Jak Poprawnie Podłączyć Panele Fotowoltaiczne: Szeregowe czy Równoległe?

Kiedy słońce co rano wschodzi, przynosząc nam bezpłatną energię, wielu z nas zastanawia się, Jak podłączyć panel fotowoltaiczny, by wykorzystać ten niewyczerpany potencjał. Na pierwszy rzut oka może się wydawać, że wystarczy "połączyć kabelki", ale kluczowa, a zarazem najprostsza odpowiedź brzmi: panele łączy się przede wszystkim szeregowo lub równolegle, a decyzja ta jest fundamentem całej instalacji i ma bezpośredni wpływ na jej wydajność. To właśnie od prawidłowego zaprojektowania i wykonania tych połączeń zależy, czy nasz system będzie działał optymalnie, przynosząc wymierne korzyści przez długie lata.

Świat fotowoltaiki, choć z pozoru skomplikowany, opiera się na kilku fundamentalnych zasadach elektryki, które mają kluczowe znaczenie przy projektowaniu systemu. Zanim zagłębimy się w niuanse poszczególnych metod łączenia, warto przyjrzeć się ogólnemu obrazowi technicznemu. Każdy pojedynczy moduł PV charakteryzuje się określonymi parametrami napięcia i prądu w punkcie maksymalnej mocy.

Architektura całej instalacji PV, jej napięcie i prąd, a co za tym idzie - współpraca z falownikiem, w ogromnej mierze zależą od tego, jak te pojedyncze moduły zostaną ze sobą "spięte". Czy stworzą długie "łańcuchy" zwiększające napięcie, czy może "rozgałęzienia" potęgujące prąd? Decyzja ta to nie techniczna kapryśnica, lecz pragmatyczne podejście do realiów panujących na dachu.

Przy projektowaniu instalacji PV zawsze stajemy przed wyborem optymalnej konfiguracji połączeń modułów, który jest kluczowy dla efektywności całego systemu. Istnieją dwie podstawowe metody łączenia paneli fotowoltaicznych: szeregowa i równoległa. Każda z nich ma swoje unikalne właściwości i zastosowania, które determinują finalne parametry prądowo-napięciowe całego pola modułów.

Odpowiedni dobór metody łączenia, często podyktowany warunkami lokalnymi, rodzajem falownika, a nawet specyficznymi wymaganiami dotyczącymi bezpieczeństwa, ma bezpośredni wpływ na to, jak system poradzi sobie w typowych scenariuszach pracy. Na przykład, zacienienie nawet niewielkiej części instalacji może dramatycznie obniżyć jej wydajność, jeśli nie zastosowano odpowiedniej konfiguracji lub dodatkowych optymalizatorów.

Przyjrzenie się różnym scenariuszom instalacyjnym oraz technicznej analizie zachowania obwodu pozwala zrozumieć, dlaczego nie ma jednej "najlepszej" metody łączenia paneli dla wszystkich projektów. To, co świetnie sprawdza się na dużej, nieprzesłoniętej połaci dachu, może okazać się zupełnie nieefektywne na skomplikowanym dachu z licznymi przeszkodami. Poniżej przedstawiamy analizę tych dwóch podstawowych typów połączeń i kontekstu ich stosowania, aby rozwiać wszelkie wątpliwości.

Różnice w zachowaniu napięcia i prądu w obu konfiguracjach połączeń modułów fotowoltaicznych są fundamentalne dla zrozumienia pracy całej instalacji. Zastosowanie konkretnego schematu łączenia wpływa bezpośrednio na wartości elektryczne przekazywane do falownika, a w konsekwencji na ilość wyprodukowanej energii. Spójrzmy na to od strony danych, porównując podstawowe charakterystyki:

Analiza tych kluczowych parametrów jasno pokazuje, że wybór między połączeniem szeregowym a równoległym to nie "mniejsze zło", lecz świadoma decyzja techniczna, podejmowana w odpowiedzi na konkretne warunki środowiskowe i projektowe. Na przykład, jeśli mamy idealnie nasłoneczniony dach bez ryzyka zacienienia, wysokie napięcie generowane przez połączenie szeregowe jest często korzystne dla standardowych falowników stringowych. Natomiast w sytuacji skomplikowanego dachu, gdzie zacienienie jest nieuniknione w różnych porach dnia, to właśnie połączenie równoległe, często w połączeniu z mikrofalownikami czy optymalizatorami, pozwala na zminimalizowanie strat mocy.

