie skonsumować, prąd musi zostać gdzieś zmagazynowany. Tu również kluczową rolę odgrywa falownik do fotowoltaiki. Nadwyżki produkcji wysyłane są do Operatora Systemu Dystrybucyjnego, i to niezależnie czy rozliczamy się w systemie net-billingu, czy w net-meteringu. Jeśli nasza instalacja została dodatkowo wyposażona w akumulatory, falownik (hybrydowy) przekazuje nadmiar produkcji właśnie do nich.

Falownik solarny również informuje użytkownika mikroinstalacji PV o ilości wytworzonego prądu. Można do tego celu wykorzystać wyświetlacz (jeśli taki jest wbudowany) lub specjalną, dedykowaną aplikację. Regularne sprawdzanie uzysków pozwala na bieżąco badać sprawność całego układu.

Wreszcie ostatnia funkcja, czyli kontrola bezpieczeństwa. Awarie sieci były, są i pewnie jeszcze długo będą. Aby dokonać ich napraw, pracownicy zakładu energetycznego muszą mieć swobodny dostęp do urządzeń sieci przesyłowej. By nie narażać ich życia, falownik uruchamia wyłącznik antywyspowy i odcina przepływ prądu do sieci. Inwerter wyłączy się także, gdy temperatura urządzenia zbliża się do górnej lub dolnej temperatury dopuszczalnej oraz w momencie odnotowania zbyt wysokiego napięcia w sieci.

Jakie falowniki do fotowoltaiki?

Na rynku dostępnych jest kilka typów falowników. Najpopularniejszy podział dotyczy sposobu łączenia z siecią. Tu wyróżniamy:

• Falowniki fotowoltaiczne on-grid – najpopularniejsze, umożliwiające przesyłanie prądu do sieci.
• Falowniki fotowoltaiczne off-grid – to urządzenia, które nie nawiązują połączenia z siecią dystrybucyjną. Nie mogą więc ani oddać nadwyżek, ani pobrać prądu. Z tego powodu są wykorzystywane wyłącznie w relacji z magazynami energii.
• Falowniki fotowoltaiczne hybrydowe – ten typ inwerterów łączy zalety wymienionych powyżej. Mogą one pobierać i oddawać prąd z sieci, a jednocześnie współpracują z akumulatorami.

Z punktu widzenia niniejszego artykułu kluczowy jest inny podział, związany z ilością faz. W tej kategorii mieszczą się falowniki jednofazowe i falowniki trójfazowe.

Kiedy użyć falownik jednofazowy?

Zacznijmy od podstaw prawnych. Przepisy zawarte w instrukcji o Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnych wymagają, aby prąd generowany przez fotowoltaikę i oddawany do sieci dystrybucyjnej cechował się odpowiednimi warunkami jakościowymi. Dodatkowo parametry falownika muszą być zgodne z obowiązującą normą prawną PN-EN 50549-1/-2: 2019. Co to oznacza w praktyce?

• Dla instalacji o mocy do 3 kWp zazwyczaj wykorzystuje się falowniki jednofazowe. Jest to rozwiązanie ekonomiczne i cechuje się optymalną sprawnością.
• Dla instalacji o mocy powyżej 3,68 kWp zawsze używa się falowniki 3-fazowe.
• Dla instalacji pośrednich (między 3 kWp a 3,68 kWp) istnieje realny wybór między falownikiem jednofazowym i trójfazowym.

Falownik 1-fazowy vs falownik 3-fazowy – miejsce przesyłania energii

Zdecydowana większość obiektów w Polsce została wyposażona w instalację trójfazową. Jest ona bardziej wszechstronna, daje dodatkowe możliwości mieszkańcom, zabezpiecza też zasilanie urządzeń na wypadek prostych awarii. Naturalne, że pod tak opisany system można podpiąć falowniki 3-fazowe. Co jednak z inwerterami jednofazowymi? Tu wbrew pozorom także istnieje pewna dowolność, a przynajmniej w zakresie opisanych powyżej mocy. Główną różnicą pomiędzy urządzeniami jedno- i trójfazowymi jest miejsce przesyłu energii. Falownik jednofazowy dostarcza ją tylko na jedną, wybraną fazę, z kolei inwerter trójfazowy zasila wszystkie fazy symetrycznie.

