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:

Uwy • Iwy = Uwe • Iwe • ηopt

gdzie:

• Uwy, Iwy – odpowiednio napięcie i prąd na wyjściu optymalizatora
• Uwe, Iwe – odpowiednio napięcie i prąd na wejściu optymalizatora
• ηopt – sprawność optymalizatora (maksymalna <99%, rzeczywista sprawność optymalizacji <97%)

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

Pmppt • (100% – ηopt ) = 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

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.