Micro-inverter solare

Un micro-inverter solare, o semplicemente microinverter, è un dispositivo plug-and-play utilizzato nel fotovoltaico, che converte la corrente continua (CC) generata da un singolo modulo solare in corrente alternata (CA).

L’output di diversi microinverter può essere combinato e spesso alimentato alla rete elettrica.

I microinverter sono in contrasto con i convenzionali inverter a stringa centrale e solare, che sono collegati a più moduli o pannelli solari dell’impianto fotovoltaico.

I microinverter presentano diversi vantaggi rispetto agli inverter convenzionali. Il vantaggio principale è che piccole quantità di ombreggiature, detriti o linee di neve su qualsiasi modulo solare, o anche un guasto completo del modulo, non riducono in modo sproporzionato l’output dell’intero array. Ogni microinverter raccoglie la potenza ottimale eseguendo il tracking del punto di massima potenza (MPPT) per il modulo collegato. La semplicità nella progettazione del sistema, i cavi di amperaggio più bassi, la gestione semplificata dello stock e una maggiore sicurezza sono altri fattori introdotti con la soluzione di microinverter.

Gli svantaggi principali di un microinverter includono un costo iniziale delle apparecchiature più alto per watt di picco rispetto alla potenza equivalente di un inverter centrale poiché ogni inverter deve essere installato adiacente a un pannello (solitamente su un tetto). Ciò inoltre li rende più difficili da mantenere e più costosi da rimuovere e sostituire. Alcuni produttori hanno affrontato questi problemi con pannelli con microinverter integrati.

Un tipo di tecnologia simile a un microinverter è un ottimizzatore di potenza che esegue anche il tracking del punto di massima potenza a livello di pannello, ma non converte in CA per modulo.

Descrizione

Inverter di stringa
I pannelli solari producono corrente continua a una tensione che dipende dal design del modulo e dalle condizioni di illuminazione. Moduli moderni che utilizzano celle da 6 pollici contengono tipicamente 60 celle e producono un valore nominale di 24-30 V. (quindi gli inverter sono pronti per 24-50 V).

Per la conversione in CA, i pannelli possono essere collegati in serie per produrre un array che è effettivamente un singolo pannello di grandi dimensioni con una potenza nominale da 300 a 600 VDC. L’alimentazione viene quindi eseguita su un inverter, che la converte in tensione CA standard, in genere 230 VAC / 50 Hz o 240 VAC / 60 Hz.

Il problema principale con l’approccio “string inverter” è che la stringa di pannelli agisce come se fosse un singolo pannello più grande con una corrente massima equivalente al più scarso performer della stringa. Ad esempio, se un pannello in una stringa ha una resistenza superiore del 5% a causa di un difetto di fabbricazione minore, l’intera stringa subisce una perdita di prestazioni del 5%. Questa situazione è dinamica. Se un pannello è ombreggiato, l’uscita diminuisce drasticamente, influenzando l’output della stringa, anche se gli altri pannelli non sono ombreggiati. Persino lievi cambiamenti di orientamento possono causare perdite di output in questo modo. Nel settore, questo è noto come “effetto luci natalizie”, in riferimento al modo in cui un’intera serie di luci dell’albero di Natale infilate in serie fallirà se un singolo bulbo fallisce. Tuttavia, questo effetto non è del tutto preciso e ignora la complessa interazione tra il moderno inseguimento del punto di massima potenza del convertitore di stringa e persino i diodi di bypass del modulo. Gli studi di ombreggiatura effettuati dalle maggiori aziende di microinverter e DC optimizer mostrano piccoli guadagni annuali in condizioni di luce, media e pesante ombreggiata (2%, 5% e 8% rispettivamente) rispetto a un inverter di stringa precedente.

