Pojęcie „moc bierna” przewija się od czasu do czasu w dyskusjach o fotowoltaice. Pomimo tego, większość z nas nie ma zbyt wielu skojarzeń związanych z tym terminem. Na pierwszy rzut oka wydaje się być czarną magią, teoretycznym konstruktem zaczerpniętym z notatek studenta politechniki. Tymczasem, moc bierna jest stosunkowo przystępnym tematem i do tego tak istotnym w codziennym życiu, że warto poznać go nieco bliżej.
Zależy nam, aby właściciele paneli słonecznych jak najlepiej rozumieli swój sprzęt oraz orientowali się w aktualnych trendach z obszaru energii słonecznej. By w rozmowie z przedstawicielem handlowym Gaia Solar, nasi klienci nie byli tylko biernymi (sic!) słuchaczami. Toteż w artykułach takich jak ten, chcemy prostym językiem przybliżać wybrane elementy wiedzy dotyczące fotowoltaiki. Dziś o mocy biernej oraz związanym z nią, tajemniczo brzmiącym trójkącie mocy. Ten ostatni rozpala wyobraźnię nie tylko fanów gry z serii Zelda, ale również – a może przede wszystkim – entuzjastów przydomowej produkcji prądu.
O prądzie, napięciu i natężeniu…
Podłączając dowolne urządzenie elektryczne do źródła zasilania tworzymy tzw. obwód zamknięty, a więc ścieżkę po której mogą poruszać się swobodnie ładunki. Domowe gniazdko jest źródłem prądu okresowo zmiennego przemiennego (AC, alternating current – ang.). Oznacza to tyle, że charakterystyczne dla prądu parametry – napięcie i natężenie, w tym przypadku oba mają przebieg sinusoidalny. Cyklicznie rosną i maleją w równych odstępach czasu.
Tych, którym przyda się przypomnienie na temat tego czym w ogóle jest prąd i jak rozumieć pojęcia takie jak napięcie i natężenie, zachęcamy do lektury jednego z naszych poprzednich artykułów:
https://gaia.solar/blog/roznice-miedzy-ukladem-jednofazowym-a-trojfazowym-o-co-w-tym-chodzi/
Zaraz, a czy napięcie w gniazdku nie jest wartością stałą? Swego czasu nawet Kazik w wyrazistych słowach śpiewał piosenkę zatytułowaną „220 V”(po wejściu Polski do UE wartość tę zwiększono o 10 V). Mniej więcej 230 V pokazałby nam multimetr wpięty do obwodu. Gdyby jednak użyć znacznie bardziej dokładnego miernika – oscyloskopu, przekonamy się, że wartość napięcia zmienia się dynamicznie.
Poziom tego sinusoidalnego falowania charakteryzuje tzw. amplituda, czyli określona wartość wychylenia z poziomu równowagi (na poziomie 0 V) – to w górę, to znów w dół. Łatwiej wyobrazić to sobie dzięki analogii do sposobu działania telewizora. Wbrew temu co widzi ludzkie oko, nie wyświetla on obrazu cały czas, a jedynie odświeża go z dużą częstotliwością.
Podobnie ma się sprawa z natężeniem prądu. Przebieg zmian natężenia przypomina wykres wahań napięcia. Tym samym, chcąc pokazać oba parametry w funkcji czasu, otrzymamy dwie sinusoidy.
Moc chwilowa, moc czynna, moc bierna…
Istotnym dla nas wskaźnikiem jest również moc, którą wyrażamy jako iloczyn napięcia i natężenia. Skoro obie składowe zmieniają się w czasie, to i mierzona moc będzie wykazywać fluktuacje. Tzw. moc chwilowa jest iloczynem napięcia i natężenia zmierzonych w danej chwili i wyraża zmianę energii, którą dostarczamy z prądem do odbiornika.
Moc [W] = Natężenie [A] ∙ Napięcie [V]
Moc chwilowa może mieć wartość dodatnią lub ujemną. Gdy wykresy napięcia i natężenia nie zostaną względem siebie przesunięte, oba te parametry przyjmują jednocześnie wartości o takim samym znaku – w danej chwili są jednocześnie dodatnie lub ujemne. Mnożąc je, otrzymamy zawsze wynik większy od zera. W takim przypadku mamy do czynienia z tzw. mocą czynną. Wartość ta określa jak dużo energii urządzenie pobierze w danym czasie i przetworzy ją na pracę.
Jeżeli wartość mocy chwilowej ma znak dodatni, wówczas energia, której źródłem jest prąd elektryczny płynie w kierunku od źródła do odbiornika.
