Dla wielu z nas, szkolne zajęcia z fizyki były okazją, aby na własnej skórze przekonać się o ponadczasowej prawdziwości łacińskiej sentencji „Scio me nihil scire”. Wiem, że nic nie wiem – powtarzał sobie w myślach uczeń, który wpatrzony nieprzytomnym wzrokiem w bezlik abstrakcyjnych wzorów, z każdą minutą bardziej upewniał się, że ta wiedza nie będzie nigdy zaprzątać mu głowy w dorosłym życiu.
Minęło kilkanaście lat i tenże sam uczeń, dziś już z nieco mniej bujną czupryną i czołem uszlachetnionym kilkoma zmarszczkami mimicznymi, przeżywa prawdziwe deja vu. Rozważając zakup instalacji fotowoltaicznej, stoi bowiem przed wyborem rodzaju inwertera – jedno- lub trójfazowego.
W tym artykule postaramy się wybawić z opresji zarówno naszego bohatera, jak i wszystkich czytelników chętnych zgłębić temat dostępnych rodzajów przyłącza elektrycznego. Objaśniamy w najbardziej przystępnych słowach, na czym polega różnica pomiędzy oboma typami układów i ocenimy ich przydatność do użytkowania w ramach gospodarstwa domowego.
O prądzie elektrycznym…
Wszyscy absolwenci kierunków związanych z elektryką mogą spokojnie przejść do kolejnego akapitu. Nam pozostałym, chyba przyda się jednak kilka słów przypomnienia. Czym w istocie jest prąd elektryczny?
Otóż, świat wokół nas zbudowany jest z atomów – najmniejszych elementów materii, których nie da się już bardziej podzielić ani rozłożyć metodami chemicznymi. Atomy mogą wymieniać się wzajemnie pewnymi mobilnymi elementami swojej struktury.
Ruchliwe elektrony, bo o nich tu mowa, mają zdolność przeskakiwania z jednego atomu na drugi. Nadmiar elektronów, nadaje atomowi ładunek ujemny. Ich niedobór – skutkuje ładunkiem dodatnim. Oba te przypadki nie są jednak w naturze rozwiązaniem optymalnym.
Gdy więc przeciwnie naładowane atomy spotkają się ze sobą, każdy z nich będzie dążyć do stanu równowagi. Uzyskają go poprzez przyjęcie brakujących -lub oddanie nadprogramowych elektronów sąsiadowi.
Ruch tych cząstek pomiędzy atomami jest podstawą zasilania wszystkich urządzeń elektrycznych, podobnie jak ruch wody napędza wirnik w turbinach, a ruch powietrza – pozwala działać wiatrakom. Wytworzoną w ten sposób energię można spożytkować na dowolny cel.
Tak też w skrócie działa dobrze nam znana, najprostsza bateria „paluszkowa” – jeden jej koniec wypycha elektrony, a drugi je do siebie przyciąga, bo ma ich za mało. Gdy połączymy oba bieguny przewodem, w takim zamkniętym obwodzie popłynie prąd elektryczny, czyli zaistnieje uporządkowany ruch cząstek. Wszelkie wkomponowane w ten obwód urządzenia zostaną zasilone przepływającą energią.
Kolejnym ważnym pojęciem, którego zrozumienie ułatwi nam lekturę artykułu, jest napięcie prądu. Dwa naładowane ujemnie elektrony odpychają się wzajemnie, niczym magnesy ustawione do siebie tymi samymi biegunami. Tę siłę, która na nie oddziałuje wyobraźmy sobie jako niewidzialną sprężynę.
Im bardziej dociśniemy je do siebie, tym sprężyna będzie mocniej napięta. Wie to każdy, kto próbował zetknąć ze sobą dwa jednoimienne bieguny magnesów. Mamy więc układ elektronów pod napięciem, dosłownie i w przenośni. Napięcie, mierzone w jednostkach zwanych Voltami, jest tą siłą – mocniejszą lub słabszą, która napędza ruch elektronów.
