Střídač pro fotovoltaickou elektrárnu. Jakou technologii zvolíte?
Vedle fotovoltaických panelů, o nichž bylo již napsáno dost, jsou druhou hlavní součástí fotovoltaických elektráren střídače, jejichž stručnému přehledu jsou věnovány následující odstavce.
Střešní fotovoltaické elektrárny se v české kotlině těší stále velké oblibě. Fototvoltaika znamená úspory na účtech za elektřinu a zájem domácností a podniků o vlastní výrobu elektřiny dokládá i loňský instalovaný výkon, který podle informací Energetického regulačního úřadu (ERÚ) přesáhl 113 MW. Vzhledem k vývoji legislativy by ovšem rok 2013 mohl být tím posledním, kdy bude fotovoltaika podporována výkupními cenami. Proto je nutné věnovat zvýšenou pozornost výběru technologie, nižší výkupní ceny může kompenzovat vyšší výroba. Vedle fotovoltaických panelů, o nichž bylo již napsáno dost, jsou druhou hlavní součástí fotovoltaických elektráren střídače, jejichž stručnému přehledu jsou věnovány následující odstavce.
Klasické střídače
Hlavním parametrem každého střídače z hlediska využití energie je jeho účinnost. Tím je myšleno, kolik energie ze stejnosměrného vstupu se dostane na střídavý výstup. Účinnost závisí zejména na aktuálním příkonu, tedy na klimatických podmínkách, proto je kromě maximální účinnosti udávána tzv. evropská účinnost, což je vážený průměr účinnosti v definovaných výkonových úrovních (podrobněji v článku Fotovoltaický střídač – účinnost není vše).
Evropská účinnost se počítá podle vzorce:
Druhým důležitým parametrem je účinnost sledování bodu maximálního výkonu (MPPT – maximum power point tracker), který udává, nakolik se střídači daří sledovat optimální pracovní bod připojených panelů. Ostatní parametry jsou z hlediska využití energie vyrobené fotovoltaickými panely méně významné.
Tak jako pevné telefonní linky nahradily mobilní telefony, jsou i klasické střídače postupně nahrazovány novými technologiemi, zvláště na nových trzích. Tradiční FV střídače jsou sice stále ve světě nejrozšířenější, jsou kvalitní, mají obvykle dobrou technickou podporu a stojí za nimi silné firmy, mají však i některé nevýhody. Především „okrádají“ majitele o vyrobenou energii, protože se nedokáží vyrovnat s některými problémy.
Příčiny sníženého výkonu
Velkou slabinou je centrální sledování maximálního bodu výkonu (MPPT) celého řetězce panelů, což vede ke snížení výnosu energie. Proč? Slabší panely totiž omezují výkon těch výkonově silnějších. Zjednodušeně řečeno, u sériově propojených panelů se vždy vyskytuje menší či větší nesoulad mezi jednotlivými panely a tradiční střídač na něj neumí zareagovat buď vůbec anebo reaguje pomalu. Výsledkem jsou ztráty energie a v konečném důsledku i financí. Jaké jsou jsou hlavní příčiny?
![Příklad distribuce IMPP (proud v bodě maximálního výkonu) u tří různých výrobních sérií fotovoltaických panelů [Perotti]](/docu/clanky/0095/009555o3.png)
Příklad distribuce IMPP (proud v bodě maximálního výkonu) u tří různých výrobních sérií fotovoltaických panelů [Perotti]
Klasický střídač – díky centrálnímu sledování MPP stín ovlivňuje nejen výkon jednoho panelu, ale celého řetězce (stringu). V daném případě se jedná o snížení výkonu o cca 30 % u 10 panelů.
![Experimentální ověření vlivu znečištění na propustnost světla u skla [Solartec]](/docu/clanky/0095/009555o7.png)
Experimentální ověření vlivu znečištění na propustnost světla u skla [Solartec]
Infračervený snímek fotovoltaické elektrárny na střeše budovy:
(i) vadný string (řetězec článků na panelu) a přehřívající se by-pass dioda u panelu 4.14,
(ii) vadné články v panelech 1.12, 2.11, 2,15 a 6,15 [ZAE]
za povšimnutí stojí, že teploty panelů v levé části snímku jsou nižší, než v pravé
- Nesoulad panelů – už od výroby se výkony jednotlivých panelů liší, výkonová tolerance panelů bývá poměrně úzká (obvykle ±3 %, ale i −0/+3 %), přičemž nejslabší panel ovlivňuje výkon celého stringu (řetězce panelů v sérii). Kromě toho každý panel i za standardních testovacích podmínek dodává maximální výkon při jiné hodnotě proudu a napětí. U velkých fotovoltaických elektráren se proto například vyplatí spojovat do stringů panely roztříděné s užší tolerancí. Další, co ovlivňuje nesoulad panelů je rozdílná závislost výkonu na intenzitě záření a teplotě. Nesoulad výkonu jednotlivých panelů se kromě toho prohlubuje v čase, jak panely degradují (navíc různým tempem) a navíc se mohou projevit různé defekty vzniklé při výrobě, transportu, instalaci nebo samotném provozu (například trhliny a hot-spoty).
