Czym jest moc bierna w instalacji fotowoltaicznej? Wyjaśniamy

Jak powstaje moc bierna?

Kilka słów o prądzie przemiennym

Panele fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały. Jednak, żeby mógł on zasilać urządzenia domowe albo lokalną sieć musi zostać przetworzony w falowniku na przemienny. W przeciwieństwie do stałego prąd zmienny charakteryzuje się okresową zmianą polaryzacji. Ale co to właściwie znaczy? Najprościej odróżnić prąd stały od przemiennego przedstawiając go na wykresie. Prąd przemienny przyjmuje na nim postać sinusoidy, czyli oscyluje między wartością najniższą i najwyższą. To właśnie ta właściwość prądu zmiennego pomaga lepiej zrozumieć co to jest moc bierna.

Na wykresie prądu zmiennego możemy przedstawić za pomocą sinusoidy zarówno natężenie jak i napięcie prądu. W idealnym układzie nie ma przesunięcia między sinusoidą napięcia i natężenia. Osiągają one maksymalną wartość i przechodzą przez punkt zero synchronicznie. W takiej sytuacji powstaje tylko moc czynna. Moc bierna lub energia bierna pojawia się natomiast kiedy nastąpi przesunięcie sinusoidy. Co może ją spowodować? Co generuje moc bierną?

Przyczyny powstania energii biernej

Istnieje kilka powodów powstawania mocy biernej w urządzeniach prądu zmiennego. Zanim wyjaśnimy to dokładniej musimy wprowadzić jeszcze dwa inne pojęcia:

• Moc czynna – mierzy się ją w jednostkach Watt (W). Ta moc jest przerabiana na pracę lub energię np. cieplną. To jest ta moc, na której nam zależy w urządzeniach zasilanych prądem elektrycznych lub go wytwarzających.
• Moc pozorna – mierzona w voltoamperach (VA). Opisuje się ją jako iloczyn wartości skutecznych napięcia i natężenia prądu. Nie musimy się tutaj zajmować dokładną definicją „wartości skutecznych”. Moc pozorna jest często podawana w opisie urządzeń wytwarzających prąd jako moc znamionowa.
• Moc bierna – mierzona jest w varach (ang. volt-amper reactive); jeśli spojrzymy na nią z tego punktu widzenia, jest po prostu iloczynem wartości skutecznych napięcia i natężenia prądu (mocy pozornej) oraz sinusa kąta przesunięcia fazowego. Dlatego jeżeli przesunięcie jest równe zeru (albo mówiąc bardziej opisowo – nie zachodzi), to moc bierna również jest równa zeru.

Wiemy już matematycznie czym różni się moc bierna od mocy czynnej. Jak to wygląda w praktyce? Jak można się domyślać na podstawie nazwy, energia bierna nie przynosi korzyści. Prąd o określonym napięciu przepływa przez układ, ale nie wytwarza ciepła, ani nie wykonuje żadnej pracy. To będzie ważne w dalszej części artykułu, ponieważ problemy z energią bierną dotyczą przede wszystkim użytkowników dużych instalacji i instalacji komercyjnych.

Niestety to jeszcze nie koniec definicji. Dodatkowo odróżniana jest moc bierna indukcyjna od mocy biernej pojemnościowej. Czym się różnią? Na naszym wykresie mieliśmy dwie sinusoidy, reprezentujące przepływ napięcia i natężenia. Przesunięcie może się dokonać w dwie strony. Jeżeli linia napięcia przechodzi przez punkt „0” wcześniej niż linia natężenia, to jest to moc bierna indukcyjna. W przypadku gdy jest odwrotnie, powstaje moc lub energia bierna pojemnościowa. Moc bierna pojemnościowa, tak samo jak moc bierna indukcyjna, może wpływać na efektywność sieci elektroenergetycznej i na jej stabilność.

Jaki jest skutek powstawania energii biernej?

Dlaczego powinniśmy się w ogóle przejmować tym rodzajem mocy? Czy płacimy za moc bierną? Jak ona wpływa na efektywność urządzeń?

Może elektryk by się z nami nie zgodził, ale na nasze potrzeby możemy rozumieć moc bierną jako rodzaj „zanieczyszczenia” w układzie, który „zatyka” przepływ energii potrzebnej do wykonania danej pracy. Z punktu widzenia użytkownika skutkiem tego „zatkania” jest mniej efektywne działanie instalacji. Jednak pojawienie się dużej ilości mocy biernej skutkuje też podwyższonymi opłatami za prąd.

Kiedy i dlaczego dopłacamy do mocy biernej?

Nazwaliśmy moc bierną rodzajem zanieczyszczenia, ponieważ przepływa ona między siecią i odbiornikami, obciążając sieć i zwiększając koszty przesyłania prądu dla dystrybutorów. Z tego powodu wprowadzono dodatkową stawkę, jeżeli moc bierna przekroczy pewną wielkość. Opłaty za powstawanie energii biernej indukcyjnej i pojemnościowej są uregulowane w rozporządzeniu Ministra Klimatu i Środowiska z 2022 roku.