Ilość takich przepływających z miejsca na miejsce elektronów mierzymy w jednostkach zwanych Kulombami. Liczba elektronów równa 6,24 ∙ 1018 niesie pewien stały, określony ładunek, który opisujemy jako równowartość 1 Kulomba.
Aby zaś zrozumieć pojęcie natężenia prądu, spróbujmy zjawisko prądu elektrycznego wyobrazić sobie na przykładzie wielopasmowej jezdni. To, ile samochodów zdoła przejechać dane skrzyżowanie w ciągu 1 sekundy, daje nam pojęcie tego, jak duże jest natężenie ruchu na drodze. Podobnie jest i tutaj.
Natężenie prądu, wyrażane w Amperach, mówi nam ile elektronów (Kulombów) podróżuje przez wybrany punkt w ciągu 1 sekundy. Im więcej elektronów na sekundę, tym ten ruch jest bardziej natężony w obwodzie zamkniętym. Tym samym, natężenie o wartości 1 Ampera opisujemy jako równowartość 1 Kulomba na 1 sekundę.
Układ jednofazowy
W domowych gniazdkach naszych domów płynie tzw. prąd przemienny. Aby było to w ogóle możliwe, potrzebne są dwa przewody – fazowy i neutralny.
Ten ostatni, oznaczany literą N i kolorem niebieskim, jest uziemiony, więc jego napięcie wynosi 0. Tworzące go atomy nie mają ani nadmiaru, ani niedomiaru elektronów. Są w stanie równowagi i nie zachodzi między nimi aktywna wymiana elektronów.
Z kolei, przewód fazowy, oznaczany literą L, to ten pozostający pod napięciem. Lepiej go nie dotykać, bo wtedy włączysz swoje ciało (będące doskonałym przewodnikiem prądu) w układ zamknięty i przepuścisz przez organizm miliony elektronów oraz towarzyszący im ogrom energii. Pomiędzy oboma przewodami – L i N – przemieszczają się elektrony krążące w układzie elektrycznym.
Napięcie liczone pomiędzy przewodem fazowym, a punktem odniesienia (przewodem neutralnym) wynosi 230 Voltów. Taka instalacja pozwala na przesył mocy do 6 kW. Skąd to wynika? Stosowane do przyłączania prądu przewody wytrzymują maksymalne natężenie prądu w okolicach 25 A, zaś moc jest iloczynem napięcia i natężenia prądu. Tym samym:
Natężenie [A] ∙ Napięcie [V] = Moc [W]
230 V ∙ 25 A = 5,7 kW
Moc na poziomie 6 kW to wystarczająca wartość, aby odbierany prąd mógł pokryć standardowe zapotrzebowanie gospodarstwa domowego na energię. Zasilenie niewielkiego czajnika generuje w danej (stosunkowo krótkiej) chwili zapotrzebowanie rzędu 1 kW, a w przypadku żarówki energooszczędnej to raptem kilkanaście Watt.
Układ trójfazowy
O ile układ jednofazowy sprawdza się w przypadku typowych mieszkań, to jednak byłby on zbyt mało wydajny, aby pokryć wymagania dużych zakładów produkcyjnych czy nawet domów jednorodzinnych ogrzewanych energią elektryczną.
Przekona się o tym każdy, kto w nadchodzące Święta Wielkanocne będzie chciał jednocześnie uruchomić pralkę, kuchenkę, piecyk, zmywarkę, telewizor, komputer i odkurzacz. Zasilenie wszystkich tych sprzętów o wyjątkowo wysokim zapotrzebowaniu na energię, wymaga dostarczenia nadzwyczaj dużej sumarycznej mocy (przypomnijmy – moc to iloczyn napięcia i natężenia).
Jako że napięcie w gniazdku wynosi stałe 230 V (przynajmniej w uproszczeniu), to nagły skok wartości zaobserwujemy po stronie natężenia pobieranego prądu. Gdy osiągnie ono próg niebezpieczny dla podatnych na spalenie przewodów elektrycznych, nastąpi odcięcie dalszego przesyłu energii za sprawą bezpieczników.
