• Sustainable Energy Solutions

Czy optymalizacja mocy w instalacji fotowoltaicznej ma sens? – Część 1.

Dynamiczny rozwój technologii bardzo często powoduje namnożenie dylematów, z którymi trzeba się zmierzyć na etapie podejmowania decyzji o ich wdrożeniu. Nie inaczej jest w przypadku branży fotowoltaicznej. Ciągła jej ekspansja stymuluje producentów komponentów do wprowadzania na rynek coraz to nowszych rozwiązań odpowiadających na wzrastające wymagania odbiorców. Nie zawsze jednak dobór właściwej technologii jest w pełni świadomy i uzasadniony ekonomicznie.

W uproszczeniu odpowiedź na tytułowe pytanie brzmi TAK. Sedno sprawy jak zawsze zawarte jest jednak w szczegółach. Niniejszy artykuł stanowi jedynie wstęp do tematu optymalizacji mocy w instalacjach fotowoltaicznych, nie mniej jest też początkiem serii opracowań w tym obszarze.


Sposoby optymalizacji mocy

W celu dokładnego przedstawienia odpowiedzi na postawione pytanie, warto rozpocząć od skatalogowania systemów fotowoltaicznych ze względu na sposób dopasowania parametrów pracy poszczególnych modułów wchodzących w skład instalacji. W ramach tego kryterium systemy fotowoltaiczne można podzielić na trzy rodzaje:

  • z optymalizacją mocy na poziomie szeregu modułów,

  • z optymalizacją mocy na poziomie pojedynczego modułu,

  • z hybrydową optymalizacją mocy.


Punkt mocy maksymalnej

Niezależnie od zastosowanego sposobu optymalizacji parametrów pracy modułów fotowoltaicznych cel jej stosowania jest wspólny – maksymalizacja uzysków energetycznych. Odbywa się ona poprzez poszukiwanie punktu pracy na charakterystyce prądowo-napięciowej modułów, w którym generowana moc będzie najwyższa. Punkt ten zmienia swoje położenie w zależności od warunków nasłonecznienia oraz temperatury w jakich pracuje moduł.

Przykładowa charakterystyka prądowo-napięciowa modułu fotowoltaicznego przedstawiona została na rysunku 1. Na jej podstawie wygenerowana została charakterystyka mocowo-napięciowa, która w uproszczeniu jest wynikiem równania ze szkoły podstawowej na moc dla prądu stałego (1).

Gdzie:

– moc generowana przez moduł fotowoltaiczny [W] – natężenie prądu generowanego przez moduł fotowoltaiczny[A] – napięcie na zaciskach modułu fotowoltaicznego [V]


Zadaniem optymalizacji jest zatem ciągłe śledzenie punktu oznaczonego na charakterystyce jako , które jest realizowane przez zmienianie obciążenia stawianego przez przetwornik DC/DC. Można je interpretować jako stopniowe zwiększanie lub zmniejszanie wartości natężenia prądu odbieranego przez falownik.

Rysunek 1. Charakterystyka prądowo-napięciowa oraz mocowo-napięciowa modułu fotowoltaicznego


Rozdzielczość optymalizacji

Podstawową różnicą w zależności od zastosowanego systemu optymalizacji jest rozdzielczość z jaką rozpatrywane są parametry układu. W najprostszym układzie rozpatrywanie odbywa się z dokładnością do globalnych parametrów elektrycznych danego łańcucha modułów fotowoltaicznych. Standardowo moduły w łańcuchu połączone są szeregowo. Wówczas wartość napięcia, którą rozpatruje system śledzenia maksymalnego punktu pracy stanowi sumę napięć poszczególnych modułów. Warto zaznaczyć, że napięcia na poszczególnych modułach w szeregu mogą mieć dowolną wartość. Inaczej jest w przypadku natężenia prądu, którego wartość dla każdego modułu w szeregu musi być taka sama. Tym samym odpowiada ona globalnej wartości natężenia prądu w łańcuchu, która to wartość mierzona jest przez system śledzenia.

W przypadku występowania pojedynczego modułu w łańcuchu, dla którego warunki nasłonecznienia są gorsze dochodzi w nim do zmiany charakterystyki prądowo-napięciowej. Wiedząc, że natężenia prądu w całym łańcuchu są tożsame możemy jasno stwierdzić, że pozostałe moduły w szeregu będą zmuszone do wzajemnego dopasowania parametrów elektrycznych. Wówczas przesunięciu ulega również punkt pracy maksymalnej na wynikowej charakterystyce globalnych parametrów łańcucha, które to są rozpatrywane przez podstawowy system optymalizacji. Rolę takiego systemu odgrywa tak zwany Maximum Power Point Tracker (MPPT), który jest wbudowany w falownik.


Najgorsze ogniwo

Często popełnianym uproszczeniem przy szacowaniu strat mocy dla całego łańcucha jest sprowadzanie ich do stwierdzenia – „cały łańcuch pracuje tak jak najgorsze ogniwo”. Nie jest to jednak zawsze prawda. W kolejnej publikacji temat ten zostanie szczegółowo przeanalizowany z odniesieniem do podstawowych zależności fizycznych. Rozpatrzone zostaną dwie sytuacje wywołujące zmniejszenie wydajności zacienionych modułów. Uchylając rąbka tajemnicy można zaznaczyć, że największy wpływ na malejącą efektywność generatora ma poprawność działania diody bocznikującej. To ona w głównej mierze różnicuje odpowiedz na pytanie czy warto optymalizować moc na poziomie pojedynczych modułów. Zapraszamy do kolejnej części już za dwa tygodnie.

© 2020 by Sustainable Energy Solutions

biale_biale_1.png