Właściwy wybór konfiguracji łączeń jest jednym z najważniejszych kroków w projektowaniu efektywnej instalacji fotowoltaicznej. Ignorowanie specyfiki danego miejsca instalacji lub niewłaściwe dobranie metody połączenia do użytego sprzętu (np. falownika) może skutkować znacznym obniżeniem uzysków energii, a w skrajnych przypadkach prowadzić do przedwczesnego zużycia lub uszkodzenia komponentów. Zrozumienie przedstawionych danych to podstawa do optymalnego wykorzystania potencjału każdego panelu.

Połączenie szeregowe paneli: Wpływ na napięcie i prąd

Zastanawialiście się kiedyś, co tak naprawdę kryje się za tajemniczym terminem "string" w kontekście fotowoltaiki? To właśnie nic innego, jak seria paneli połączonych ze sobą na zasadzie "plus z minusem", tworząc jeden, długi elektryczny łańcuch. To podstawowy sposób konfiguracji w większości domowych instalacji, zwłaszcza tych opartych na tradycyjnych falownikach stringowych. Fizyka stojąca za tym rozwiązaniem jest prosta: prąd płynie przez wszystkie panele kolejno, a ich napięcia sumują się, podczas gdy natężenie prądu w całym stringu jest takie samo, jak w pojedynczym, najsłabszym ogniwie w tej serii.

Wyobraźmy sobie, że mamy 10 paneli o mocy 400W każdy, z parametrami około 40V napięcia w punkcie mocy maksymalnej (Vmp) i 10A prądu w punkcie mocy maksymalnej (Imp). Połączenie ich szeregowo oznacza, że ich napięcia (40V) sumują się, dając napięcie stringu rzędu 400V. Natężenie prądu w tym stringu wyniesie teoretycznie 10A, zakładając idealne warunki i identyczne panele. W praktyce natężenie będzie ograniczone przez panel o najniższym prądzie.

Główną zaletą uzyskania wysokiego napięcia w stringu jest efektywność przesyłu energii do falownika. Wyższe napięcie przy niższym prądzie oznacza mniejsze straty energii na rezystancji przewodów, co pozwala stosować cieńsze i tańsze okablowanie DC wewnątrz stringu. To trochę jak transport wody pod wysokim ciśnieniem w węższej rurze – mniej "tarcia" w stosunku do ilości transportowanej energii.

Standardowe falowniki stringowe wymagają zazwyczaj wysokiego napięcia wejściowego (np. od 100V do nawet 1000V i więcej, w zależności od modelu), aby efektywnie przetworzyć prąd stały (DC) z paneli na prąd zmienny (AC) do użytku domowego. Połączenie szeregowe jest naturalnym sposobem na osiągnięcie tego wymaganego zakresu napięcia. Minimalna i maksymalna liczba paneli w stringu jest ściśle określona przez zakres napięć MPPT falownika oraz jego maksymalne napięcie wejściowe DC (Voc stringu nie może przekroczyć tego limitu, zwłaszcza w niskich temperaturach).

Jednak to piękne "plus do minusa" ma swoją achillesową piętę: wrażliwość na częściowe zacienienie. Pamiętacie zasadę, że prąd w stringu jest ograniczony przez panel o najniższym natężeniu? Właśnie tutaj pojawia się problem. Jeśli jeden panel w stringu zostanie nawet częściowo zacieniony – przez komin, drzewo, liść czy zalegający śnieg – jego produktywność spada. Niestety, ten spadek nie dotyczy tylko jego samego; ogranicza on prąd *całego* stringu, sprowadzając jego wydajność do poziomu tego najsłabszego ogniwa. To klasyczny "efekt wąskiego gardła", który może znacząco obniżyć całkowity uzysk energii z instalacji, nawet o 30-50% w skrajnych przypadkach częściowego zacienienia jednego modułu.