Chcąc wyjść naprzeciw konsumentom o wyższych wymaganiach konsumpcji prądu, w ich nieruchomościach montuje się tzw. układy trójfazowe. Wówczas, oprócz przewodu neutralnego, mamy już nie jeden, ale aż 3 przewody fazowe, którymi doprowadzany jest prąd elektryczny.
Każdy z nich stanowi osobny obwód zamknięty, którym płyną elektrony. Optymalnie byłoby, aby przewody L1, L2 i L3 były obciążone równomiernie. W przeciwnym jednak wypadku, odcięciu podlegać będzie tylko przeciążona faza, a pozostałe dwie uchronią nas przed powrotem do Sienkiewiczowskiej przeszłości, kiedy to po zmroku, najważniejszy element wyposażenia domu stanowiła woskowa świeczka.
W artykule celowo pominęliśmy kwestie związane z charakterystyką prądu zmiennego w każdej z poszczególnych faz, które na wykresie zależności napięcia od czasu wykazują charakterystyczne przesunięcia. W kontekście omawianej problematyki nie jest to najważniejsze. Dużo bardziej istotną jest informacja, że układ trójfazowy pozwala na przesył większych mocy, aniżeli układ jednofazowy.
Z czego wynika ta różnica?
W układzie jednofazowym napięcie przewodu fazowego liczymy w odniesieniu do przewodu neutralnego. To tak jakbyśmy liczyli wysokość góry od jej wierzchołka, aż do poziomu morza.
W przypadku układu trójfazowego, napięcie na jednym przewodzie fazowym określamy w odniesieniu nie do „zera”, ale do drugiego przewodu fazowego. Posługując się przyjętą analogią – tutaj liczymy wysokość góry od jej wierzchołka, aż do najgłębszego punktu na dnie oceanu.
Różnica jest wyraźnie wyższa i takie też okazuje się być napięcie prądu w układzie trójfazowym. Dochodzi ono do 400 V, co pozwala na przesył wyższych mocy poprzez sieć elektroenergetyczną, a więc na równoczesne zasilenie większej ilości urządzeń. Nie przekłada się to zaś na wyższe rachunki, które w dalszym ciągu są proporcjonalne do konsumowanej energii, a jedynie na lepszą wydajność takiej sieci.
Co to oznacza w kontekście paneli fotowoltaicznych?
Dwa najważniejsze urządzenia składające się na instalację fotowoltaiczną to panele fotowoltaiczne oraz inwetrer. Rolą paneli jest przetwarzanie energii słonecznej na prąd elektryczny. Powstały w ogniwach prąd jest prądem stałym, pewnego rodzaju produktem przejściowym. Aby mógł zostać spożytkowany w gospodarstwie domowym, musi zostać dodatkowo obrobiony – zamieniony na znacznie bardziej użyteczny prąd zmienny. Taka konwersja odbywa się właśnie za sprawą inwertera.
Inwertery występują w wielu różnych odmianach, zależnie od parametrów oraz spełnianych przez nie funkcji. Jednym z typów klasyfikacji jest ich podział na jednofazowe i trójfazowe, a więc analogicznie jak w przypadku domowych instalacji elektrycznych, które już omówiliśmy.
W Polsce, ogromna większość budynków posiada trójfazową instalację elektryczną (tj. przyłącze między domem a siecią elektryczną operatora). Załóżmy dwa alternatywne scenariusze:
- Wybieramy inwerter trójfazowy, a więc zgodny z typem naszej instalacji domowej
Darmowa energia słoneczna przechodzi przez inwerter trójfazowy i zasila wszystkie trzy fazy naszej domowej instalacji elektrycznej w sposób symetryczny. Jeżeli więc instalacja fotowoltaiczna wygenerowała 2 kW energii, a wszystkie pracujące w danej chwili urządzenia (pralka, lodówka, żarówki, etc.) wykazują łączny pobór mocy mniejszy lub równy 2 kW, wówczas 100% dostępnej puli energetycznej jest przeznaczone na zasilenie gospodarstwa domowego.
