Pisząc o optymalizacji pracy modułów fotowoltaicznych natychmiast nasuwają się nam pewne skojarzenia i zapewne w pierwszym momencie nie będą one związane z firmą Huawei.
Huawei opracowując i tworząc swoje rozwiązanie, starał się przeanalizować zalety i wady rozwiązań już istniejących na rynku. Zaowocowało to powstaniem produktu, który wyróżnia się nowatorskim i innowacyjnym podejściem do problemu optymalizacji pracy modułów fotowoltaicznych.
Jednym z pierwszych wniosków, które nasunęły się inżynierom Huawei było to, że nie zawsze pojawia się konieczność optymalizowania pracy wszystkich modułów zastosowanych do budowy generatora. Wynikiem tej myśli było opracowanie systemu, który pozwala na budowę jednego z trzech przypadków instalacji:
-
Standardowa instalacja fotowoltaiczna bazująca na falowniku łańcuchowym, bez optymalizacji
-
Instalacja bazująca na tym samym falowniku, lecz z selektywną optymalizacją (czyli optymalizatory mocy znajdują się tylko pod modułami, dla których może wystąpić zjawisko np. zacienienia)
-
Instalacja wykorzystująca pełną optymalizację (każdy moduł wyposażony jest w optymalizator mocy, dzięki czemu system uzyskuje dodatkowe funkcjonalności)
Aby zrozumieć ideę optymalizacji mocy warto skupić się na podstawowych funkcjach optymalizatorów:
1. Optymalizacja mocy na poziomie modułu - w standardowej instalacji układ MPP falownika stara się znaleźć punkt będący punktem mocy maksymalnej dla całego łańcucha co nie zawsze skutkuje najbardziej optymalną pracą pozwalającą uzyskać największą dostępną w danych warunkach moc generatora; stosując optymalizatory mocy, urządzenia te wyszukują punkt mocy maksymalnej dla każdego modułu oddzielnie; dzięki tej funkcjonalności instalacja jest w stanie wygenerować większą moc.
2. Sprowadzenie napięcia łańcucha do poziomu napięcia bezpiecznego (Safe DC lub Rapid Shutdown) – zespół optymalizatorów w sytuacji zagrożenia lub w sytuacji stanu wymuszonego, sprowadza napięcie na swoich wyjściach do poziomu 0V, dając na wyjściu całego łańcucha również napięcie 0V, czyniąc to napięcie napięciem bezpiecznym dla użytkownika, instalatora lub osób prowadzących akcję gaśniczą lub ratunkową.
3. Indywidualny monitoring poszczególnych modułów – dzięki tej funkcjonalności widzimy produkcję każdego modułu, co pozwala szybciej wychwycić pewne nieprawidłowości lub uszkodzenia modułów w instalacji
4. Elastyczne planowanie – ta funkcjonalność sprowadza się do konkluzji, iż wykorzystując optymalizację pracy modułów fotowoltaicznych mamy możliwość łączenia w ramach jednego łańcucha modułów o różnych parametrach (różnych prądach), modułów zainstalowanych pod różnymi kątami i azymutami oraz modułów, które mogą być okresowo zacienione.
5. Długie łańcuchy – ostatnia z wymienionych funkcjonalności pozwala na zmianę kryterium projektowego; otóż limitem staje się moc łańcucha (np. dla falowników 3-fazowych jest to moc wynosząca 10kWp), a nie maksymalne napięcie generowane przez łańcuch w warunkach najniższej osiąganej w danej lokalizacji temperatury; dodatkową zaletą jest możliwość lepszego wykorzystania połaci dachu, szczególnie w przypadku dachów wielopołaciowych.
W standardowej instalacji fotowoltaicznej zacienienie fragmentu generatora będzie skutkować obniżeniem wartości prądu obwodu, a co za tym idzie redukcją generowanej mocy. Obrazuje to poniższy rysunek:
Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie optymalizatorów mocy dla modułów fotowoltaicznych, które mogą ulegać zacienieniu lub dla wszystkich modułów generatora:
Łatwo można zauważyć, że łączna moc generowana przez instalację jest większa w przypadku instalacji wykorzystującej optymalizatory mocy. Czym zatem jest optymalizator mocy? Otóż, optymalizator mocy jest formą impulsowej przetwornicy DC/DC, której zadaniem jest konwersja napięcia wejściowego na odpowiedni prąd wyjściowy.