Inoltre, l’efficienza dell’output di un pannello è fortemente influenzata dal carico che l’inverter pone su di esso. Per massimizzare la produzione, gli inverter utilizzano una tecnica denominata localizzazione del punto di massima potenza per garantire un raccolto energetico ottimale regolando il carico applicato. Tuttavia, gli stessi problemi che causano l’output variano da pannello a pannello, influiscono sul corretto carico che il sistema MPPT dovrebbe applicare. Se un singolo pannello funziona in un punto diverso, un inverter di stringhe può vedere solo il cambiamento complessivo e sposta il punto MPPT in modo che corrisponda. Ciò comporta non solo perdite dal pannello in ombra, ma anche gli altri pannelli. L’ombreggiatura di appena il 9% della superficie di un array può, in alcune circostanze, ridurre l’energia a livello di sistema fino al 54%. Tuttavia, come detto sopra, queste perdite di rendimento annuali sono relativamente piccole e le tecnologie più recenti consentono ad alcuni inverter di stringa di ridurre significativamente gli effetti dell’ombreggiamento parziale.

Un altro problema, sebbene minore, è che gli inverter di stringa sono disponibili in una selezione limitata di potenze nominali. Ciò significa che un determinato array normalmente dimensiona l’inverter sul modello successivo più grande rispetto alla classificazione dell’array di pannelli. Ad esempio, un array a 10 pannelli di 2300 W potrebbe dover utilizzare un inverter da 2500 o addirittura 3000 W, pagando la capacità di conversione che non può utilizzare. Questo stesso problema rende difficile modificare le dimensioni dell’array nel tempo, aggiungendo potenza quando i fondi sono disponibili (modularità). Se il cliente ha acquistato originariamente un inverter da 2500 W per i suoi 2300 W di pannelli, non è possibile aggiungere un solo pannello senza sovrasfruttare l’inverter. Tuttavia, questo sovradimensionamento è considerato una pratica comune nell’industria odierna (a volte fino al 20% rispetto alla classificazione della targa degli inverter) per tenere conto del degrado dei moduli, delle prestazioni più elevate durante i mesi invernali o per ottenere vendite più elevate all’utenza.

Altre sfide associate agli inverter centralizzati includono lo spazio necessario per localizzare il dispositivo, oltre ai requisiti di dissipazione del calore. Gli inverter centrali di grandi dimensioni sono generalmente raffreddati attivamente. Le ventole di raffreddamento producono rumore, pertanto è necessario prendere in considerazione la posizione dell’inverter rispetto agli uffici e alle aree occupate. E poiché le ventole di raffreddamento hanno parti in movimento, sporco, polvere e umidità possono influenzare negativamente le loro prestazioni nel tempo. Gli inverter di stringa sono più silenziosi ma potrebbero produrre un ronzio nel tardo pomeriggio quando l’alimentazione dell’inverter è bassa.

microinverter
I microinverter sono piccoli inverter progettati per gestire l’uscita di un singolo pannello. I moderni pannelli grigliati sono normalmente classificati tra 225 e 275 W, ma raramente li producono in pratica, quindi i microinverter sono generalmente classificati tra 190 e 220 W (alcuni, 100 W). Poiché viene utilizzato in questo punto di potenza inferiore, molti problemi di progettazione inerenti a progetti più grandi vanno semplicemente via; La necessità di un grande trasformatore è generalmente eliminata, i grandi condensatori elettrolitici possono essere sostituiti da condensatori a film sottile più affidabili e i carichi di raffreddamento sono ridotti, quindi non sono necessari ventilatori. Il tempo medio tra i guasti (MTBF) è espresso in centinaia di anni.

Ancora più importante, un microinverter collegato a un singolo pannello consente di isolare e sintonizzare l’output di quel pannello. Ad esempio, nello stesso array a 10 riquadri utilizzato come esempio sopra, con i microinverter qualsiasi pannello con prestazioni insufficienti non ha alcun effetto sui pannelli che lo circondano. In tal caso, l’array nel suo complesso produce fino al 5% in più di potenza rispetto a un inverter di stringa. Quando l’ombreggiamento viene preso in considerazione, se presente, questi guadagni possono diventare considerevoli, con i produttori che in genere richiedono il 5% di output migliore e, in alcuni casi, fino al 25% in più. Inoltre, un singolo modello può essere utilizzato con un’ampia varietà di pannelli, i nuovi pannelli possono essere aggiunti a un array in qualsiasi momento e non devono avere lo stesso valore dei pannelli esistenti.

