Jak działa falownik? Zasada działania i budowa falownika

Falownik jest kluczowym elementem instalacji fotowoltaicznej, który pozwala na skuteczne wykorzystanie wytworzonej energii. Jednak, aby zrozumieć, jak działa falownik i dlaczego jest przydatny, należy również poznać jego budowę. Dzięki temu poznamy mechanizm, umożliwiający wyprodukowanie energii przez fotowoltaikę.  O tym, jaka jest budowa falownika, a także, w jaki sposób wytwarza on i przekształca prąd, przeczytasz w poniższym artykule!

Wewnętrzna budowa falownika

W instalacji fotowoltaicznej falownik jest niezwykle ważnym komponentem, jako że zamienia on wytworzony przez panele fotowoltaiczne prąd stały na regulowany prąd przemienny. 

Najważniejszym elementem każdego falownika jest tak zwany mostek kluczy – układ mostkowy tranzystorowy. Jest on odpowiedzialny za zmianę prądu stałego na prąd przemienny z określoną częstotliwością oraz napięciem. Widzimy więc, że budowa falownika nie byłaby porządna, gdyby nie juego główny podzespół. Inwerter posiada również układ wejściowy oraz wyjściowy.

Dowiedz się również, ile kosztuje instalacja fotowoltaiczna, z czego się składa, a także jaka jest budowa ogniwa fotowoltaicznego. 

Układ wejściowy

Nowoczesne falowniki wyposażone są w układy śledzenia MPPT (Maximum Power Point Tracking). Dzięki nim jesteśmy w stanie wykorzystywać nawet o 20% więcej energii niż przy użyciu starszych falowników bez układu MPPT. Czym jest MPP (Maximum Power Point)? Jest to maksymalny punkt mocy, który zmienia się w zależności od nasłonecznienia i temperatury. Poprzez układ śledzenia MPPT falownik dostosowuje się do nowych wartości prądu stałego i możliwe jest przetworzenie większej energii. Dodatkowo układ wejściowy falownika wyposażony jest często w bezpieczniki, ograniczniki przepięć i rozłączniki.

Układ wyjściowy

Odpowiedzialny jest za dostarczenie prądu, który charakteryzuje się stabilnością i wysoką jakością. W skład układu wyjściowego wchodzą głównie dławiki, które są filtrem przeciwzakłóceniowym. Dławik zapobiega nagłym zmianom natężenia, przy czym może służyć  ograniczeniu prądu przemiennego bez straty mocy. Element ten zabezpiecza więc kable oraz urządzenia zasilane przez wytworzony prąd.

Falownik – zasada działania a jego rodzaje

O tym, jak działa falownik, decyduje rodzaj zastosowanego sprzętu. Ze względu na sposób pracy (instalacja off-grid i on-grid) wyróżnia się trzy podstawowe grupy falowników.

Falowniki do instalacji off-grid

Pracują niezależnie od sieci energetycznej. Budowa falownika do tego typu instalacji, została specjalnie dostosowana do współpracy z baterią akumulatorów w instalacjach wyspowych (niepodłączonych do zewnętrznej sieci energetycznej).

Inwerter on-grid

Jak działa falownik on-grid? System jego pracy uzależniony od sieci energetycznej. Oznacza to, że dostosowuje on do niej swoją pracę, a więc jeżeli napięcie w sieci zewnętrznej zaniknie, automatycznie dochodzi do wyłączenia falownika. Budowa falownika sieciowego nie pozwala na działanie z akumulatorami.

Falowniki hybrydowe

Są zarówno najdroższym, jak i najbardziej wydajnym rozwiązaniem. Konstrukcja falowników hybrydowych jest przystosowana do pracy w instalacjach on-grid i off-grid. Bardziej skomplikowane wersje falowników tego rodzaju posiadają wbudowane baterie akumulatorów. W ten sposób, poza główną funkcją zmiany prądu stałego na przemienny, falowniki hybrydowe mogą magazynować wytwarzaną energię. 

Budowa falownika hybrydowego sprawia, że idealnie nada się do pracy w każdych warunkach. Jeżeli instalacja fotowoltaiczna wygenerowała ilość energii, na którą nie ma chwilowo zapotrzebowania, jej nadmiar zostaje zbierany w akumulatorach. Natomiast jeżeli nasza instalacja nie pokrywa w całości zapotrzebowania na prąd, potrzebna energia pobierana jest właśnie z tych akumulatorów. Dodatkowo istnieje możliwość pobierania energii z sieci (przy bardzo dużym zapotrzebowaniu na prąd).

Jak działa falownik? Podział ze względu na transformator

Na rynku dostępne są falowniki transformatorowe i beztransformatorowe. Niżej przyglądamy się, jakie są cechy charakterystyczne wskazanych urządzeń.