Falownik 1-fazowy vs falownik 3-fazowy – który wybrać?

Który falownik fotowoltaiczny wybrać dla instalacji o mocy między 3 kWp a 3,68 kWp? Odpowiedź nie jest prosta. Z pewnością tańszym rozwiązaniem będzie użycie urządzenia obsługującego tylko jedną fazę. Może się nawet okazać, że będzie ono przynosić większe efekty na etapie eksploatacji. Stanie się tak, gdy inwerter podłączymy do najstabilniejszej i optymalnie obciążonej fazy. Jej wyróżnienie nie jest jednak w praktyce łatwe. Istnieje też szansa, że wszystkie fazy są obciążone równomiernie. W tej sytuacji zdecydowanie lepszym pomysłem jest montaż falownika trójfazowego. Rozważmy to na konkretnym przykładzie.

Falownik 1-fazowy vs falownik 3-fazowy – przykład

Planujemy montaż instalacji fotowoltaicznej o mocy 3,15 kWp. Dla uproszczenia załóżmy, że w naszym modelu produkcja w danym momencie równa się 3150 W, zaś pobór na każdej z faz jest równomierny (1005 W). W przypadku falownika 3-fazowego ilość energii rozdzielana jest symetrycznie. Produkcja jest zatem na bieżąco konsumowana. Instalacja działa optymalnie.

Użycie urządzenia jednofazowego spowoduje, że na wybranej fazie poziom autokonsumpcji wynosi 100%, z kolei niewykorzystana nadwyżka zostaje przekazana na sieci. W tym modelowym przykładzie lepszym wyborem byłby zatem falownik trójfazowy.

W praktyce tego typu klarowna sytuacja raczej się nie zdarzy. Przeciętny poziom autokonsumpcji gospodarstw domowych zazwyczaj wynosi około 30%. Do tego dochodzą też inne czynniki niepewności: wyższe napięcie startowe w falownikach trójfazowych czy ewentualne awarie sieci.

Falowniki trójfazowe czy jednofazowe – nasza rada

Jeśli montujemy instalację fotowoltaiczną o mocy od 3 kWp do 3,68 kWp i jesteśmy w stanie jednoznacznie wskazać fazę najbardziej dociążoną, zalecamy zakup falownika jednofazowego. Taka konfiguracja zapewni nam optymalną sprawność i będzie tańsza. Inwerter fotowoltaiczny trójfazowy wzmacnia stabilność lokalnej sieci przesyłowej, co w praktyce oznacza minimalizację ryzyka wahań napięcia i możliwość zastosowania węższych przekrojów przewodów. Warto go zastosować tam, gdzie układ zasilania faz jest równomierny.

Przy wyborze urządzenia należy też patrzeć w przyszłość. Potrzeby energetyczne zmieniają się w czasie. Jeśli po roku zdecydujemy się na dołożenie dwóch modułów do naszej instalacji (łączna moc zestawu będzie wtedy wyższa niż 3,68 kWp), nie będzie możliwości zastosowania falownika 1-fazowego. W tym wypadku inwerter fotowoltaiczny trójfazowy jest rozwiązaniem bardziej uniwersalnym.

Wydaje mi się, że to nie jest prawda. Jest bilansowanie międzyfazowe dla falowników 1F i takie straty nie występują.

W ustawie OZE nie objęto bilansowaniem międzyfazowym instalacji jednofazowych. Temat starałem się maksymalnie uprościć w opisie. Zmieniłem tak, aby pominąć wartości liczbowe w tym zdaniu.