A volte, fino a due pannelli solari sono collegati agli stessi microinverter (microinverter duo). La potenza che immette il microinverter è quindi ≥600W e 24 V (vale a dire come due pannelli solari 12 V possono essere collegati insieme). Il microinverter converte quindi la potenza fornita dai pannelli solari nella tensione CA standard, in genere 230 VAC / 50 Hz o 240 VAC / 60 Hz. La dimensione tipica di questo microinverter è: 22×16.4×5.2cm / 8.66×6.46×2.05 “.

Come detto, i microinverter producono energia di adattamento alla griglia direttamente sul retro del pannello (cioè 220 V). Le matrici di pannelli sono collegate in parallelo l’una all’altra e quindi alla griglia. Ciò ha il vantaggio principale che un singolo pannello o inverter guasto non può portare offline l’intera stringa. In combinazione con i minori carichi di energia e calore e MTBF migliorato, alcuni suggeriscono che l’affidabilità dell’array complessivo di un sistema basato su microinverter è significativamente maggiore rispetto a uno basato su inverter stringa. Questa affermazione è supportata da garanzie più lunghe, in genere da 15 a 25 anni, rispetto alle garanzie da 5 o 10 anni più tipiche per gli inverter di stringa. Inoltre, quando si verificano errori, sono identificabili in un singolo punto, al contrario di un’intera stringa. Ciò non solo rende più facile l’isolamento dei guasti, ma smaschera problemi minori che altrimenti non potrebbero essere visibili – un singolo pannello con prestazioni insufficienti potrebbe non influenzare l’output di una stringa lunga quanto basta per essere notato.

svantaggi
Il principale svantaggio del concetto di microinverter è stato, fino a poco tempo fa, un costo. Poiché ogni microinverter deve duplicare gran parte della complessità di un inverter di stringa ma diffonderlo con una potenza inferiore, i costi su base watt sono maggiori. Ciò compensa qualsiasi vantaggio in termini di semplificazione dei singoli componenti. A partire da ottobre 2010, un inverter centrale costa circa $ 0,40 per watt, mentre un microinverter costa circa $ 0,52 per watt. Come gli inverter di stringa, le considerazioni economiche costringono i produttori a limitare il numero di modelli che producono. La maggior parte produce un singolo modello che può essere sopra o sottodimensionato quando abbinato a un pannello specifico.

In molti casi la confezione può avere un effetto significativo sul prezzo. Con un inverter centrale è possibile avere un solo set di connessioni del pannello per dozzine di pannelli, una singola uscita CA e una scatola. Con i microinverter, ognuno deve avere il proprio set di input e output, nella propria confezione. Perché quella scatola è sul tetto, deve essere sigillata e resistente alle intemperie. Questo può rappresentare una porzione significativa del prezzo generale per watt.

Per ridurre ulteriormente i costi, alcuni modelli controllano due o tre pannelli da un’unica scatola, riducendo l’imballaggio e i costi associati. Alcuni sistemi collocano semplicemente due interi micro in una singola scatola, mentre altri duplicano solo la sezione MPPT del sistema e utilizzano un singolo stadio da CC a CA per ulteriori riduzioni dei costi. Alcuni hanno suggerito che questo approccio renderà i microinverter comparabili nei costi con quelli che usano invertitori di stringhe. Con prezzi in costante diminuzione, l’introduzione di microinverter doppi e l’avvento di selezioni di modelli più ampi per abbinare più strettamente l’uscita del modulo fotovoltaico, il costo è meno di un ostacolo in modo che i microinverter possano ora diffondersi più ampiamente.

