Od ćwierć wieku cieszymy się wolnością i poszanowaniem kapitału a w odczuciu autora inżynierowie zgłaszają mało innowacji i wynalazków.

Analizując polskie wynalazki i miejsce ich powstania autor dochodzi do wniosku, że  polscy wynalazcy są więcej doceniani  poza granicami niż w Polsce?  Taki przykład z dziedziny fotowoltaiki stanowi Olga Malinkiewicz autorka wynalazku polegającego na wydajnym nanoszeniu materiału perowskitowego na dowolnym podłożu, np. folii PET. Za to odkrycie  otrzymała główną nagrodę w prestiżowym konkursie naukowym Photonics21.

Od ponad roku autor  ma zaszczyt pracować w zespole konstruktorów pracujących nad opracowaniem polskiego falownika (inwertera) przetwarzającego energie prądu stałego na energię prądu zmiennego o parametrach sieci energetycznej tzw. ON-GRID. W wyniku tych prac  zostało dokonane  zgłoszenie patentowe „Układ przekształtnika DC/DC/AC” w Urzędzie Patentowym RP. Nr zgłoszenia: P. 412 104 Nasz nr: PK/3085/AW, zgłaszający- firma Spirvent sp. z  o.o.

 Przedmiot wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ przekształtnika DC/DC/AC, przekształcającego energię z Odnawialnych Źródeł Energii (OZE), w szczególności z paneli fotowoltaicznych,  które wykazują pojemności pasożytnicze, do jednofazowej sieci elektroenergetycznej. W tym aspekcie PV można potraktować jako źródło nieregulowanego napięcia stałego z ograniczeniem prądowym. PV charakteryzuje się dużą powierzchnią, co w niektórych przypadkach może prowadzić do wytworzenia się pojemności pomiędzy panelami fotowoltaicznymi a ziemią. Pojemność ta, rzędu 150-750 pF dla mocy 3 kW, nie wydaje się być duża. Jeżeli jednak uwzględni się zjawiska, które występują w urządzeniach przetwarzających energię elektryczną, istnienie tej pojemności powoduje zamkniętą drogę dla przepływu prądu o określonych częstotliwościach, a co za tym idzie, potencjalną możliwość porażenia człowieka lub uszkodzenia mienia (co może prowadzić nawet do zaprószenia ognia i wywołania pożaru).

Schemat blokowy układu klasycznego przekształtnika DC/DC/AC znanego ze stanu techniki, przekształcającego energię z Odnawialnych Źródeł Energii (OZE), przedstawiono na rys. 1.

Obecnie istnieją dwa rozwiązania tego zagadnienia: z użyciem transformatora oraz bez transformatora. Transformator umożliwia przerwanie ścieżki dla prądów upływu w przekształtniku. Jest to jednak obarczone dosyć wysokimi stratami i relatywnie niskimi sprawnościami (rzędu 90–94%). Rozwiązania beztransformatorowe są w dzisiejszych czasach preferowane, ponieważ cechują się relatywnie wysoką sprawnością (96–98%) oraz niższym kosztem w porównaniu do transformatorów.
Te rozwiązania można podzielić na dwie grupy: aktywne oraz pasywne. Użycie aktywnych komponentów  (tranzystory) wiąże się z ryzykiem ich uszkodzenia, np. w wyniku zestarzenia. Zwiększa się koszt sterowania oraz układu sterującego.

Polski innowacyjny inwerter wykorzystuje unikatowy sposób eliminacji prądu upływu.
Układy oparty jest o filtry LC i LCL.  W porównaniu do aktywnych sposobów redukcji prądu upływu, wymaga one dedykowanych  elementów pasywnych tzw.  cewkę sprzężoną magnetycznie,
jak i dodatkowego filtra EMC, a sterowanie prądem w takim układzie jest bardziej wymagające.

Rysunek nr 2 Schemat blokowy układu przekształtnika DC/DC/AC według wynalazku

1 – OZE, panele fotowoltaiczne, o nieregulowanym napięciu DC,
2 - Filtr wejściowy EMC,
3 - Przetwornica typu boost, regulująca na stałym poziomie napięcie z OZE 1 do DC-Link ,
4 - DC-Link, duży kondensator / superkondensator / akumulator magazynujący ładunek,
5 - Mostek tranzystorowy na przykład w postaci H-bridge,
6 - Filtr dolnoprzepustowy realizowany za pomocą cewki sprzężonej magnetycznie - Patent ,  
7 - Filtr wyjściowy EMC,
8 - Jednofazowe przyłącze sieciowe 230 Vac, 50 Hz,
9 - Uproszczony model pojemności paneli fotowoltaicznych,
10 - Procesor DSP z peryferiami, nadzorujący pracę przekształtnika
   (realizacja pomiarów, moduł MPPT, moduł PLL, sterowanie, komunikacja, archiwizacja danych).

Zaproponowane i zaimplementowane rozwiązanie zredukowało znacząco prąd upływu zwiększając efektywność całej elektrowni (systemu fotowoltaicznego).

Funkcjonalne połączenie układu sterowania z pozostałymi elementami układu przekształtnika oznacza zbieranie setek danych pomiarowych z mierników uwzględnionych w blokach filtru wyjściowego
i wejściowego, sterowanie pracą przetwornicy napięciowej oraz mostka tranzystorowego.
Układ sterowania który stanowi mózg rozwiązania oparty jest o specjalizowany procesor sygnałowy SHARC DSP Analog Device, procesor z rdzeniem ARM, układ FPGA z odpowiednimi peryferiami. Zaawansowane algorytmy sterowania i wykonywanie obliczeń w czasie rzeczywistym korzystnie wpływa na prace całego inwertera zapewniając kontrolę nad THD , cosinusem Fi oraz wysoka sprawnością w całym zakresie pracy.

Trudności techniczne stawiane przed niniejszym wynalazkiem zostały pokonane, a prototypowe przekształtniki z powodzeniem pracują.

Dzięki polskim innowacjom gotowe już inwertery Spirvent Wolta cechują się:

Lepszą eliminację prądu upływu co przekłada się na wyższe bezpieczeństwo operatora i użytkownika przed porażeniem szczególnie w pochmurne dni.

Bardziej wyrównana sprawności, co powoduje w przypadku klimatu polskiego (zachmurzenia) wyższa efektywnością energetyczną.

Trwałością wynikając z minimalizacji elementów składowych mogących ulec uszkodzeniu w torze wysoko prądowym.

Inverter Spirvent Wolta jest naszym pierwszym produktem zgłoszonym do Urzędu Patentowego.
Pracujemy nad kolejnymi, wierząc, że trzeba kultywować znakomite tradycje polskiej wynalazczości i przy dużej determinacji i wsparciu rodzimego kapitału ubierać ją w produkty projektowane i wytwarzane w Polsce konkurujące z produktami zagranicznych potentatów.

  inż. Łukasz Tylkowski