Micro-inverter solare - Solar micro-inverter

Un micro inverter solare.

Un microinverter solare , o semplicemente microinverter , è un dispositivo plug-and-play utilizzato nel fotovoltaico , che converte la corrente continua (DC) generata da un singolo modulo solare in corrente alternata (AC). I microinverter contrastano con gli inverter solari convenzionali di stringa e centrali , in cui un singolo inverter è collegato a più pannelli solari. L'uscita di più microinverter può essere combinata e spesso immessa nella rete elettrica .

I microinverter hanno diversi vantaggi rispetto agli inverter convenzionali. Il vantaggio principale è che isolano elettricamente i pannelli l'uno dall'altro, quindi piccole quantità di ombre, detriti o linee di neve su qualsiasi modulo solare, o anche un guasto completo del modulo, non riducono in modo sproporzionato l'uscita dell'intero array. Ciascun microinverter raccoglie la potenza ottimale eseguendo il monitoraggio del punto di massima potenza (MPPT) per il modulo collegato. Semplicità nella progettazione del sistema, cavi con amperaggio inferiore, gestione semplificata delle scorte e maggiore sicurezza sono altri fattori introdotti con la soluzione a microinverter.

Gli svantaggi principali di un microinverter includono un costo dell'attrezzatura iniziale più elevato per watt di picco rispetto alla potenza equivalente di un inverter centrale poiché ogni inverter deve essere installato adiacente a un pannello (di solito su un tetto). Ciò li rende anche più difficili da mantenere e più costosi da rimuovere e sostituire. Alcuni produttori hanno risolto questi problemi con i pannelli con microinverter integrati. Un microinverter ha spesso una durata maggiore rispetto a un inverter centrale, che dovrà essere sostituito durante la durata dei pannelli solari. Pertanto, lo svantaggio finanziario in un primo momento può diventare un vantaggio a lungo termine.

Un ottimizzatore di potenza è un tipo di tecnologia simile a un microinverter e esegue anche il monitoraggio del punto di massima potenza a livello di pannello, ma non si 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. I moduli moderni che utilizzano celle da 6 pollici contengono in genere 60 celle e producono una tensione 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 unico grande pannello con una potenza nominale da 300 a 600 V CC. L'alimentazione viene quindi trasmessa a un inverter, che la converte in una tensione CA standard, tipicamente 230 VAC / 50 Hz o 240 VAC / 60 Hz.

Il problema principale con l'approccio "inverter di stringa" è che la stringa di pannelli si comporta come se fosse un singolo pannello più grande con una corrente nominale massima equivalente al rendimento peggiore nella 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, il suo output diminuisce drasticamente, influenzando l'output della stringa, anche se gli altri pannelli non sono ombreggiati. Anche lievi cambiamenti nell'orientamento possono causare una perdita di output in questo modo. Nel settore, questo è noto come "effetto luci di Natale", riferendosi al modo in cui un'intera serie di luci dell'albero di Natale infilate in serie si guasterà se si guasta una singola lampadina. Tuttavia, questo effetto non è del tutto accurato e ignora la complessa interazione tra il monitoraggio del punto di massima potenza del moderno inverter di stringa e persino i diodi di bypass del modulo . Gli studi sull'ombra delle principali società di microinverter e ottimizzatori CC mostrano piccoli guadagni annuali in condizioni di ombra leggera, media e pesante - rispettivamente 2%, 5% e 8% - rispetto a un inverter di stringa più vecchio.