I microinverter sono diventati comuni laddove le dimensioni degli array sono piccole e massimizzare le prestazioni di ogni pannello è un problema. In questi casi, il differenziale di prezzo per watt è ridotto al minimo a causa del numero ridotto di pannelli e ha un impatto minimo sul costo complessivo del sistema. Il miglioramento del raccolto energetico dato un array di dimensioni fisse può compensare questa differenza di costo. Per questo motivo, i microinverter hanno avuto maggior successo nel mercato residenziale, dove lo spazio limitato per i pannelli limita le dimensioni degli array e l’ombreggiatura da alberi vicini o altri oggetti è spesso un problema. I produttori di microinverter elencano molte installazioni, alcune piccole come un singolo pannello e la maggior parte sotto i 50.

Uno svantaggio spesso trascurato dei micro inverter è il futuro funzionamento e i costi di manutenzione ad essi associati. Mentre la tecnologia è migliorata nel corso degli anni rimane il fatto che i dispositivi alla fine si guasteranno o si consumeranno. L’installatore deve bilanciare questi costi di sostituzione (circa $ 400 per rotolo di camion), maggiori rischi per la sicurezza per il personale, le attrezzature e le scaffalature dei moduli rispetto ai margini di profitto per l’installazione. Per i proprietari di case, l’eventuale usura o guasti prematuri del dispositivo introdurranno un potenziale danno alle tegole del tetto o alle tegole, danni alla proprietà e altri fastidi.

vantaggi
Mentre i microinverter generalmente hanno un’efficienza inferiore rispetto agli inverter di stringa, l’efficienza complessiva viene aumentata a causa del fatto che ogni unità inverter / pannello opera in modo indipendente. In una configurazione di stringa, quando un pannello su una stringa è ombreggiato, l’output dell’intera stringa di pannelli viene ridotto all’output del pannello di produzione più basso. Questo non è il caso dei micro inverter.

Un ulteriore vantaggio si trova nella qualità dell’output del pannello. L’uscita nominale di due pannelli nella stessa produzione può variare fino al 10% o più. Questo è mitigato con una configurazione di stringa, ma non così in una configurazione di microinverter. Il risultato è la massima raccolta di energia da un array di microinverter.

Il monitoraggio e la manutenzione sono anche più semplici dato che molti produttori di microinverter forniscono app o siti Web per monitorare la potenza delle loro unità. In molti casi, questi sono proprietari; tuttavia questo non è sempre il caso. A seguito della scomparsa di Enecsys e della successiva chiusura del loro sito; un certo numero di siti privati ​​come Enecsys-Monitoring nascono per consentire ai proprietari di continuare a monitorare i loro sistemi.

Microinverter trifase
La conversione efficiente dell’alimentazione CC in CA richiede all’inverter di immagazzinare energia dal pannello mentre la tensione CA della rete è vicina allo zero, quindi rilasciarlo di nuovo quando sale. Ciò richiede notevoli quantità di accumulo di energia in un piccolo pacchetto. L’opzione più economica per la quantità di memoria richiesta è il condensatore elettrolitico, ma questi hanno una vita relativamente breve normalmente misurata in anni e quelle vite sono più brevi se utilizzate a caldo, come su un pannello solare sul tetto. Ciò ha portato a notevoli sforzi di sviluppo da parte degli sviluppatori di microinverter, che hanno introdotto una varietà di topologie di conversione con requisiti di archiviazione ridotti, alcuni dei quali utilizzano i condensatori a film sottile molto meno capaci ma di lunga durata ove possibile.

L’energia elettrica trifase rappresenta un’altra soluzione al problema. In un circuito a tre fasi, la potenza non varia tra (diciamo) da +120 a -120 Volt tra due linee, ma varia tra 60 e +120 o -60 e -120V, ei periodi di variazione sono molto più brevi. Gli inverter progettati per funzionare su sistemi trifase richiedono molto meno spazio. Un micro trifase che utilizza la commutazione a tensione zero può anche offrire una maggiore densità del circuito e componenti a costo inferiore, migliorando l’efficienza di conversione a oltre il 98%, migliore del tipico picco monofase del 96% circa.

I sistemi trifase, tuttavia, sono generalmente visti solo in ambienti industriali e commerciali. Normalmente questi mercati installano array più grandi, dove la sensibilità al prezzo è la più alta. L’assorbimento dei microtrifase, nonostante tutti i vantaggi teorici, sembra essere molto basso.