Aby zminimalizować ten problem w systemach szeregowych, stosuje się diody bocznikujące (bypass diodes) w panelach. Działają one jak swego rodzaju "objazd", pozwalając prądowi z pozostałych, dobrze nasłonecznionych paneli ominąć zacieniony moduł. Dioda bocznikująca "aktywuje się" (przewodzi prąd) w momencie, gdy napięcie na zacienionym panelu spadnie poniżej pewnego poziomu, często do zera lub wartości ujemnej z powodu odwrotnego polaryzacji prądu wymuszonego przez resztę stringu. Typowo, panel jest podzielony na 2-3 sekcje, każda zabezpieczona własną diodą bocznikującą. To minimalizuje, ale nie eliminuje całkowicie wpływu zacienienia.

Mimo zastosowania diod bocznikujących, połączenie szeregowe jest optymalne głównie na dachach bez znaczącego zacienienia w ciągu dnia. Idealne warunki to jednopołaciowy dach skierowany na południe (lub w Polsce: południe, południowy wschód, południowy zachód), bez przeszkód rzucających cień. W takich sytuacjach wysokie napięcie stringu jest korzystne dla efektywnej pracy falownika stringowego i minimalizuje straty energii na przesyle na dłuższych dystansach DC.

Długość stringu (liczba paneli w serii) jest ściśle limitowana. Z jednej strony napięcie musi być wystarczająco wysokie, aby "wystartować" i pracować w zakresie MPPT falownika, zwłaszcza przy niskiej temperaturze i zachmurzeniu (wyższe napięcie w niskich temperaturach, ale falownik potrzebuje minimum do startu). Z drugiej strony, maksymalne napięcie w stringu w najniższych temperaturach (napięcie obwodu otwartego, Voc) nie może przekroczyć maksymalnego dopuszczalnego napięcia wejściowego DC falownika. To parametr, który montażysta musi dokładnie obliczyć na podstawie danych z karty katalogowej paneli i falownika, uwzględniając najniższą historyczną temperaturę dla danej lokalizacji, ponieważ napięcie Voc rośnie wraz ze spadkiem temperatury.

Co ciekawe, natężenie prądu w pojedynczym stringu, nawet przy wielu panelach połączonych szeregowo, pozostaje stosunkowo niskie – na poziomie Imp pojedynczego panelu (np. 10-12A dla typowych modułów mono/poli krystalicznych, choć nowe panele HJT czy TOPCon mogą mieć Imp bliżej 13-14A). To natężenie nie zmienia się znacząco z liczbą paneli, chyba że któryś panel zostanie zacieniony i jego dioda bocznikująca się uaktywni, zmniejszając efektywną liczbę modułów w stringu i potencjalnie obniżając prąd. Dla prądów rzędu 10-15A typowe przewody DC 4mm² są w zupełności wystarczające, co jest korzystne kosztowo.

Jednakże, im więcej paneli połączymy w jeden string, tym dłuższy staje się ten łańcuch fizycznie i elektrycznie. Może to mieć wpływ na lokalne przeciążenia termiczne zacienionych paneli, co historycznie było problemem, choć nowoczesne panele i diody bocznikujące znacząco zredukowały to ryzyko. Kluczowe pozostaje jednak, że wydajność całego szeregowego układu jest zdominowana przez jego najsłabszy element pracujący w danym momencie.

Ważne jest, aby projektując system szeregowy, upewnić się, że wszystkie panele w danym stringu mają identyczne nachylenie, orientację oraz w miarę możliwości są wolne od zacienienia o tej samej porze dnia. Mieszanie orientacji czy kątów nachylenia w jednym stringu szeregowym to przepis na znaczące straty, ponieważ falownik śledzi jeden punkt mocy maksymalnej dla całego stringu, który jest "kompromisem" wynikającym z warunków pracy wszystkich paneli.