Ewentualna nadwyżka dostępnej energii względem poziomu zapotrzebowania jest oddawana w depozyt operatorowi sieci. Ewentualny niedobór – pobierany w sposób tradycyjny z gniazdka. Takie rozwiązanie jest najbardziej optymalne.
2. Wybieramy inwerter jednofazowy
Urządzenia elektryczne pracujące w gospodarstwie domowym są zasilane ze wszystkich trzech faz. W naszym scenariuszu, największy sens ma podpięcie inwertera jednofazowego do tej fazy, która za dnia jest najbardziej obciążona konsumpcją prądu (np. ta, z której zasilamy „energożerną” klimatyzację w upalne popołudnie). Większość naszych potrzeb energetycznych zaspokoimy tym sposobem właśnie darmowym prądem, wytworzonym w panelach solarnych.
Zakładając jednak równomierne obciążenie wszystkich trzech faz dostępnych w ramach instalacji elektrycznej, w przypadku użytkowania inwertera jednofazowego, darmowa energia ze słońca stanowić będzie raptem 1/3 całości konsumowanej w domu energii.
Pozostałe 2 z 3 faz niepołączone z inwerterem, będą odsyłać 2/3 wyprodukowanej energii jako depozyt do sieci. Później będzie można odebrać ją z powrotem, ale już w wymiarze 80%, wynikającym z zasad funkcjonowania systemu opustów. W tym wariancie notujemy więc stratę. Jak dużą?
Załóżmy instalację fotowoltaiczną o mocy 3 kW oraz fakt występowania 4 słonecznych godzin w ciągu doby, kiedy to panele pracują z maksymalną wydajnością. Wówczas w skali miesiąca otrzymujemy wynik:
3 kW ∙ 4 h ∙ 30 dni = 360 kWh wyprodukowanej energii w ciągu miesiąca.
Zgodnie z danymi GUS za 2017, średnie miesięczne zużycie energii elektrycznej przez gospodarstwo domowe w Polsce to około 200 kWh. Tym samym, do depozytu oddamy:
360 kWh – 200 kWh = 160 kWh – tyle energi wywędruje z naszego domu do sieci operatora
Z tej puli będziemy mogli w ramach systemu opustów odebrać 80%, a 20% przepadnie.
20% ∙ 160 kWh = 32 kWh – tyle wyniesie nasza miesięczna strata energii
Średnia cena energii w Polsce to 0,55 zł za 1 kWh prądu. Tym samym:
32 kWh ∙ 0,55 zł = 17,6 zł – tyle wyniesie równowartość straconej energii w ciągu miesiąca liczona z PLN
Przypomnijmy przyjęte założenia dla tego modelowego przypadku: instalacja fotowoltaiczna o niewielkiej mocy 3kW, dobowe nasłonecznienie w ilości 4 h przez cały miesiąc, trójfazowa instalacja elektryczna w domu, równomierne obciążenie wszystkich 3 faz instalacji, zastosowanie jednofazowego inwertera przetwarzającego prąd z paneli słonecznych.
Decyzja o zakupie
Decydując się na inwestycję w fotowoltaikę, warto zaznajomić się z szeregiem podstawowych pojęć z zakresu elektryki oraz poznać budowę sieci elektrycznej zainstalowanej w swoim domu.
Jak widać, nie jest to jednak nic przerażająco trudnego. Inwerter jednofazowy jest tańszy oraz wykazuje wyższą sprawność przy użytkowaniu instalacji o niewielkich mocach szczytowych.
W przypadku instalacji fotowoltaicznej o mocy do maksymalnie 3,68 kW, wybór typu inwertera zależy od naszej decyzji. Zwykle przy tak małej skali mocy, stosuje się inwerter jednofazowy, ale możliwe jest też użycie inwertera trójfazowego, który wówczas podłącza się tylko do jednej fazy.
Jeśli zaś mowa o instalacji z mocą powyżej 3,68 kW, tu już mamy obowiązek stosowania inwertera trójfazowego. Są to aktualne informacje prawne, uwzględniające niedawno przyjęte zmiany w tym zakresie.