Protezione
La protezione dei microinverter solitamente include: anti-islanding; corto circuito; polarità inversa; basso voltaggio; sovratensione e sovratemperatura.

Usi portatili
Il pannello solare pieghevole con microinverter AC può essere utilizzato per ricaricare laptop e alcuni veicoli elettrici.

Storia
Il concetto di microinverter è stato nel settore solare sin dal suo inizio. Tuttavia, i costi fissi nella produzione, come il costo del trasformatore o dell’involucro, si adattavano in modo favorevole alle dimensioni e significava che i dispositivi più grandi erano intrinsecamente meno costosi in termini di prezzo per watt. I piccoli inverter erano disponibili da aziende come ExelTech e altri, ma queste erano semplicemente versioni piccole di progetti più grandi con prestazioni di prezzo scadenti e miravano a mercati di nicchia.

Primi esempi
Nel 1991 la società statunitense Ascension Technology iniziò a lavorare su quella che era essenzialmente una versione ridotta di un inverter tradizionale, destinata ad essere montata su un pannello per formare un pannello CA. Questo progetto era basato sul regolatore lineare convenzionale, che non è particolarmente efficiente e dissipa un considerevole calore. Nel 1994 hanno inviato un esempio a Sandia Labs per i test. Nel 1997, Ascension ha collaborato con la società di pannelli USA ASE Americas per presentare il pannello SunSine da 300 W.

Il design di, che oggi sarebbe riconosciuto come un “vero” microinverter, ripercorre la sua storia alla fine degli anni Ottanta, lavoro di Werner Kleinkauf presso l’ISET (Institut für Solare Energieversorgungstechnik), ora Fraunhofer Institute for Wind Energy and Energy System Technology. Questi progetti erano basati sulla moderna tecnologia di alimentazione a commutazione ad alta frequenza, che è molto più efficiente. Il suo lavoro sui “convertitori integrati di moduli” è stato molto influente, specialmente in Europa.

Nel 1993, la Mastervolt ha presentato il suo primo inverter a griglia, il Sunmaster 130S, basato su uno sforzo collaborativo tra Shell Solar, Ecofys ed ECN. Il 130 è stato progettato per essere montato direttamente sul retro del pannello, collegando sia le linee CA che quelle CC con raccordi a compressione. Nel 2000, il 130 è stato sostituito dal Soladin 120, un microinverter a forma di adattatore CA che consente di collegare i pannelli semplicemente collegandoli a qualsiasi presa a muro.

Nel 1995, OKE-Services ha progettato una nuova versione ad alta frequenza con efficienza migliorata, che è stata introdotta commercialmente come OK4-100 nel 1995 da NKF Kabel e reimportata per le vendite negli Stati Uniti come Trace Microsine. Una nuova versione, OK4All, ha migliorato l’efficienza e ha avuto gamme operative più ampie.

Nonostante questo promettente inizio, nel 2003 la maggior parte di questi progetti era finita. Ascension Technology è stata acquistata da Applied Power Corporation, un grande integratore. L’APC è stata a sua volta acquistata da Schott nel 2002 e la produzione SunSine è stata annullata a favore dei progetti esistenti di Schott. NKF ha concluso la produzione della serie OK4 nel 2003, quando un programma di sussidi è terminato. Mastervolt è passato ad una linea di “mini-inverter” che combina la facilità d’uso del 120 in un sistema progettato per supportare fino a 600 W di pannelli.

Enphase
All’indomani dello schianto delle Telecoms del 2001, Martin Fornage di Cerent Corporation era alla ricerca di nuovi progetti. Quando ha visto le basse prestazioni dell’inverter stringa per l’array solare nel suo ranch, ha trovato il progetto che stava cercando. Nel 2006 ha formato Enphase Energy (ora integrato in Siemens) con un altro ingegnere Cerent, Raghu Belur, e ha trascorso l’anno successivo applicando la propria esperienza nel design delle telecomunicazioni al problema degli inverter.