Inoltre, l'efficienza dell'uscita di un pannello è fortemente influenzata dal carico che l'inverter pone su di esso. Per massimizzare la produzione, gli inverter utilizzano una tecnica chiamata tracciamento del punto di massima potenza per garantire una raccolta di energia ottimale regolando il carico applicato. Tuttavia, gli stessi problemi che fanno variare l'output da pannello a pannello, influiscono sul carico corretto che il sistema MPPT dovrebbe applicare. Se un singolo pannello funziona in un punto diverso, un inverter di stringa può vedere solo la variazione complessiva e sposta il punto MPPT in modo che corrisponda. Ciò si traduce in perdite non solo per il pannello in ombra, ma anche per gli altri pannelli. L'ombreggiatura di appena il 9% della superficie di un array può, in alcune circostanze, ridurre la potenza dell'intero sistema fino al 54%. Tuttavia, come affermato in precedenza, 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 dato array normalmente aumenta le dimensioni dell'inverter al modello successivo più grande rispetto alla valutazione dell'array di pannelli. Ad esempio, un array di 10 pannelli da 2300 W potrebbe dover utilizzare un inverter da 2500 o addirittura 3000 W, pagando per 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 originariamente acquistato un inverter da 2500 W per i suoi 2300 W di pannelli, non può aggiungere nemmeno un singolo pannello senza sovraccaricare l'inverter. Tuttavia, questo sovradimensionamento è considerato una pratica comune nel settore odierno (a volte fino al 20% in più rispetto alla targa dati dell'inverter) per tenere conto del degrado del modulo, delle prestazioni più elevate durante i mesi invernali o per ottenere una maggiore rivendita all'utenza.

Altre sfide associate agli inverter centralizzati includono lo spazio necessario per localizzare il dispositivo, nonché i requisiti di dissipazione del calore. Gli inverter centrali di grandi dimensioni sono generalmente raffreddati attivamente. Le ventole di raffreddamento fanno rumore, quindi è necessario considerare la posizione dell'inverter rispetto agli uffici e alle aree occupate. E poiché le ventole di raffreddamento hanno parti mobili, sporco, polvere e umidità possono influire negativamente sulle loro prestazioni nel tempo. Gli inverter di stringa sono più silenziosi ma potrebbero produrre un ronzio nel tardo pomeriggio quando la potenza dell'inverter è bassa.

Microinverter

I microinverter sono piccoli inverter classificati per gestire l'uscita di un singolo pannello o di una coppia di pannelli. I pannelli grid-tie sono normalmente valutati tra 225 e 275 W, ma raramente producono questo in pratica, quindi i microinverter sono generalmente classificati tra 190 e 220 W (a volte, 100 W). Poiché viene utilizzato a questo punto di potenza inferiore, molti problemi di progettazione inerenti a progetti più grandi semplicemente scompaiono; la necessità di un grande trasformatore viene 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 necessarie ventole. Il tempo medio tra i guasti (MTBF) è espresso in centinaia di anni.

Un microinverter collegato a un singolo pannello consente di isolare e regolare l'uscita di quel pannello. Qualsiasi pannello con prestazioni insufficienti non ha alcun effetto sui pannelli circostanti. In tal caso, l'array nel suo insieme produce fino al 5% in più di potenza rispetto a un inverter di stringa. Quando si tiene conto dell'ombra, se presente, questi guadagni possono diventare considerevoli, con i produttori che generalmente affermano una produzione migliore del 5% come minimo e, in alcuni casi, fino al 25%. Inoltre, un singolo modello può essere utilizzato con un'ampia varietà di pannelli, nuovi pannelli possono essere aggiunti a un array in qualsiasi momento e non devono avere la stessa classificazione dei pannelli esistenti.

I microinverter producono corrente alternata adatta alla rete direttamente sul retro di ciascun pannello solare. Gli array di pannelli sono collegati in parallelo tra loro e quindi alla griglia. Questo ha il grande vantaggio che un singolo pannello o inverter guasto non può portare offline l'intera stringa. In combinazione con i carichi energetici e termici inferiori e l'MTBF migliorato, alcuni suggeriscono che l'affidabilità complessiva dell'array di un sistema basato su microinverter è significativamente maggiore di uno basato su inverter di stringa. Questa affermazione è supportata da garanzie più lunghe, in genere da 15 a 25 anni, rispetto alle garanzie di 5 o 10 anni che sono più tipiche per gli inverter di stringa. Inoltre, quando si verificano guasti, sono identificabili in un singolo punto, anziché in un'intera stringa. Ciò non solo rende più semplice l'isolamento dei guasti, ma smaschera anche problemi minori che altrimenti potrebbero non essere visibili: un singolo pannello con prestazioni insufficienti potrebbe non influire sull'uscita di una stringa lunga abbastanza da essere notato.