W standardowej instalacji fotowoltaicznej (czyli takiej bez optymalizacji) parametrem krytycznym jest prąd łańcucha modułów. Mniejsza wartość prądu generowanego nawet przez jeden moduł, będzie skutkować mniejszym prądem całego łańcucha czyli finalnie mniejszą mocą. Inaczej mówiąc, w standardowej instalacji punkt pracy każdego modułu nie musi być jego punktem mocy maksymalnej. Zastosowanie optymalizatorów mocy w instalacji sprawia, że każdy moduł pracuje w swoim punkcie mocy maksymalnej, nie ograniczając pracy pozostałych modułów znajdujących się w łańcuchu.
Zasadniczą różnicą między optymalizatorem Huawei, a optymalizatorami innych producentów są tryby pracy. Optymalizatory konkurencji pracują praktycznie zawsze w trybie optymalizacji (najczęściej w trybie obniżania napięcia i podnoszenia prądu lub rzadziej, zarówno w trybie obniżania oraz podnoszenia napięcia). Optymalizatory Huawei pracują wykorzystując dwa niezależne tryby:
-
Tryb bocznikowania (bypass) - optymalizator w trybie bocznikowania pozwala na optymalizację pracy stringu na poziomie MPPT inwertera i nie zmienia napięcia ani prądu pracy modułu
-
Tryb obniżania napięcia (buck lub step-down) - optymalizator w trybie pracy, podnosi prąd wyjściowy do wartości optymalnego prądu łańcucha, aby osiągnąć punkt mocy maksymalnej
W trybie bocznikowania optymalizator posiada prawie 100% sprawności i jest dla instalacji zasadniczo przezroczysty, czyli nie zmienia prądu modułu, ani praktycznie nie zmienia jego napięcia. W przypadku większości instalacji, ten tryb pracy będzie dominującym trybem pracy. Ponieważ optymalizator nie przetwarza energii, wydłuża się jego żywotność i zmniejsza współczynnik awaryjności.
W trybie pracy (lub inaczej mówiąc – trybie obniżania napięcia), optymalizator ma sprawność niższą niż 100%, ale nadal wysoką, ponieważ wynoszącą około 99-99,5%. W tym trybie optymalizator będzie pracować zawsze w sytuacji zacienienia, dużego stopnia zabrudzenia, wysokiego niedopasowania termicznego oraz fabrycznego (występującego w przypadku niskiej jakości modułów).
Optymalizatory Huawei to nie tylko powyższe funkcjonalności i cechy. Dodatkową funkcjonalnością wyróżniającą rozwiązanie Huawei na tle konkurencji, jest możliwość wykrywania i przerywania łuku elektrycznego na poziomie modułu. Łuk elektryczny powstający w obwodzie prądu stałego, to bardzo niebezpieczne zjawisko. Temperatura w miejscu powstania łuku może sięgnąć nawet 3000°C i jeśli tylko dostarczana jest energia słoneczna do generatora, to łuk nie zostanie samoczynnie przerwany powodując ogromne zagrożenie pożarowe. Nowe serie falowników Huawei (L1/M0/M1/M2) posiadają wbudowane zabezpieczenie AFCI, zgodne z normą UL 1699B oraz IEC 63027. AFCI to układ wykorzystujący elementy sztucznej inteligencji, dokonujący analizy harmonicznych prądu stałego i pozwalający przerwać przepływ tego prądu jeśli w widmie (spektrum widma prądu wyładowania łukowego zbliżone jest do spektrum szumu białego, a jego energia koncentruje się wokół zakresu częstotliwości 10-100kHz) wykryte zostaną wzorce mogące wskazywać na powstanie łuku w obwodzie DC falownika. W tej sytuacji falownik rozłącza obwód DC w czasie krótszym niż 2s i generuje alarm, wskazując miejsce wystąpienia łuku z dokładnością do modułu (w przypadku instalacji z pełną optymalizacją). Zadaniem instalatora jest wówczas łatwo i sprawnie usunąć problem oraz ponownie uruchomić instalację.