Rilasciato nel 2008, il modello Enphase M175 è stato il primo microinverter di successo commerciale. Un successore, l’M190, è stato introdotto nel 2009, e l’ultimo modello, l’M215, nel 2011. Sostenuto da $ 100 milioni di private equity, Enphase è rapidamente cresciuto fino al 13% del mercato entro la metà del 2010, puntando al 20% entro fine anno . Hanno spedito il loro 500.000 ° inverter all’inizio del 2011 e il loro 1.000.000 a settembre dello stesso anno. All’inizio del 2011, hanno annunciato che le versioni re-branded del nuovo design saranno vendute direttamente da Siemens agli appaltatori elettrici per una distribuzione capillare.

Enphase ha sottoscritto un accordo con EnergyAustralia, per commercializzare la sua tecnologia di microinverter.

Giocatori importanti
Il successo di Enphase non è passato inosservato e dal 2010 sono comparsi numerosi concorrenti. Molti di questi sono identici a M190 nelle specifiche e persino nel rivestimento e nei dettagli di montaggio. Alcuni si differenziano in competizioni testa a testa con Enphase in termini di prezzo o prestazioni, mentre altri stanno attaccando i mercati di nicchia.

Anche le aziende più grandi sono entrate sul campo: SMA, Enecsys e iEnergy.

OKE-Services aggiornato OK4-Tutti i prodotti sono stati recentemente acquistati da SMA e rilasciati come SunnyBoy 240 dopo un lungo periodo di gestazione, mentre Power-One ha introdotto AURORA 250 e 300. Altri importanti attori inclusi Enecsys e SolarBridge, soprattutto al di fuori del Nord America mercato. L’unico microinverter fabbricato negli USA è di Chilicon Power. Dal 2009, diverse aziende dall’Europa alla Cina, inclusi i principali produttori di inverter centrali, hanno lanciato microinverter, convalidando il microinverter come una tecnologia consolidata e uno dei più grandi cambiamenti tecnologici nel settore fotovoltaico negli ultimi anni.

APsystems sta commercializzando inverter per un massimo di quattro moduli solari, un microinverter, tra cui l’YP1000 trifase con un’uscita CA fino a 900 Watt.

Nel 2018, ci sono 19 produttori di microinverter in tutto il mondo, tra cui: Apparent, Delta, Sparq, Kaco, ABB, convertitore di array, GreenRay Solar, Azuray Technologies, Petra Solar, Direct Grid, Accurate Solar, OKE / SMA, Exeltech, National Semiconductor, Larankelo, Enphase, APsystems, Northern Electric & Power (Northernep / NEP), ReneSola (Micro Replus), SolarEpic, SWEA e Plug & Power.

C’è una crescente lista di grandi aziende fotovoltaiche di tutto il mondo che hanno collaborato con aziende di microinverter per produrre e vendere pannelli solari AC, tra cui Trina Solar, BenQ, LG, Canadian Solar, Suntech, SunPower, NESL, Hanwha SolarOne, Sharp e altri quelli che si stanno unendo.

Il prezzo diminuisce
Il periodo tra il 2009 e il 2012 ha incluso movimenti di prezzo al ribasso senza precedenti nel mercato del fotovoltaico. All’inizio di questo periodo, i pannelli erano generalmente intorno a $ 2,00 a $ 2,50 / W, e gli inverter intorno a 50 a 65 cent / W. Entro la fine del 2012, i pannelli erano ampiamente disponibili nella vendita all’ingrosso da 65 a 70 centesimi e gli inverter a stringa da 30 a 35 cent / W. In confronto, i microinverter si sono dimostrati relativamente immuni a questi stessi tipi di calo dei prezzi, passando da circa 65 cent / W a 50 a 55 una volta effettuato il cablaggio. Ciò potrebbe portare ad aumentare le perdite mentre i fornitori cercano di rimanere competitivi.

Tuttavia, nel 2018 alcuni inverter da 12/24 V CA a 110/220 V CA sono venduti a $ 0,06 / W (ad esempio microinverter da 100 W da $ 6,81).