Podsumowując, połączenie szeregowe to klasyka gatunku w fotowoltaice, idealna do prostych dachów i pracy z wydajnymi falownikami stringowymi. Daje wysokie napięcie, co minimalizuje straty przesyłowe DC. Jednak jego wrażliwość na częściowe zacienienie sprawia, że wymaga ono starannego projektowania i unikania miejsc, gdzie cień może być problemem. Jest to rozwiązanie często bardziej budżetowe na etapie zakupu sprzętu w porównaniu do systemów równoległych z mikrofalownikami/optymalizatorami, ale jego długoterminowa wydajność zależy krytycznie od warunków środowiskowych.

Połączenie równoległe paneli: Wpływ na napięcie i prąd

O ile połączenie szeregowe przypomina pociąg – wagoniki jeden za drugim – to połączenie równoległe to raczej magistrala drogowa, gdzie każdy panel ma swoją własną "aleję" lub kilka stringów biegnie obok siebie. Tutaj plusy łączy się z plusami, a minusy z minusami. Efekt elektryczny jest odwrotny niż w przypadku szeregowego: napięcie w całym obwodzie pozostaje takie samo, jak napięcie pojedynczego panelu (lub stringu, jeśli równolegle łączymy całe stringi), ale to prąd jest tym parametrem, który się sumuje. To podejście zyskuje na popularności, zwłaszcza w kontekście nowych technologii optymalizacji.

Weźmy ponownie nasze 400W panele (40V, 10A). Jeśli połączymy dwa takie panele równolegle, uzyskamy napięcie około 40V, ale prąd wzrośnie do 20A. Jeśli połączymy dziesięć takich paneli równolegle (np. za pomocą specjalnych skrzynek połączeniowych lub gdy każdy ma mikrofalownik/optymalizator), napięcie pozostanie bliskie 40V, a prąd może wynieść teoretycznie 100A. Robi się "gęsto" w kwestii przepływu elektronów!

Kluczową zaletą połączenia równoległego jest jego nieporównywalnie wyższa odporność na częściowe zacienienie w porównaniu do prostego połączenia szeregowego. Dlaczego? Ponieważ każdy panel (lub string, jeśli łączymy równolegle stringi) działa niezależnie w zakresie generowanego prądu. Jeśli jeden panel zostanie zacieniony, jego prąd spadnie, ale nie wpłynie to w znaczący sposób na prąd generowany przez pozostałe, dobrze nasłonecznione panele połączone równolegle. System będzie pracował z pełną mocą sumaryczną minus straty tylko na tym jednym, zacienionym panelu. To gra na nerwach słońca i cienia – zacienienie nie kładzie całego systemu, a tylko ogranicza jego fragment.

Ten sposób łączenia znajduje zastosowanie w sytuacjach, gdy ryzyko częściowego zacienienia jest wysokie lub układ dachu jest na tyle skomplikowany (różne połacie, kąty, orientacje), że utworzenie jednolitych, długich stringów szeregowych jest nieefektywne lub niemożliwe. Jest to również preferowane rozwiązanie w niskonapięciowych systemach DC, gdzie priorytetem jest bezpieczeństwo instalacji (niższe napięcie DC). Najczęściej spotykaną implementacją połączenia równoległego na poziomie panelu są systemy oparte na mikrofalownikach lub optymalizatorach mocy.

Mikrofalownik jest małym falownikiem umieszczanym bezpośrednio przy każdym panelu lub dwóch. Konwertuje on prąd DC na AC od razu na poziomie panelu. W efekcie każdy panel działa niezależnie, generując prąd zmienny, który następnie jest sumowany w obwodzie AC. Jest to de facto "maksymalnie równoległe" połączenie – każdy panel ma swój punkt MPPT śledzony indywidualnie, a zacienienie jednego modułu w minimalnym stopniu wpływa na inne.

Optymalizatory mocy to urządzenia umieszczane przy każdym panelu, które nie konwertują prądu na AC, ale optymalizują punkt pracy panelu i dostosowują napięcie/prąd, by string jako całość mógł działać efektywniej, nawet jeśli część paneli jest zacieniona. Mogą być stosowane z falownikami stringowymi i pozwalają na tworzenie stringów o różnej długości czy panelach o różnych orientacjach, co byłoby problematyczne w czystym systemie szeregowym.