Moc czynna nie zmienia nigdy kierunku przepływu energii (od źródła do odbiornika), bo wartość mocy czynnej nigdy nie spada poniżej zera. Dzięki temu, że ruch energii jest jednokierunkowy, urządzenie elektryczne może spożytkować moc czynną do wykonywania pracy. Czyli w praktyce – żarówka będzie świecić, czajnik będzie ogrzewać wodę i wszystkie inne proste urządzenia, które zamieniają prąd na ciepło będą spełniać swoje praktyczne funkcje.
Sytuacja zmienia się, gdy pomiędzy napięciem a natężeniem prądu pojawia się przesunięcie, tzw. przesunięcie fazowe. Ma to miejsce, gdy do obwodu elektrycznego wkomponujemy elementy magazynujące energię – kondensatory i cewki, a więc elementy charakterystyczne dla takich urządzeń jak silniki czy zasilacze. W takim scenariuszu pojawia się nowy wariant matematyczny – mnożymy np. ujemną wartość napięcia przez dodatnie natężenie. Wynik określa moc chwilową, która przyjmuje tym razem znak ujemny.
Jeśli moc chwilowa ma wartość ujemną, wówczas energia jest zawracana i płynie w kierunku od odbiornika z powrotem do źródła. W praktyce odbywa się to poprzez oddanie przez uprzednio naładowaną cewkę/kondensator zgromadzonego przez ten element ładunku. Wciąż jednak możliwy jest ruch energii w przeciwną stronę. Jak bowiem widać na wykresie, moc chwilowa przyjmuje raz ujemny, to znów dodatni znak.
Najpierw mnożymy wartości o jednoimiennych znakach (plus razy plus albo minus razy minus), a chwilę później – już o przeciwnych. Taki wahadłowy ruch sprawia, że wędrująca w tę i z powrotem moc w istocie nie przydaje się do wykonania żadnej pracy. Stąd jej określenie – moc bierna.
Moc pozorna i trójkąt mocy
Moc czynną i bierną łatwo analizować na najprostszych obwodach elektrycznych. Jednak w praktyce prąd wędruje po nieco bardziej złożonych ścieżkach. Poszczególne obwody elektryczne łączą się w węzłach lub rozchodzą w kilka odrębnych gałęzi. Przez część obwodu pozbawioną cewek i kondensatorów płynie moc czynna.
Tam, gdzie takie elementy się pojawią, zmierzymy moc bierną. Aby całościowo scharakteryzować moc płynącą w układzie, wyznaczamy tzw. moc pozorną.
Moc pozorna nie jest jednak sumą mocy czynnej i biernej w obwodzie elektrycznym. Jest pierwiastkiem z sumy kwadratów obu tych wartości, liczoną analogicznie jak nakazuje twierdzenie Pitagorasa. Wszystkie trzy wartości układają się w tak zwany trójkąt mocy.
Moc pozorna to całość mocy w układzie. Moc czynna to jej część składowa, na której najbardziej nam zależy. To ona bowiem odpowiada za działanie naszych urządzeń elektrycznych. Odnosząc wartość mocy czynnej do wartości mocy pozornej, możemy policzyć udział procentowy tej pierwszej w puli całościowej.
Im wyższy, tym lepiej. Podobnie jak w przypadku tankowania samochodu… Lejemy z dystrybutora benzynę z nadzieją, że zawartość wody w paliwie będzie jak najniższa, najlepiej zerowa. Ostatecznie, po co komu woda w baku? Po co komu moc, która nie przekłada się na pracę?
Po zasileniu urządzenia elektrycznego określoną porcją energii czynnej, zacznie ono wykonywać pracę. Żarówka zacznie świecić, suszarka – suszyć, a radio – grać. Każde z tych urządzeń charakteryzuje się właściwą dla siebie mocą. Moc urządzenia możemy zdefiniować jako iloraz pracy, którą może ono wykonać w danej jednostce czasu.
Wydajne urządzenie charakteryzuje się dużą moc czynną i niewielką mocą bierną. Pobierana energia jest niemal wyłącznie przeznaczana na wykonanie pracy. Jeżeli moc czynna żarówki wynosi np. 100 W i będzie ona wykonywać pracę przez 2 h, to zużyje 200 Wh energii elektrycznej i zamieni je na pracę. Za tyle też zapłacimy, gdy przyjdzie rozliczyć rachunek za prąd.
Jeśli jednak urządzenie, np. silnik, charakteryzuje się mocą czynną równą 100 W i mocą bierną równą 57 [VAr], pobór mocy będziemy liczyć w oparciu o moc pozorną, a więc sumę kwadratów mocy czynnej i biernej urządzenia. Używanie takiego silnika będzie więc mniej ekonomiczne. Oprócz mocy czynnej, zaspokajamy również zapotrzebowanie energetyczne na moc bierną, która to moc nie przekłada się na wykonywanie żadnej pracy przez silnik.