- Částečné zastínění – komín, sloup nebo dráty elektrického vedení, sousední panel případně postupující mraky, to jsou překážky, které způsobují částečné zastínění a rozdílný výstupní výkon panelů v řetězci. Ztráty jsou znásobeny bypass diodami v panelech, které mohou snížit výkon panelu o 30 % až 100 %. Částečné zastínění může znamenat pro majitele snížení ročního výnosu o 1,5 % až 25 %.
- Znečištění – nesoulad výkonu jednotlivých panelů ve stringu mohou způsobit rovněž různé formy nečistot, jako jsou například padající listy, ptačí výkaly, písek, pyl, prach nebo sníh. Tyto faktory nepůsobí nikdy na všechny panely stejně, přičemž jejich vliv je v čase proměnlivý. Mytím panelů lze vliv znečištění omezit, nelze jej však odstranit úplně.
- Teplotní rozdíly – nesoulad působí rovněž rozdílná teplota na různých místech instalace, při vyšší teplotě se výkon panelu snižuje. Například na provětrávané fotovoltaické fasádě je teplota horních panelů vyšší, než u panelů v dolních řadách.
- Rychle se měnící klimatické podmínky a osvit – centrální sledování maximálního bodu výkonu (MPP) trpí statickými (nalezení lokálního maxima namísto maxima globálního) a dynamickými (pomalá reakce na změnu podmínek) ztrátami. Tradiční střídače nedokážou reagovat na měnící se podmínky osvitu dostatečně rychle. Pro majitele tradičního systému to může představovat ztrátu 3 % až 10 %.
Klasické systémy/střídače mají nevýhody i při projektování, údržbě a z hlediska bezpečnosti:
Fáma z Německa (Schwerinsdorf).
Média: „Jediné, co jsme mohli dělat, bylo počkat, než všechny panely shoří“.
Skutečnost: hasiči nejdříve vnikli do stavby, ale protože hrozilo zřícení dřevěné nosné konstrukce, stavbu opustili (podle zprávy o hasebním zásahu).
- Nevyužitá střecha – projektant s klasickým střídačem je velmi omezen a musí respektovat jednotný typ a počet panelů ve stringu, nemůže jednoduše využít celý potenciál střechy. Musí dávat pozor na zdroje stínu a panely s různou orientací nebo sklonem může použít jen v případě, že investor akceptuje snížený výnos energie. Použití více MPP sledovačů (trackerů) pro jednotlivé stringy je pak spíše marketingový trik, který v praxi moc praktický není.
- Výměna panelů – při výměně panelu musí např. investor použít panel, který je parametrově shodný s původními panely. To je relativně snadné v prvních letech po instalaci, ale později se může jednat o vážný problém. V opačném případě bude opět ovlivněn výkon celého stringu. Nalézt vadný panel je však bez speciálního vybavení (termokamera) obtížné. Často majitel ani neví, že mu výkonově slabý panel omezuje výkon celé FVE.
- Hasiči – zvěsti o velkém počtu případů, kdy údajně hasiči v Německu nebo České republice odmítli hasit fotovoltaické panely, jsou sice mediální fámy, pravdou však je, že fotovoltaika představuje v případě požáru zvýšené riziko, protože se jedná o zařízení pod napětím až 1000 V (na rodinných domech obvykle do 600 V), které ve většině případů nelze vypnout. Zasahuje se proto jako u zařízení pod napětím, což možnosti hasičů omezuje [Hasiči].
Mezi zástupce výrobců klasických řešení patří např. SMA, Fronius, Power One, Refusol, Kaco a další. Většina z nich má přímé nebo zprostředkované zastoupení v ČR, někteří už ale vypadli z portfolia velkých solárních distributorů.
Mikrostřídače (mikroinvertory)
Enphase M215 Micro-Inverter
Mikrostřídače jsou samostatné malé jednotky určené ke konverzi stejnosměrného proudu na proud střídavý (DC/AC), které jsou umístěny často přímo na panelech. Odbourávají celou řadu nedostatků klasických systémů. Umožňují využít plně potenciál střechy, nedělá jim problém ani počet, typ nebo orientace panelů ve stringu. Jsou také bezpečné z pohledu údržby a při požárním zásahu, protože umožňují odpojit panely.
Na druhou stranu jejich cena je obvykle vyšší, přičemž mají kratší životnost, protože pracují při vyšších teplotách. Obsahují větší počet součástek a často používají elektrolytické kondenzátory, obojí v důsledku znamená nižší spolehlivost. Nevýhodou je poměrně úzké spektrum panelů, s nimiž jsou kompatibilní (60článkové). Celková účinnost je ve srovnání s výše uvedenou skupinou střídačů nižší a rozsah vstupního napětí, v němž střídač pracuje efektivně (MPP range) je omezený. V Evropě pak tato skupina střídačů naráží na legislativu, protože nevyhovují nízkonapěťovým normám platným v současnosti např. v Německu a Itálii (počet států se rozšiřuje).