Systemy oparte na mikrofalownikach czy optymalizatorach są zazwyczaj droższe na etapie zakupu sprzętu niż systemy z falownikiem stringowym. Koszt pojedynczych mikrofalowników lub optymalizatorów, choć maleje, sumarycznie przewyższa cenę jednego centralnego falownika o tej samej mocy. Jednak w skomplikowanych instalacjach o wysokim ryzyku zacienienia, wyższa wydajność i odporność na straty związane z cieniem sprawiają, że "gra jest warta świeczki", a system równoległy może przynieść znacznie wyższe długoterminowe zyski energetyczne.

Poważną wadą połączenia równoległego jest natomiast wysokie natężenie prądu w głównych przewodach prowadzących do punktu sumowania lub falownika. Gdy łączymy wiele paneli lub stringów równolegle, prądy te się sumują, osiągając znacznie wyższe wartości niż w pojedynczym stringu szeregowym. Przykładowo, jeśli połączymy równolegle pięć stringów, każdy o prądzie 10A, do falownika popłynie 50A. Wymaga to zastosowania grubszego, a co za tym idzie droższego okablowania DC, aby uniknąć nadmiernych strat energii na oporności przewodów i zapewnić bezpieczeństwo (unikanie przegrzewania). Przewody o przekroju 6mm², a nawet większym, nie są rzadkością w takich konfiguracjach.

Dodatkowo, wysoki prąd stały wymaga odpowiedniego zabezpieczenia przeciwprzepięciowego i przeciążeniowego (np. wkładki topikowe) w skrzynkach połączeniowych przed doprowadzeniem przewodów do falownika. Projektowanie systemu równoległego wymaga szczególnej uwagi na dobór zabezpieczeń i przekrojów przewodów, zgodnie z obowiązującymi normami elektrycznymi.

Podsumowując, połączenie równoległe jest bardziej elastyczne i odporne na zjawiska zewnętrzne, takie jak zacienienie czy różnice w orientacji paneli. Idealnie sprawdza się na trudnych dachach i w systemach z mikrofalownikami czy optymalizatorami. Choć może być droższe inwestycyjnie ze względu na koszt urządzeń i okablowania, w wielu przypadkach zapewnia wyższe uzyski energetyczne w rzeczywistych warunkach pracy instalacji.

Kiedy stosować połączenie szeregowe, a kiedy równoległe?

To pytanie niczym z Milionerów: Szeregowe czy równoległe? Prawidłowa odpowiedź nie jest binarna i zależy od splotu wielu czynników. W świecie fotowoltaiki nie ma jednego "najlepszego" rozwiązania pasującego do każdego dachu i każdego portfela. Decyzja o tym, Jak podłączyć panel fotowoltaiczny w ramach większego systemu, jest krytycznym etapem projektowania i w ogromnej większości przypadków spoczywa na barkach doświadczonej, profesjonalnej firmy montażowej.

Jednym z głównych, o ile nie najważniejszym czynnikiem wpływającym na wybór konfiguracji połączeń jest architektura dachu i otoczenie budynku. Czy połać jest duża, gładka i jednorodna, skierowana na południe, wolna od jakichkolwiek przeszkód? Jeśli tak, to klasyczne połączenie szeregowe, często z jednym lub dwoma długimi stringami, współpracujące ze standardowym falownikiem stringowym, będzie najprawdopodobniej optymalnym i najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem. W takich warunkach efekt zacienienia jest minimalny lub nieistniejący, a korzyści z wysokiego napięcia stringu przeważają.

Scenariusz zmienia się diametralnie, gdy mamy do czynienia z dachem wielospadowym, z lukarnami, kominami, jaskółkami, wyłazami dachowymi, czy wreszcie, gdy instalacja jest zacieniana przez pobliskie drzewa lub budynki w różnych porach dnia. W takich przypadkach połączenie szeregowe mogłoby dramatycznie obniżyć uzysk energii, a rozwiązaniem staje się pójście w kierunku bardziej elastycznych systemów równoległych. Oznacza to zazwyczaj zastosowanie mikrofalowników lub optymalizatorów mocy, które minimalizują negatywny wpływ zacienienia na całą instalację, pozwalając każdemu panelowi (lub małej grupie paneli) pracować w punkcie optymalnej mocy niezależnie od reszty.