Falowniki beztransformatorowe

Ten typ inwerterów charakteryzuje się znacznie lżejszą konstrukcją oraz większą sprawnością w szerokim zakresie obciążenia. Falowniki tego rodzaju posiadają jednak mniejszy stopień bezpieczeństwa ze względu na brak izolacji galwanicznej stron DC i AC (DC – prąd stały, AC – prąd przemienny). 

Inwertery beztransformatorowe są znacznie bardziej skomplikowane pod względem konstrukcji niż falowniki transformatorowe. Z tego względu inwertery, które nie są wyposażone w transformator, stają się narażone na możliwość częstszych awarii (im więcej elementów, tym więcej potencjalnych przyczyn awarii).

Falowniki transformatorowe

Ze względu na użycie transformatora, inwertery tego rodzaju charakteryzują się przede wszystkim niższą awaryjnością i większym bezpieczeństwem pracy ze względu na izolację galwaniczną. Transformator zapewnia również wyższą jakość generowanego napięcia. Zauważyć należy, że przy użyciu falowników transformatorowych eliminujemy możliwość wystąpienia efektu PID (degradacja indukowanym napięciem).

Jak działa falownik? Liczba faz

Wybierając odpowiedni falownik, do naszej instalacji fotowoltaicznej, musimy sprawdzić, jaką moc może ona wytwarzać. Przy małych instalacjach (kilkuwatowych) wykorzystuje się falowniki jednofazowe, które są podłączane do sieci trzema przewodami – L, N oraz PE. Przy większych mocach stosuje się inwertery trójfazowe z pięcioma przewodami – L1, L2, L3, N i PE. Dzięki wykorzystaniu trójfazowych falowników znacznie zwiększamy stabilność lokalnej sieci. 

Falowniki – zasada działania a wielkość instalacji

Oprócz wskazania, jak działa falownik, istotne znaczenie odgrywa również wielkość samej instalacji. Na jej podstawie można wyróżnić następujące typy falowników.

Mikroinwertery

Ten typ falowników pracuje wyłącznie z jednym modułem fotowoltaicznym. Dzięki zastosowaniu mikroinwerterów zwiększamy zyski mocy wytworzone przez pojedyncze panele. Pamiętajmy, że falowniki tego typu nie zastępują falownika stringowego i spełniają funkcję pomocniczą w instalacjach fotowoltaicznych.

Falowniki szeregowe/stringowe

Tego rodzaju falowniki są przeważnie wykorzystywane w małych instalacjach fotowoltaicznych. Mogą być odpowiedzialne za wszystkie panele, lub w przypadku większych instalacjach – obsługiwać ich część (string).

Inwertery centralne

Tego typu falowniki znajdują zastosowanie na dużych farmach fotowoltaicznych. Wszystkie panele łączone są szeregowo w stringi, które podłącza się następnie równolegle do centralnego falownika. Należy jednak zauważyć, że ten typ inwerterów stosuje się dosyć rzadko. Jest to spowodowane mniejszą niezawodnością oraz większą trudnością z serwisowaniem. 

W bardzo dużych instalacjach fotowoltaicznych stosuje się najczęściej kilkadziesiąt lub kilkaset falowników szeregowych. Pomimo większych kosztów, w ten sposób zarządzanie całą instalacją staje się bardziej wydajne i łatwiejsze. Fotowoltaika dla firm i większe instalacje tam stosowane również znajdują zastosowanie inwerterów centralnych.

Jak działa falownik? Podsumowanie

Fotowoltaika nie byłaby sprawna i wydajna, gdyby nie jeden z kluczowych elementów jej budowy, jakim jest falownik – zasada działania sprzętu dostosowywana jest do wymagań sieci lub urządzeń. W ten sposób można efektywnie wykorzystywać energię elektryczną w gospodarstwach domowych lub sprzedawać ją do sieci, jeśli zostanie wytworzona w nadmiarze. Właśnie w ten sposób właściciele domów, czy firm, mogą przyczyniać się do zrównoważonej produkcji energii elektrycznej, wspierając przy tym sektor OZE w naszym kraju. 

Dobór odpowiedniego inwertera najlepiej powierzyć specjalistom, którzy wybiorą taki falownik, który będzie najbardziej wydajny w danej instalacji fotowoltaicznej. Audyt fotowoltaiczny wliczony w cenę usług Sunergo, pozwala na wybranie najodpowiedniejszych elementów instalacji. W pierwszym nasza firma zapewnia bezpłatną wycenę instalacji oraz określenie najodpowiedniejszej mocy – służy temu kalkulator fotowoltaiczny dostępny na naszej stronie.