Typickým zástupcem je např. Enphase.
Střídač + výkonové optimizéry
Solaredge výkonový optimizér
Typologii střídačů uzavírá jakýsi hybrid, tedy střídač pro celý řetězec panelů spolu s výkonovými optimizéry u jednotlivých panelů. Někdy se o nich hovoří jako o nové fotovoltaice a jejich prodeje rostou rychlým tempem. Princip je jednoduchý. Výkonový optimizér je malé zařízení (DC/DC měnič), které se připevňují buď na panel (add-on) anebo může být do panelu již přímo integrován místo klasického připojovacího boxu (embedded; např. optimizéry SolarEdge integruje do svých panelů např. německý Solon a další světoví výrobci jsou ve fázi certifikace). Takový optimizér se potom stará o svůj panel (případně několik panelů) a střídač plní jen funkci konverze stejnosměrného proudu na střídavý (DC/AC). Protože střídač pracuje za optimálních podmínek (stálé napětí), dosahuje maximální účinnosti i při nízkých úrovních slunečního záření, kdy účinnost klasických střídačů klesá. Výhody jsou zřejmé:
- Až o 25 % více získané energie. Nesoulad panelů je eliminován: každý panel pracuje při optimálním proudu a napětí nezávisle na ostatních panelech fotovoltaického systému (MPP je sledován u každého panelu zvlášť).
- Monitorování na úrovni panelů. V monitoringu systému je možné sledovat výkon jednotlivých panelů (nemožné u klasických střídačů) a ihned odhalit vadný, zastíněný nebo jinak ovlivněný panel. V případě tradičních systémů/střídačů nemá majitel FVE příliš možností vadný panel odhalit anebo je to zdlouhavé a nákladné.
Monitorování výkonů jednotlivých panelů, charakteristika zastíněných panelů. Solaredge výkonové optimizéry důsledky zastínění eliminují. - Plné využití střechy – napětí ve stringu je stálé a projektant může využít delší stringy, v nichž mohou být dokonce zapojeny různé typy panelů. Fotovoltaickou elektrárnu je proto možné snadno rozšířit například při výměně střídače. Stringy nemusí být stejně dlouhé a panely mohou mít různý sklon a orientaci. Komín nebo sloup elektrického vedení už ovlivní pouze výkon zastíněného panelu a nikoli celého řetězce.
- Bezpečí pro údržbu a požární zásah. Funkce SafeDC „vypne panely“ při nečinnosti střídače, výpadku sítě anebo při zvýšené teplotě. Hasiči potom mohou použít standardní hasební prostředky bez nebezpečí úrazu elektrickým proudem.
Nevýhodou systému je o něco vyšší cena, která je ale více než kompenzována vyšším energetickým výnosem a také dlouhodobými zárukami (střídače standardně 12 let, optimizéry 25 let). Výkonovými optimizéry a monitoringem na úrovni panelů mohou být teoreticky vybaveny i stávající systémy s konvenčními střídači všech výrobců.
Mezi firmy nabízející střídač s výkonovými optimizéry u panelů lze kromě SolarEdge zařadit např. SolarMagic nebo Tigo. Zakladatelem odvětví a největší firmou v oboru je ovšem zmiňovaná SolarEdge (70% tržní podíl). Tato firma také získala hlavní ocenění za inovaci na mezinárodním solárním veletrhu Intersolar 2012.
Reference
- [Czech RE Agency] Fotovoltaický střídač – účinnost není vše. Důležitější je maximální výnos energie. Dostupné: http://oze.tzb-info.cz/fotovoltaika/5571-fotovoltaicky-stridac-ucinnost-neni-vse
- [Hasiči1] Bojový řád jednotek požární ochrany – taktické postupy zásahu. Požáry střešních konstrukcí s fotovoltaickým systémem. Ministerstvo vnitra – generální ředitelství Hasičského záchranného sboru České republiky. Dostupné: ML_47-P.pdf
- [Hasiči2] Bojový řád jednotek požární ochrany – taktické postupy zásahu. Požáry fotovoltaických elektráren. Ministerstvo vnitra – generální ředitelství Hasičského záchranného sboru České republiky. Dostupné: ML_48-P.pdf
- [Perotti] PEROTTI, Paolo, FIN Roberto, GRAZIA Gabriele. Monitoring and Evaluation of Economic Impact in the Reduction of Mismatching in a PV Facility Located in North Italy. In: 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition. Hamburg, Germany 2010.
- [Solartec] Vliv znečištění na výkon. Dostupné: http://test.solartec.cz/cs/vyzkum/vliv-znecisteni.html
- [ZAE] Quality Management of Photovoltaic Systems with Infrared Measurement Technique. Dostupné: http://www.zae-bayern.de/en/hauptforschungsthemen/photovoltaik/projekte/qualitaetssicherung-von-photovoltaiknnlagen.html
Besides the photovoltaic panels, which were already described enough, there are the second major components of photovoltaic plants - inverters. The main parameter for each inverter in terms of energy use is its efficiency. It means how much power from a DC input AC output gets.