Kolejnym kluczowym elementem układanki jest rodzaj zastosowanego falownika (inwertera). Standardowe falowniki stringowe potrzebują określonego, zazwyczaj wysokiego napięcia DC na wejściu, aby poprawnie działać (np. zakres MPPT od 200V do 800V). Wymusza to połączenie paneli szeregowo w stringi o odpowiedniej długości, by uzyskać napięcie mieszczące się w tym zakresie, zarówno w niskich, jak i wysokich temperaturach. Falownik musi mieć także wystarczającą liczbę wejść MPPT, by obsłużyć planowaną liczbę niezależnych stringów (np. jeśli mamy dwie połacie dachu o różnej orientacji, potrzebujemy co najmniej dwóch wejść MPPT lub optymalizatorów).

Z kolei zastosowanie mikrofalowników całkowicie zmienia optykę – tu mówimy o systemie o niskim napięciu DC na poziomie panelu, a energia AC jest sumowana już poza panelami. Ten typ rozwiązania jest nierozerwalnie związany z równoległą koncepcją pracy paneli, choć w praktyce sumowany jest prąd zmienny. Optymalizatory mocy natomiast działają na poziomie DC i mogą być stosowane z falownikami stringowymi, pozwalając na łączenie w stringi paneli w trudniejszych konfiguracjach, częściowo zyskując elastyczność systemów równoległych.

Nie bez znaczenia są również dalsze plany rozbudowy instalacji. Jeśli inwestor zakłada, że za jakiś czas będzie chciał dołożyć kolejne panele, sposób połączenia i dobrany falownik powinny to uwzględniać. System zaprojektowany pod połączenie szeregowe z jednym falownikiem może wymagać zakupu kolejnego falownika lub wymiany obecnego na większy model z większą liczbą wejść MPPT, jeśli dołożone panele będą tworzyć nowe stringi o innej orientacji czy będą zlokalizowane w miejscu z innym zacienieniem. System oparty na mikrofalownikach lub optymalizatorach jest często bardziej skalowalny – po prostu dokłada się kolejne moduły z mikrofalownikami/optymalizatorami i włącza do istniejącego obwodu AC lub DC.

Budżet inwestycji to czynnik, którego nie można zignorować. Generalnie, systemy z tradycyjnym falownikiem stringowym i połączeniami szeregowymi są często tańsze w zakupie od systemów opartych na mikrofalownikach czy optymalizatorach mocy (per zainstalowany wat). Jednakże, w instalacjach z wysokim ryzykiem zacienienia, straty energii w systemie szeregowym mogą być na tyle duże, że droższy system równoległy z technologią optymalizacji szybciej się zwróci i przyniesie większe długoterminowe oszczędności. To rachunek zysków i strat, który wymaga analizy potencjalnych uzysków w danym miejscu.

Lokalne przepisy i normy bezpieczeństwa mogą również mieć wpływ na wybór. W niektórych krajach czy regionach istnieją surowsze przepisy dotyczące maksymalnego napięcia DC na dachu lub wewnątrz budynku mieszkalnego. Niskonapięciowe systemy oparte na mikrofalownikach (napięcie DC rzędu kilkudziesięciu V) lub niektóre systemy z optymalizatorami oferujące funkcję szybkiego wyłączania na poziomie panelu (rapid shutdown) mogą być preferowane lub wręcz wymagane ze względów bezpieczeństwa przeciwpożarowego i dla ekip ratowniczych.

Decyzję ostatecznie podejmuje profesjonalna firma instalacyjna, która powinna dokonać dokładnej analizy warunków panujących w miejscu montażu, uwzględniając układ dachu, potencjalne zacienienia, preferencje inwestora, a także parametry wybranych paneli i falownika. Dobry projektant potrafi tak skalkulować system, aby maksymalnie wykorzystać potencjał instalacji przy danym budżecie i warunkach lokalnych, wybierając optymalne połączenie szeregowe paneli fotowoltaicznych lub połączenie równoległe paneli fotowoltaicznych lub ich kombinację w przypadku systemów wielostringowych.

