Microinversor solar - Solar micro-inverter

Veja também: Módulo AC
Um microinversor solar.

Um microinversor solar , ou simplesmente microinversor , é um dispositivo plug-and-play usado em fotovoltaicos , que converte a corrente contínua (DC) gerada por um único módulo solar em corrente alternada (AC). Os microinversores contrastam com strings convencionais e inversores solares centrais , nos quais um único inversor é conectado a vários painéis solares. A saída de vários microinversores pode ser combinada e frequentemente fornecida à rede elétrica .

Os microinversores têm várias vantagens em relação aos inversores convencionais. A principal vantagem é que eles isolam eletricamente os painéis uns dos outros, de forma que pequenas quantidades de sombreamento, detritos ou linhas de neve em qualquer módulo solar, ou mesmo uma falha completa do módulo, não reduzem desproporcionalmente a saída de todo o conjunto. Cada microinversor coleta a potência ideal realizando o rastreamento do ponto de potência máxima (MPPT) para seu módulo conectado. Simplicidade no projeto do sistema, fios de corrente inferior, gerenciamento de estoque simplificado e segurança adicional são outros fatores introduzidos com a solução de microinversor.

As principais desvantagens de um microinversor incluem um custo de equipamento inicial mais alto por watt de pico do que a potência equivalente de um inversor central, uma vez que cada inversor precisa ser instalado adjacente a um painel (geralmente em um telhado). Isso também os torna mais difíceis de manter e mais caros para remover e substituir. Alguns fabricantes resolveram esses problemas com painéis com microinversores integrados. Um microinversor costuma ter uma vida útil mais longa do que um inversor central, que precisará ser substituído durante a vida útil dos painéis solares. Portanto, a desvantagem financeira no início pode se tornar uma vantagem no longo prazo.

Um otimizador de energia é um tipo de tecnologia semelhante a um microinversor e também faz o rastreamento do ponto de potência máxima no nível do painel, mas não converte para CA por módulo.

Descrição

Inversor de string

Artigo principal: inversor solar

Os painéis solares produzem corrente contínua em uma voltagem que depende do projeto do módulo e das condições de iluminação. Módulos modernos que usam células de 6 polegadas normalmente contêm 60 células e produzem 24-30 V. nominais (portanto, os inversores estão prontos para 24-50 V).

Para conversão em CA, os painéis podem ser conectados em série para produzir uma matriz que é efetivamente um único painel grande com uma classificação nominal de 300 a 600 VCC. A energia então vai para um inversor, que a converte em tensão CA padrão, normalmente 230 VAC / 50 Hz ou 240 VAC / 60 Hz.

O principal problema com a abordagem do "inversor de string" é que a string de painéis age como se fosse um único painel maior com uma classificação de corrente máxima equivalente ao pior desempenho da string. Por exemplo, se um painel em uma coluna tem 5% a mais de resistência devido a um pequeno defeito de fabricação, toda a coluna sofre uma perda de desempenho de 5%. Essa situação é dinâmica. Se um painel estiver sombreado, sua saída cai drasticamente, afetando a saída da string, mesmo se os outros painéis não estiverem sombreados. Mesmo pequenas mudanças na orientação podem causar perda de saída desta forma. Na indústria, isso é conhecido como o "efeito luzes de Natal", referindo-se à maneira como toda uma série de luzes de árvore de Natal enfiadas em série irá falhar se uma única lâmpada falhar. No entanto, esse efeito não é totalmente preciso e ignora a complexa interação entre o rastreamento do ponto de potência máxima do inversor de string moderno e até mesmo os diodos de bypass do módulo . Estudos de sombra pelas principais empresas de microinversores e otimizadores DC mostram pequenos ganhos anuais em condições de sombras leves, médias e pesadas - 2%, 5% e 8% respectivamente - em relação a um inversor de string mais antigo.

Além disso, a eficiência da saída de um painel é fortemente afetada pela carga que o inversor coloca sobre ele. Para maximizar a produção, os inversores usam uma técnica chamada rastreamento do ponto de potência máxima para garantir a colheita de energia ideal ajustando a carga aplicada. No entanto, os mesmos problemas que fazem com que a saída varie de painel para painel afetam a carga adequada que o sistema MPPT deve aplicar. Se um único painel opera em um ponto diferente, um inversor de string só pode ver a mudança geral e move o ponto MPPT para corresponder. Isso resulta em perdas não apenas do painel sombreado, mas também dos outros painéis. O sombreamento de apenas 9% da superfície de uma matriz pode, em algumas circunstâncias, reduzir a energia de todo o sistema em até 54%. No entanto, como afirmado acima, essas perdas anuais de rendimento são relativamente pequenas e as tecnologias mais recentes permitem que alguns inversores de string reduzam significativamente os efeitos do sombreamento parcial.

Outro problema, embora menor, é que os inversores string estão disponíveis em uma seleção limitada de potências nominais. Isso significa que um determinado array normalmente aumenta o tamanho do inversor para o próximo maior modelo em relação à classificação do array do painel. Por exemplo, um array de 10 painéis de 2300 W pode ter que usar um inversor de 2500 ou até 3000 W, pagando pela capacidade de conversão que não pode usar. Esse mesmo problema torna difícil mudar o tamanho do array ao longo do tempo, adicionando poder quando os fundos estão disponíveis (modularidade). Se o cliente comprou originalmente um inversor de 2500 W para seus 2300 W de painéis, ele não pode adicionar nem mesmo um único painel sem sobrecarregar o inversor. No entanto, esse superdimensionamento é considerado uma prática comum na indústria de hoje (às vezes tão alto quanto 20% acima da classificação da placa de identificação do inversor) para contabilizar a degradação do módulo, desempenho superior durante os meses de inverno ou para obter maior retorno para a concessionária.