Svantaggi

Il principale svantaggio del concetto di microinverter è stato, fino a poco tempo fa, il costo. Poiché ogni microinverter deve duplicare gran parte della complessità di un inverter di stringa ma distribuirla su una potenza nominale inferiore, i costi per watt sono maggiori. Questo compensa ogni vantaggio in termini di semplificazione dei singoli componenti. A partire da febbraio 2018, un inverter centrale costa circa $ 0,13 per watt, mentre un microinverter costa circa $ 0,34 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 sovradimensionato o sottodimensionato se abbinato a un pannello specifico.

In molti casi l'imballaggio può avere un effetto significativo sul prezzo. Con un inverter centralizzato potresti avere un solo set di connessioni per dozzine di pannelli, una singola uscita CA e una scatola. Le installazioni di microinverter più grandi di circa 15 pannelli possono richiedere anche una scatola dell'interruttore "combinatore" montata sul tetto. Questo può aumentare il prezzo complessivo per watt.

Per ridurre ulteriormente i costi, alcuni modelli controllano due o tre pannelli da un inverter, riducendo l'imballaggio ei costi associati. Alcuni sistemi mettono due interi micro in un'unica scatola, mentre altri duplicano solo la sezione MPPT del sistema e utilizzano un singolo stadio DC-AC per ulteriori riduzioni dei costi. Alcuni hanno suggerito che questo approccio renderà i microinverter comparabili in termini di costi con quelli che utilizzano inverter di stringa. Con prezzi in costante diminuzione, l'introduzione di doppi microinverter e l'avvento di selezioni di modelli più ampie per abbinare più da vicino l'uscita del modulo fotovoltaico, il costo è meno di un ostacolo.

I microinverter sono diventati comuni dove le dimensioni degli array sono piccole e l'ottimizzazione delle prestazioni di ogni pannello è una preoccupazione. In questi casi, la differenza di prezzo per watt è ridotta al minimo a causa del numero ridotto di pannelli e ha scarso effetto sul costo complessivo del sistema. Il miglioramento della raccolta di energia 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 dell'array e l'ombreggiamento 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 anni.

Uno svantaggio spesso trascurato dei micro inverter sono i futuri costi operativi e di manutenzione ad essi associati. Sebbene la tecnologia sia migliorata nel corso degli anni, resta il fatto che i dispositivi alla fine si guastano o si consumano. L'installatore deve bilanciare questi costi di sostituzione (circa $ 400 per rotolo di camion), maggiori rischi per la sicurezza del personale, delle attrezzature e delle scaffalature dei moduli con i margini di profitto per l'installazione. Per i proprietari di case, l'eventuale usura o guasti prematuri del dispositivo introdurranno potenziali danni alle tegole o alle tegole del tetto, danni alla proprietà e altri fastidi.

Vantaggi

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

Un ulteriore vantaggio si trova nella qualità dell'output del pannello. La potenza nominale di due pannelli qualsiasi nello stesso ciclo di produzione può variare fino al 10% o più. Questo è mitigato con una configurazione a microinverter, ma non così in una configurazione a stringa. Il risultato è la massima raccolta di energia da un array di microinverter.

I sistemi con microinverter possono anche essere modificati più facilmente, quando la richiesta di energia aumenta o diminuisce nel tempo. Poiché ogni pannello solare e microinverter è un piccolo sistema a sé stante, agisce in una certa misura in modo indipendente. Ciò significa che l'aggiunta di uno o più pannelli fornirà solo più energia, purché il gruppo elettrico fuso in una casa o in un edificio non superi i suoi limiti. Al contrario, con inverter basati su stringhe, la dimensione dell'inverter deve essere in accordo con la quantità di pannelli o la quantità di potenza di picco. Scegliere un inverter di stringa sovradimensionato è possibile, quando si prevede un'estensione futura, ma tale previsione per un futuro incerto aumenta comunque i costi.

