Szimmetrikus és aszimmetrikus inverterek

Daniel | CC BY 2.0 | Flickr

Az inverterek a napelemes rendszerek esetén nemcsak az egyenáram és a váltóáram közötti kapcsolatért, hanem a rendszer vezérléséért is felelősek. Éppen ezért kiemelten fontos odafigyelni, hogy minden felhasználáshoz az annak megfelelő típusú invertert válasszuk. Az invertereknek ugyanis két fontos típusa van: a szimmetrikus és az aszimmetrikus. Az előbbiek esetén a fázisokon közölt teljesítmény megegyezik, az utóbbiak esetén viszont nem. A fentiekből következően a szimmetrikus inverterek használatakor különösen érdemes odafigyelni a napelemek csúcsteljesítményének optimális megválasztására (méretezésére), hiszen ebben az esetben egy egyenlőtlen fogyasztóiteljesítmény-eloszlású háztartás vagy ipari létesítmény a napenergia jóval kisebb százalékát tudja hasznosítani, és nagyobb mennyiségben kell a hálózatról energiát vételeznie.

Mire jók az inverterek?

A napelemes rendszerek esetén az inverterek feladata, hogy a megtermelt egyenáramot váltakozó árammá alakítsák, és ezáltal az otthoni elektromos eszközök számára használhatóvá tegyék. Alapvető szerepet játszanak tehát abban, hogy a megtermelt energia közvetlenül felhasználhatóvá váljon a hálózatban. Emellett a napelemrendszer felügyeletét is ellátják, hogy összehangoltan működjön a napenergia átalakítása. Jelentőségüket jól példázza, hogy ha egy-egy panel esetleg hibásan működik, attól maga a rendszer még továbbra is üzemképes marad, ám az inverter meghibásodása esetén teljes egészében leáll. Az úgynevezett hibrid invertereknek emellett az intelligens energiagazdálkodásban is kulcsszerepük van, mivel ezek szabályozzák az energiahálózatba és az energiatárolókba történő visszatáplálását, és biztosítják a rendszer hatékonyságát. Ha például a termelésünk és a fogyasztásunk eltérően alakul, időben dinamikusan változik, mi pedig nem szeretnénk a hálózatba visszatáplálni, akkor a megoldást az akkumulátoros hibrid rendszerek jelentik.

Működési elvük alapján az invertereknek két fő típusa létezik: a szimmetrikus és az aszimmetrikus inverterek. Ezek között a különbség a teljesítményelosztás módjában rejlik, ez pedig meghatározza, hogy különböző körülmények között milyen hatékonysággal működik a rendszer. A szimmetrikus vagy kiegyensúlyozott kimenetű inverterek ugyanazt az energiát egyenletesen továbbítják a háromfázisú rendszer mindhárom fázisába. Ez azt jelenti, hogy az inverter az energiát ugyanakkora teljesítménnyel közvetíti mind a három fázison keresztül. Az aszimmetrikus inverterek ezzel szemben lehetővé teszik a teljesítmény rugalmas elosztását, így a különböző fázisokon lévő fogyasztók eltérő teljesítményűek lehetnek anélkül, hogy a rendszer hatékonysága csökkenne. Utóbbi típus különösen előnyös akkor, ha az egyes fázisokat gyakran terhelik eltérő teljesítményű fogyasztók (pl. a háztartásokban).

Aszimmetrikus és szimmetrikus inverterek: néhány szemléltető példa

A két megoldás közötti különbség jól szemléltethető a következő példán keresztül. Az egyszerűség kedvéért tegyük fel, hogy a három fázison három fogyasztó található (1, 2 és 3 kW teljesítménnyel), a napelem pedig éppen a három fogyasztó összfogyasztásával termel, azaz 6 kW-tal.[1]

1. Aszimmetrikus inverter esetén az inverter intelligens módon szét tudja osztani a megtermelt 6 kW villamos teljesítményt a 6 kW fogyasztóra (1. ábra), azaz a három fázisra betáplált teljesítmény rendre 1, 2 és 3 kW. Ebben az esetben nincs szükség a hálózatról történő villamosenergia-vételezésre. A fogyasztók teljesítménycsökkenése (kikapcsolása) esetén a többletenergia az akkumulátorba tölthető, illetve annak maximális töltöttsége esetén visszatáplálható a hálózatba.[2] A fogyasztók teljesítménynövekedésekor pedig vagy a feltöltött akkumulátor segítségével lehet őket működtetni, vagy alacsony energiatároló-töltöttség[3] esetén a hálózatból lehetséges villamos energiát vételezni.

