Co to jest optymalizator mocy?

Optymalizatory mocy to urządzenia elektroniczne montowane przy modułach fotowoltaicznych lub w puszkach połączeniowych modułów, których zadaniem jest wymuszanie pracy w punkcie mocy maksymalnej na poziomie pojedynczego modułu.

Moduły ze zintegrowanymi optymalizatorami mocy nazywane są modułami smart.

Zastosowanie optymalizatorów mocy pozwala osiągnąć wyższe uzyski energii z instalacji – od kilku do nawet kilkudziesięciu procent. Szczególnie duże korzyści z zastosowania tego typu urządzeń pojawiają się w przypadku niedopasowania prądowo- napięciowego na modułach PV.

Takie niedopasowanie pojawia się nie tylko w przypadku zacienienia ogniw. Może się pojawić z uwagi na:
• Tolerancję parametrów prądowo-napięciowych stosowaną przez producentów.
• Nierównomierne starzenie się poszczególnych ogniw w modułach PV.
• Punktowe zabrudzenia ogniw.
• Nierównomierne nagrzewanie się modułów i ogniw w module.
• Refleksy świetlne, załamanie promieni słonecznych na krawędzi chmury.
• Uszkodzenie diod obejściowych lub ogniw w module PV.

Zasada działania optymalizatora mocy

Działanie optymalizatorów mocy polega na szukaniu punktu mocy maksymalnej na poziomie pojedynczego modułu PV, choć w szczegółach u różnych producentów różnie się to odbywa. Co do idei, optymalizator mocy ma za zadanie obciążyć moduł PV w sposób optymalny – czyli taki, który w danych warunkach oświetlenia zapewni na wyjściu największą możliwą moc, niezależnie od tego, jaki prąd i napięcie generują pozostałe moduły w szeregu.

Porównanie pracy klasycznego systemu oraz systemu z optymalizatorami mocy
(Źródło: „Instalacje fotowoltaiczne” B.Szymański 2017)

Jeżeli na module fotowoltaicznym pojawi się cień, zmniejszy się prąd, jaki dany moduł PV będzie mógł generować. Jeżeli moduł ten jest połączony w szeregu z innymi modułami, spadek prądu na zacienionym module może przełożyć się na spadek prądu na całym szeregu modułów lub zostanie on „odcięty” przez diody obejściowe.

Optymalizator mocy – przykład działania

Aby zrozumieć zalety instalacji opartej o moduły smart, przeanalizujmy wydajność systemu złożonego z 10 modułów PV 260 Wp, z których jeden jest zacieniony w ok. 15%. Wszystkie moduły są połączone w jeden łańcuch PV. Każdy z niezacienionych modułów ma charakterystykę prądowo-napięciową taką, jak przedstawiona na rysunku A. Z kolei zacieniony moduł ma charakterystykę prądowo-napięciową taką, jak przedstawiona na rysunku B.

W przypadku klasycznego systemu, jeżeli falownik przyjmie paramenty pracy na poziomie prądu 7,26 A, to osiągnie napięcie 306 V, lecz mocniejsze moduły PV dostosują swój prąd do modułu słabszego. W takim układzie wszystkie moduły będą pracowały z mocą ok. 222 W każdy, a cały system będzie miał moc ok. 2 220 W, czyli ok. 14,5% mniej niż moc nominalna. Jeżeli falownik MPPt przesunie punkt mocy maksymalnej w kierunku niższego napięcia – ok. 274 V i wyższego prądu ok. 8,53 A – który można uzyskać z niezacienionych modułów, diody obejściowe „odetną” zacieniony moduł, z którego uzyskana moc będzie równa 0. Z kolei niezacienione moduły będą mogły pracować z mocą nominalną 260 W, a cały system będzie miał moc ok. 2 340 W, czyli ok. 10% mniej niż moc nominalna. W przypadku wykorzystania modułów smart z optymalizatorami mocy, każdy z modułów będzie mógł pracować z mocą optymalną do danych warunków.
Zacieniony moduł będzie generował 222 W, nie obciążając modułów niezacienionych, które będą w stanie generować 260 W. W konsekwencji cały system będzie w stanie wygenerować 2 562 W, czyli ok. 1,5% mniej niż moc nominalna.

Artykuł stanowi fragment książki „Instalacje Fotowoltaiczne”, Bogdana Szymańskiego, Wydawca GLOBENERGIA Sp. z o.o., Kraków, 2017.

Bogdan Szymański

Prezes SBF Polska PV, Redaktor GLOBEnergia, Bloger