Moc bierna indukcyjna jest niebezpieczna lub uciążliwa tylko w większych ilościach, dlatego opłaty za nią są pobierane tylko jeżeli przekroczy wielkość (iloczyn) zapisaną w umowie. Natomiast opłaty za energię bierną pojemnościową są pobierane zawsze, ponieważ moc pojemnościowa zagraża pracy sieci.

W praktyce wygląda to tak, że w warunkach domowych rzadko jest przekraczana dopuszczalna ilość mocy biernej. Z tego powodu gospodarstwa z małymi instalacjami nie dopłacają do pobierania tego rodzaju mocy. Prawdziwe niebezpieczeństwo wytworzenia energii biernej pojemnościowej istnieje w dużych farmach fotowoltaicznych, np. u spółdzielni energetycznych, firm, prywatnych mikroelektrowni o dużej mocy itp. To nie znaczy, że indywidualni prosumenci są z nich zwolnieni. Z prawnego punktu widzenia możliwe jest pobranie opłaty od każdego, kto korzysta z sieci w systemie prosumenckim. Po prostu dla małego zużycia i produkcji prądu są to wielkości minimalne i nie opłaca się naliczać kary lub nie wpływa ona w żaden znaczący sposób na wysokość rachunków.

Jeżeli nie jesteście pewni czy w waszej instalacji powstaje tylko moc czynna czy również moc bierna, to najlepiej dokonać specjalnych pomiarów. Można poprosić o pomoc specjalistę. Jeżeli okaże się, że prąd zmienny w waszych urządzeniach nie jest zsynchronizowany, to pozostaje regulacja urządzeń lub kompensacja mocy biernej za pomocą dodatkowego sprzętu. Jeśli szukasz więcej porad i informacji, sprawdź także zebrane w tym miejscu artykuły na temat fotowoltaiki.

Kompensacja – co to jest i jak ją przeprowadzić

Jak przeprowadzić kompensację mocy biernej?

Istnieje kilka sposobów, żeby przeprowadzić kompensację. Niestety niektóre z nich mogą się wiązać z dodatkowymi wydatkami. Najczęściej do kompensacji mocy biernej stosuje się baterie kondensatorów, które niwelują energię bierną indukcyjną lub dławiki indukcyjne, które ograniczają moc bierną pojemnościową. Na rynku dostępne są też urządzenia, które służą do kompensacji obu rodzajów mocy w jednym.

Jeżeli potrzebna nam jest kompensacja mocy biernej w domu, to możemy zacząć od regulacji falownika. Nowoczesne falowniki mają wbudowany system regulacji mocy biernej. Jeżeli nie działają tak jak powinny, to ustawienia mogą zostać zmienione tylko przez osoby uprawnione. Dodatkowo zlecającym może być w tym przypadku operator sieci, a nie użytkownik urządzeń.

Jeżeli decydujemy się na kompensację mocy biernej w domu za pomocą urządzeń do tego przeznaczonych, też warto poprosić specjalistę o poradę i pomoc praktyczną.

Najważniejsze jest jednak to, że nie każdy musi się obawiać opłat za moc bierną tylko z powodu posiadania fotowoltaiki. Mając małą instalację domową prawdopodobnie nigdy nie zapłacimy za moc bierną. Jeżeli istnieje możliwość pojawienia się większych wartości mocy biernej, to i tak urządzenia t.j. przetwornice i falowniki powinny ją regulować automatycznie. Dopiero jeżeli i ta opcja zawiedzie, to możemy się ubiegać o zgłoszenie falownika do regulacji. Na koniec, po wyczerpaniu tych wszystkich opcji będzie konieczna kompensacja mocy biernej za pomocą przeznaczonych do tego urządzeń.

W innej sytuacji są wspomniane wcześniej firmy i właściciele dużych farm fotowoltaicznych, którzy powinni się liczyć z dodaniem urządzeń kompensacyjnych do kosztów instalacji.

Ile to będzie kosztowało?

Ponieważ większość falowników powinna regulować moc bierną automatycznie, to kompensacja mocy biernej w domu jest raczej ostatecznością. Jeżeli jednak masz firmę lub większą instalację fotowoltaiczną, to dobrze wiedzieć jakiego rzędu jest to wydatek.

Całościowe kompensatory kosztują od kilkunastu do ok. 20 tys. złotych. To mniej więcej drugi raz tyle ile zapłacimy za mały zestaw paneli fotowoltaicznych. Do tego trzeba dodać usługę pomiarów i regulacji, która też prawdopodobnie przekroczy cenę 1000 zł. Sam pomiar i konsultacja (koszt usługi ok. 250-500 zł) przed podjęciem ostatecznej decyzji mogą nas powstrzymać przed dużym wydatkiem.