Zaufanie doświadczonym instalatorom jest tutaj kluczowe. To oni dysponują wiedzą techniczną, oprogramowaniem do symulacji uzysków (uwzględniającym zacienienia) oraz praktycznym doświadczeniem, które pozwala uniknąć błędów projektowych mogących rzutować na wieloletnią pracę instalacji. Amatorskie eksperymenty w tej materii mogą być kosztowne i niebezpieczne, a prawidłowy sposób łączenia modułów fotowoltaicznych to podstawa sukcesu.

Wybór połączenia a rodzaj falownika (inwertera)

To trochę jak dobieranie garnituru do okazji – połączenie paneli musi pasować do "charakteru" falownika, z którym będzie współpracować. Falownik, serce każdej instalacji fotowoltaicznej, odpowiedzialny za konwersję prądu stałego na zmienny, ma określone wymagania co do parametrów prądu i napięcia na wejściu DC. Te wymagania bezpośrednio wpływają na to, czy zastosujemy połączenie szeregowe, połączenie równoległe, czy może kombinację obu.

Najpopularniejszym typem falownika w systemach domowych i małych komercyjnych jest falownik stringowy. Działa on optymalnie, gdy napięcie DC z paneli mieści się w określonym zakresie, zwanym zakresem śledzenia punktu maksymalnej mocy (MPPT - Maximum Power Point Tracking). Zakres ten bywa szeroki (np. od 150V do 1000V), ale aby falownik "wystartował" i pracował efektywnie, potrzebuje minimalnego napięcia startowego (np. 180V). Jak osiągnąć takie napięcie z paneli, z których każdy generuje około 40V? Oczywiście, łącząc je szeregowo w odpowiednio długi string.

Połączenie szeregowe jest więc naturalnym partnerem dla falowników stringowych. Tworzymy łańcuch paneli (np. 8-20 modułów, w zależności od paneli i falownika), aby napięcie suma-sumarum wahało się w idealnym zakresie pracy MPPT falownika przez większość czasu działania. Jeśli panele w stringu mają Vmp około 40V, string z 10 panelami da nam około 400V, co jest idealne dla większości falowników stringowych. Liczba stringów podłączonych do jednego falownika stringowego zależy od liczby dostępnych wejść MPPT (np. 1, 2 lub 3 wejścia) oraz ich maksymalnego prądu wejściowego.

Nowoczesne falowniki stringowe często posiadają dwa, a nawet trzy niezależne trackery MPPT. Pozwala to na podłączenie do jednego falownika dwóch lub trzech oddzielnych stringów, nawet jeśli mają one różną liczbę paneli, różne orientacje (np. wschód i zachód) lub są narażone na inne warunki zacienienia. W takim przypadku mamy do czynienia z systemem, gdzie panele w ramach każdego stringu są połączone szeregowo, a same stringi są podłączone do falownika równolegle (każdy do swojego trackera MPPT). Taka hybrydowa konfiguracja zwiększa elastyczność systemu w porównaniu do falownika z jednym MPPT.

Inną ścieżką, ściśle związaną z koncepcją równoległego paneli fotowoltaicznych, są systemy oparte na mikrofalownikach. Jak już wspomniano, mikrofalownik instalowany jest przy każdym panelu i konwertuje DC na AC od razu. Napięcie DC w takim systemie na poziomie panelu jest niskie (typowe Vmp panelu), a do dalszej części instalacji i sieci AC doprowadzany jest już prąd zmienny. Z punktu widzenia okablowania DC i działania, każdy panel z mikrofalownikiem jest "systemem równoległym" w stosunku do innych paneli z mikrofalownikami. To rozwiązanie doskonale radzi sobie z zacienieniem i pozwala na monitorowanie wydajności każdego panelu z osobna.

Falowniki współpracujące z optymalizatorami mocy stanowią pomost między tradycyjnymi systemami szeregowymi a systemami mikrofalownikowymi. Optymalizator przy każdym panelu dba o to, by dany moduł pracował w swoim optymalnym punkcie mocy i dostosowuje napięcie wyjściowe do wymagań stringu/falownika. Pozwala to na budowanie stringów w trudnych warunkach (zacienienie, różne orientacje) przy jednoczesnym użyciu centralnego falownika stringowego. Falowniki współpracujące z optymalizatorami często mają specyficzne wymagania co do minimalnej liczby paneli w stringu i mogą działać w szerszym zakresie napięć niż tradycyjne falowniki stringowe, dostosowując się do dynamiki systemu optymalizowanego.