Anche il monitoraggio e la manutenzione sono più semplici poiché 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; sono sorti numerosi siti privati ​​come Enecsys-Monitoring per consentire ai proprietari di continuare a monitorare i propri sistemi.

Microinverter trifase

La conversione efficiente della potenza CC in CA richiede che l'inverter immagazzini energia dal pannello mentre la tensione CA della rete è vicina allo zero, per poi rilasciarla nuovamente quando aumenta. 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 durata relativamente breve normalmente misurata in anni, e tali durate sono più brevi quando funzionano a caldo, come su un pannello solare sul tetto. Ciò ha portato a un notevole sforzo 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 condensatori a film sottile molto meno capaci ma molto più longevi ove possibile.

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

I sistemi trifase, tuttavia, sono generalmente presenti solo in ambienti industriali e commerciali. Questi mercati normalmente installano array più grandi, dove la sensibilità al prezzo è la più alta. L'assorbimento dei micro trifase, nonostante tutti i vantaggi teorici, sembra essere molto basso.

Protezione

La protezione dei microinverter di solito include: anti- isoleing ; cortocircuito ; polarità inversa ; bassa tensione ; 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 nell'industria solare sin dal suo inizio. Tuttavia, i costi fissi nella produzione, come il costo del trasformatore o della custodia, si adattavano favorevolmente alle dimensioni e significavano che i dispositivi più grandi erano intrinsecamente meno costosi in termini di prezzo per watt . Piccoli inverter erano disponibili da aziende come ExelTech e altri, ma si trattava semplicemente di piccole versioni di progetti più grandi con prestazioni di prezzo scarse e mirati a mercati di nicchia.

Primi esempi

Lanciato nel 1993, il Sunmaster 130S di Mastervolt è stato il primo vero microinverter.
Un altro dei primi microinverter, l'OK4E-100 del 1995 – E per l'Europa, 100 per 100 watt.

Nel 1991 la società statunitense Ascension Technology ha iniziato 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 AC . Questo progetto si basava sul regolatore lineare convenzionale, che non è particolarmente efficiente e dissipa un calore considerevole. Nel 1994 hanno inviato un esempio a Sandia Labs per i test. Nel 1997, Ascension ha collaborato con la società di pannelli statunitense ASE Americas per introdurre il pannello SunSine da 300 W.

Il design di quello che oggi sarebbe riconosciuto come un "vero" microinverter, fa risalire la sua storia al lavoro della fine degli anni '80 di Werner Kleinkauf presso l'ISET ( Institut für Solare Energieversorgungstechnik ), ora Fraunhofer Institute for Wind Energy and Energy System Technology. Questi progetti si basavano sulla moderna tecnologia di alimentazione a commutazione ad alta frequenza, che è molto più efficiente. Il suo lavoro sui "convertitori integrati di modulo" è stato molto influente, soprattutto in Europa.

Nel 1993 Mastervolt ha introdotto il suo primo inverter grid-tie , 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 AC che DC con raccordi a compressione . Nel 2000 il 130 è stato sostituito dal Soladin 120, un microinverter a forma di adattatore AC che permette di collegare i pannelli semplicemente collegandoli a una 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 rinominata per le vendite negli Stati Uniti come Trace Microsine. Una nuova versione, l'OK4All, migliorava l'efficienza e aveva un raggio d'azione più ampio.

Nonostante questo inizio promettente, nel 2003 la maggior parte di questi progetti era terminata. Ascension Technology è stata acquistata da Applied Power Corporation, un grande integratore. APC è stata a sua volta acquistata da Schott nel 2002 e la produzione di SunSine è stata annullata a favore dei progetti esistenti di Schott. La NKF ha interrotto la produzione della serie OK4 nel 2003, quando è terminato un programma di sovvenzioni. Mastervolt è passata a una linea di "mini-inverter" che unisce la semplicità di utilizzo del 120 in un sistema progettato per supportare fino a 600 W di pannelli.