Moc bierna a fotowoltaika
Wbrew wrażeniu jakie można by wysnuć z powyższych rozważań, moc bierna wcale nie jest niepotrzebna. Wręcz przeciwnie. Jest niezbędna do prawidłowego działania urządzeń elektrycznych, które w większości wymagają utrzymywania napięcia na stałym poziomie. Zmniejszenie mocy biernej pociąga za sobą spadek napięcia prądu w układzie elektrycznym.
Wahania powyżej 5 % względem nominalnej wartości napięcia mogą rozregulować, a nawet zniszczyć urządzenie podłączone do prądu. Ponadto, szereg odbiorników energii, takich jak silniki, transformatory czy agregaty, wymaga mocy biernej do wzbudzania zmiennych pól magnetycznych. Bez tego nie działałyby poprawnie.
Dziś jeszcze podaż energii na potrzeby zaspokojenia mocy biernej urządzeń nie jest wielkim problemem. Operator sieci elektroenergetycznej produkuje i udostępnia energię wraz ze wszystkimi jej komponentami – energią czynną oraz energię bierną, krążącą pomiędzy siecią przemysłową i odbiornikami. Sytuacja zacznie się jednak komplikować wraz ze stale rosnącą popularnością fotowoltaiki.
Panele słoneczne produkują tylko jeden z dwóch rodzajów energii niezbędnych do zasilania urządzeń w naszych domach. O ile energia czynna pochodzi z przydomowej instalacji zasilanej promieniami słońca, to już energię bierną musimy czerpać od operatora. Choć właściwszym słowem niż „czerpać” byłoby „pożyczać”.
Płynie ona do nas z gniazdka, ale zaraz potem wraca tam z powrotem. Nie jest konsumowana i operator nie obciąża za nią kosztami odbiorców indywidualnych. Zapotrzebowanie gospodarstwa domowego na energię bierną jest też dość niewielkie, więc nie trzeba angażować ogromnych mocy przerobowych do jej produkcji.
Moc bierna a wyzwania przyszłości
Tu jednak kryje się nieco zawoalowane dziś jeszcze ryzyko. Wraz z dalszym, dynamicznym rozwojem fotowoltaiki w Polsce, popyt na energię bierną będzie tylko rósł. Gdy osiągnie większą skalę niż ma to miejsce dzisiaj, operatorzy sieci mogą zmienić politykę rozliczania dostępu do energii biernej. Co prawda nie oddają jej odbiorcom do skonsumowania, tak jak to się dzieje z energią czynną, ale i tak ponoszą drobne straty.
Energia bierna podczas jej przesyłu częściowo zamienia się w ciepło, rozprasza i uszczupla ładunek wiedziony przewodami elektrycznymi w sieci dystrybucyjnej. Gdyby każde gospodarstwo domowe systematycznie narażało swojego operatora na tego typu straty, sumaryczny efekt takiej bezkosztowej usługi byłby dla spółki dużo bardziej dotkliwy. W miarę postępu procesu dekarbonizacji, coraz więcej domów będzie polegać na mocy biernej od operatora sieci.
Gdyby z kolei w sieci dystrybucyjnej płynęła tylko energia czynna z paneli fotowoltaicznych, deficyt energii biernej spowodowałoby problemy z utrzymaniem napięcia prądu na stabilnym poziomie. Podłączone do takiej niestabilnej sieci urządzenia byłyby narażone na częste awarie.
Aby wyjść naprzeciw wszystkim tym problemom, naukowcy już dziś pracują nad inwerterem nowej generacji. Inteligentny falownik nie tylko konwertował by prąd stały (DC) do zmiennego (AC), ale mógłby kompensować pulę mocy biernej – absorbować ją lub uwalniać. Choć takie rozwiązanie jest dziś osiągalne pod względem technologicznym, to ma ono wciąż jedną podstawową wadę.
Urządzenie podczas pracy mocno się przegrzewa, co ma znaczny wpływ na żywotność i niezawodność falownika. Im większą pulę mocy biernej obsługuje taki inwerter, tym jest on bardziej zawodny (R. Thiagarajan et al. 2019, Effect of Reactive Power on Photovoltaic Inverter Reliability and Lifetime).
Przydomowe, lokalne generowanie mocy biernej w budynku zaopatrzonym w fotowoltaikę pozwoliłoby odciążyć operatora sieci i uniknąć trudności związanych z jej przesyłem na duże odległości przy zachowaniu odpowiednio wysokiego napięcia. Takie, wciąż jeszcze prototypowe inwertery mogą jednak za kilkanaście lat stać się standardowym wyposażeniem w domu prosumenta.