Są również falowniki hybrydowe, które łączą funkcję falownika sieciowego z kontrolerem ładowania baterii. Te urządzenia muszą być w stanie obsłużyć zarówno stringi paneli (zazwyczaj połączone szeregowo, by uzyskać odpowiednie napięcie do ładowania baterii o wyższym napięciu, np. 48V, 96V, a nawet wyższym, oraz pracy sieciowej), jak i współpracować z systemem magazynowania energii. Specyfikacja napięciowo-prądowa wejść DC takiego falownika określa możliwe konfiguracje stringów.

Bardzo duże instalacje fotowoltaiczne, np. farmy fotowoltaiczne, często wykorzystują mocne falowniki centralne lub wiele falowników stringowych. W przypadku falowników centralnych (bardzo dużych, kilkudziesięciu, a nawet kilkuset kW) panele łączy się w długie stringi szeregowe, a następnie wiele takich stringów łączy się równolegle w tzw. kombinatorach (string combiner boxes) przed podłączeniem do falownika. Te falowniki "o szerszym zakresie prądu wejściowego", jak wspomniano w danych do rozdziałów, są w stanie przyjąć sumaryczny prąd z wielu równoległych stringów. Natężenie prądu z takich połączeń równoległych może być bardzo wysokie (setki, a nawet tysiące Amperów), wymagając zastosowania bardzo grubych przewodów i zaawansowanych zabezpieczeń.

W skrócie, rodzaj falownika to czynnik definiujący, jak panele muszą być połączone. Tradycyjny falownik stringowy "lubi" wysokie napięcie z połączenia szeregowego. Mikrofalowniki opierają się na koncepcji maksymalnego rozproszenia, co efektywnie przekłada się na równoległą pracę paneli. Falowniki współpracujące z optymalizatorami są bardziej elastyczne i potrafią dostosować się do mniej idealnych układów stringów. Dlatego projektując instalację, najpierw często wybiera się technologię falownika (stringowy vs. mikroinwertery vs. optymalizatory), a dopiero potem dopasowuje do niej konfigurację łączeń paneli, biorąc pod uwagę resztę czynników, takich jak zacienienie czy geometria dachu.

Decyzja o wyborze falownika i powiązanej z nim konfiguracji paneli to zawsze kompromis między kosztem inwestycyjnym, przewidywanymi uzyskanymi energetycznymi w danych warunkach i poziomem elastyczności/monitorowania, jaki chcemy uzyskać. Właściwy dobór i zespalanie paneli fotowoltaicznych to gwarancja długoletniej, bezproblemowej pracy systemu.

Właśnie ta synergia między panelem a falownikiem decyduje o tym, jak efektywnie energia słoneczna zostanie przekształcona w prąd zasilający nasz dom czy biznes. Niewłaściwie dobrana para to jak próbować wlać kwadratowy klocek do okrągłego otworu – może się uda, ale z kiepskim efektem i potencjalnymi uszkodzeniami. Znając charakterystykę połączenia szeregowego i równoległego oraz wymagania różnych typów falowników, możemy świadomie kształtować architekturę naszego systemu PV.

Pamiętajmy, że karty katalogowe paneli zawierają nie tylko Vmp i Imp, ale także Voc (napięcie obwodu otwartego) i Isc (prąd zwarciowy), parametry krytyczne przy obliczaniu minimalnej i maksymalnej liczby paneli w stringu dla danego falownika, uwzględniając skrajne temperatury. Dobry projektant zawsze bierze pod uwagę te wartości, by uniknąć uszkodzenia falownika przez zbyt wysokie napięcie Voc w zimie lub problemów ze startem falownika z powodu zbyt niskiego napięcia Vmp w lecie lub przy słabym oświetleniu. Prawidłowy projekt elektryczny to podstawa.