Enfase

All'indomani del crollo delle telecomunicazioni del 2001 , Martin Fornage di Cerent Corporation era alla ricerca di nuovi progetti. Quando ha visto le basse prestazioni dell'inverter di stringa per l'array solare nel suo ranch, ha trovato il progetto che stava cercando. Nel 2006 ha fondato Enphase Energy con un altro ingegnere di Cerent, Raghu Belur, e hanno trascorso l'anno successivo ad applicare la loro esperienza nella progettazione 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. Sostenuta da 100 milioni di dollari in private equity, Enphase è cresciuta rapidamente fino al 13% della quota di mercato entro la metà del 2010, puntando al 20% entro la fine dell'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 con il nuovo marchio del nuovo design saranno vendute da Siemens direttamente agli appaltatori elettrici per una distribuzione diffusa.

Enphase ha sottoscritto un accordo con EnergyAustralia per commercializzare la propria tecnologia a microinverter.

Giocatori principali

Il successo di Enphase non è passato inosservato e dal 2010 una miriade di concorrenti è arrivata e in gran parte ha lasciato lo spazio. Molti dei prodotti erano identici all'M190 nelle specifiche e persino nell'involucro e nei dettagli di montaggio. Alcuni si differenziano per competere testa a testa con Enphase in termini di prezzo o prestazioni, mentre altri stanno attaccando mercati di nicchia.

Entrano in campo anche aziende più grandi: SMA , Enecsys e iEnergy .

Il prodotto OKE-Services aggiornato OK4-All è stato acquistato da SMA nel 2009 e rilasciato come SunnyBoy 240 dopo un lungo periodo di gestazione, mentre Power-One ha introdotto AURORA 250 e 300. Altri importanti attori intorno al 2010 includevano Enecsys e SolarBridge Technologies , in particolare fuori dal mercato nordamericano. Nel 2021, l'unico microinverter prodotto negli Stati Uniti è di Chilicon Power. Dal 2009, diverse aziende dall'Europa alla Cina, compresi i principali produttori di inverter centrali, hanno lanciato i 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 e microinverter, incluso l'YC1000 trifase con una potenza CA fino a 1130 Watt.

Il numero di produttori è diminuito nel corso degli anni, sia per logoramento che per consolidamento. Nel 2019, i pochi rimasti includono Enphase che ha acquistato SolarBridge nel 2021, Omnik Solar e Chilicon Power (acquisita da Generac nel luglio 2021).

Nel luglio 2021 l'elenco delle grandi aziende fotovoltaiche che hanno collaborato con aziende di microinverter per produrre e vendere pannelli solari AC include Siemens , Trina Solar , BenQ , LG , Canadian Solar , Suntech , SunPower , NESL , Hanwha SolarOne , Sharp .

Il prezzo diminuisce

Il periodo tra il 2009 e il 2012 ha incluso un movimento al ribasso senza precedenti dei prezzi nel mercato del fotovoltaico. All'inizio di questo periodo, il prezzo all'ingrosso per i pannelli era generalmente compreso tra $ 2,00 e $ 2,50/W e gli inverter tra 50 e 65 centesimi/W. Alla fine del 2012, i pannelli erano ampiamente disponibili all'ingrosso a 65-70 centesimi e gli inverter di stringa a circa 30-35 cent/W. In confronto, i microinverter si sono dimostrati relativamente immuni a questo stesso tipo di calo dei prezzi, passando da circa 65 cent/W a 50-55 una volta che il cablaggio è stato preso in considerazione. Ciò potrebbe portare ad un aumento delle perdite poiché i fornitori tentano di rimanere competitivi.

Guarda anche

Appunti

Riferimenti

citazioni
Bibliografia

link esterno