   1. ábra: Napelemes termelés és háztartási fogyasztók teljesítménye aszimmetrikus inverter esetén (forrás: saját készítés)
    

2. Szimmetrikus inverter esetén (visszwattvédelem nélkül) az inverter mindhárom fázisra ugyanakkora teljesítményt táplál be, vagyis 2, 2 és 2 kW-ot (2. ábra). Tehát

   -   az 1. (alsó) fázison, ahol egy 1 kW-os fogyasztónk van, 1 kW teljesítményt tudunk a villamosenergia-hálózatba táplálni;

   -   a 2. (középső) fázison, ahol egy 2 kW-os fogyasztónk van, nem szükséges sem visszatáplálnunk, sem hálózati teljesítményt vételeznünk;

   -  a 3. (felső) fázison pedig, ahol egy 3 kW-os fogyasztónk van, a 2 kW termelésen felül további 1 kW villamos teljesítményt szükséges vételeznünk a hálózatról.

   Így összességében a hálózatra betáplált és az onnan vételezett villamos teljesítmény 0 kW. Ebben az esetben a fogyasztók teljesítménycsökkenésekor (kikapcsolásakor) vagy -növekedésekor az aszimmetrikus inverteréhez hasonló módon valósul meg az akkumulátor töltése/merítése, illetve a hálózatra történő betáplálás, valamint az onnan történő vételezés.

   2. ábra: Napelemes termelés és háztartási fogyasztók teljesítménye visszwattvédelem nélküli szimmetrikus inverter esetén 
   (forrás: saját készítés)

3. Szimmetrikus inverter és visszwattvédelem esetén az inverter szintén ugyanakkora teljesítményt táplál be az egyes fázisokba, azonban a hálózatra betáplálni már nincs lehetőség. Tehát a legkisebb fogyasztó által elfogyasztott mennyiség után már nem maradhat teljesítmény a fázisban, azaz minden fázis teljesítménye 1 kW lesz. Így

   -  a 2. fázison 1 kW teljesítményű villamos teljesítményt,

   - a 3. fázison pedig már 2 kW villamos teljesítményt szükséges a hálózatról vételeznünk annak ellenére, hogy a napelemrendszer képes lenne megtermelni a teljes fogyasztási teljesítményt, azaz a 6 kW-ot.

Ebben az esetben tehát a 6 kW teljesítmény termelésére képes naperőmű csupán 3 kW-nyi teljesítmény erejéig látja el fogyasztókat, a fennmaradó 3 kW-ot pedig a villamosenergia-hálózatból szükséges vételeznünk. Értelemszerűen a 3 kW-os fogyasztáson felüli villamosenergia-termeléssel a rendszer képes akkumulátort tölteni – de csak annak a kapacitásáig.

Mikor melyik megoldást érdemes használni?

Összefoglalva: a három eset három különböző funkciót tölt be, így a rendszer elemeit eltérően érdemes méretezni.

1. A minimális hálózati kitettséget az aszimmetrikus megoldással a legegyszerűbb elérni. Ekkor a napelem napi potenciális termelését érdemes összevetni a teljes napi fogyasztással, majd az akkumulátort ehhez méretezni. Ebben az esetben az aszimmetrikus hibrid rendszer menedzseli az eltérő fázisok eltérő fogyasztását,[4] így megfelelő méretű napelem és energiatárolói kapacitások esetén ezzel érhető el a legegyszerűbben a szigetüzemű működés.

2. Az aszimmetrikus esettől eltérően a szimmetrikus (és visszwattvédelem nélküli) megoldással szigetüzemű működés nem valósítható meg,[5] azonban minimális hálózati kapacitás[6] lekötése mellett elszámolható a hálózati igénybevétel (a hálózatról történő vételezés és az arra történő, megegyező mértékű termelés árának különbözetével), jelentős többletköltségek mellett. Noha a szigetüzemű működés nem érhető így el, nettó nulla hálózatról történő felhasználás viszont igen, amennyiben megfelelő méretű napelem és energiatárolói kapacitás áll a rendelkezésünkre.

3. A szimmetrikus, visszwattvédelemmel ellátott megoldásnál a rendszer fogyasztásának becsléséhez a legkisebb fogyasztót szükséges alapul venni. Így ahhoz, hogy a napelem ne álljon kihasználatlanul, jóval kevesebb napelemet lehetséges csak felhasználni, és jóval nagyobb hálózati kapacitásokat szükséges lekötni.[7] A napelemek nappali többletteljesítményét viszont akkumulátortöltésre lehet használni, ha az akkumulátor még nincs teljesen feltöltve. Teljesen feltöltött akkumulátor esetén a napelemes termelés jelentős része elvész. Ezzel a megoldással ugyan sem a szigetüzem, sem a nettó nulla hálózati fogyasztás nem érhető el, de megfelelő energiatároló- és napelem-kapacitások esetén nem szükséges a nappali hálózati teljesítménynél nagyobb mértékű kapacitást lekötni.