Outros desafios associados aos inversores centralizados incluem o espaço necessário para localizar o dispositivo, bem como os requisitos de dissipação de calor. Os grandes inversores centrais são normalmente resfriados ativamente. Ventiladores de resfriamento fazem barulho, portanto, a localização do inversor em relação aos escritórios e áreas ocupadas deve ser considerada. E como os ventiladores de resfriamento têm peças móveis, sujeira, poeira e umidade podem afetar negativamente seu desempenho ao longo do tempo. Os inversores de string são mais silenciosos, mas podem produzir um zumbido no final da tarde, quando a energia do inversor está baixa.

Microinverter

Microinversores são pequenos inversores classificados para lidar com a saída de um único painel ou de um par de painéis. Os painéis de amarração são normalmente classificados entre 225 e 275 W, mas raramente produzem isso na prática, então os microinversores são normalmente classificados entre 190 e 220 W (às vezes, 100 W). Por ser operado neste ponto de potência inferior, muitos problemas de projeto inerentes a projetos maiores simplesmente desaparecem; a necessidade de um grande transformador é geralmente eliminada, grandes capacitores eletrolíticos podem ser substituídos por capacitores de película fina mais confiáveis ​​e as cargas de resfriamento são reduzidas para que nenhum ventilador seja necessário. O tempo médio entre falhas (MTBF) é estimado em centenas de anos.

Um microinversor conectado a um único painel permite isolar e ajustar a saída desse painel. Qualquer painel com baixo desempenho não tem efeito nos painéis ao seu redor. Nesse caso, a matriz como um todo produz até 5% mais potência do que produziria com um inversor de string. Quando o sombreamento é levado em consideração, se presente, esses ganhos podem se tornar consideráveis, com os fabricantes geralmente reivindicando uma produção 5% melhor, no mínimo, e até 25% melhor em alguns casos. Além disso, um único modelo pode ser usado com uma ampla variedade de painéis, novos painéis podem ser adicionados a uma matriz a qualquer momento e não precisam ter a mesma classificação dos painéis existentes.

Os microinversores produzem energia CA compatível com a rede diretamente na parte traseira de cada painel solar. Matrizes de painéis são conectadas em paralelo entre si e, em seguida, à grade. Isso tem a principal vantagem de que um único painel com falha ou inversor não pode colocar todo o string off-line. Combinado com a menor potência e cargas de calor e MTBF aprimorado, alguns sugerem que a confiabilidade geral da matriz de um sistema baseado em microinversor é significativamente maior do que um baseado em inversor de string. Esta afirmação é suportada por garantias mais longas, normalmente de 15 a 25 anos, em comparação com garantias de 5 ou 10 anos que são mais típicas para inversores de string. Além disso, quando ocorrem falhas, elas são identificáveis ​​em um único ponto, em oposição a uma string inteira. Isso não apenas torna o isolamento de falhas mais fácil, mas desmascara pequenos problemas que poderiam não se tornar visíveis - um único painel de baixo desempenho pode não afetar a saída de uma sequência longa o suficiente para ser notado.

Desvantagens

A principal desvantagem do conceito de microinversor era, até recentemente, o custo. Como cada microinversor tem que duplicar grande parte da complexidade de um inversor string, mas distribuí-la por uma classificação de potência menor, os custos por watt são maiores. Isso compensa qualquer vantagem em termos de simplificação de componentes individuais. Em fevereiro de 2018, um inversor central custava aproximadamente US $ 0,13 por watt, enquanto um microinversor custava aproximadamente US $ 0,34 por watt. Assim como os inversores de string, as considerações econômicas forçam os fabricantes a limitar o número de modelos que produzem. A maioria produz um único modelo que pode ser maior ou menor quando combinado com um painel específico.

Em muitos casos, a embalagem pode ter um efeito significativo no preço. Com um inversor central, você pode ter apenas um conjunto de conexões de painel para dezenas de painéis, uma única saída CA e uma caixa. Instalações de microinversores maiores do que cerca de 15 painéis também podem exigir uma caixa de disjuntor "combinador" montada no telhado. Isso pode aumentar o preço geral por watt.

Para reduzir ainda mais os custos, alguns modelos controlam dois ou três painéis de um inversor, reduzindo a embalagem e os custos associados. Alguns sistemas colocam dois micros inteiros em uma única caixa, enquanto outros duplicam apenas a seção MPPT do sistema e usam um único estágio DC para AC para maiores reduções de custo. Alguns sugeriram que essa abordagem tornará os microinversores comparáveis ​​em custo aos que usam inversores de string. Com a queda constante dos preços, a introdução de microinversores duplos e o advento de seleções mais amplas de modelos para corresponder melhor à saída do módulo PV, o custo é um obstáculo menor.

Os microinversores se tornaram comuns onde os tamanhos de array são pequenos e maximizar o desempenho de cada painel é uma preocupação. Nesses casos, o diferencial no preço por watt é minimizado devido ao pequeno número de painéis e tem pouco efeito no custo geral do sistema. A melhoria na colheita de energia dada uma matriz de tamanho fixo pode compensar essa diferença de custo. Por esse motivo, os microinversores têm sido mais bem-sucedidos no mercado residencial, onde o espaço limitado para os painéis restringe o tamanho da matriz e o sombreamento de árvores próximas ou outros objetos costuma ser um problema. Os fabricantes de microinversores listam muitas instalações, algumas tão pequenas quanto um único painel e a maioria com menos de 50.

Uma desvantagem frequentemente esquecida dos microinversores são os custos futuros de operação e manutenção associados a eles. Embora a tecnologia tenha melhorado ao longo dos anos, o fato é que os dispositivos irão eventualmente falhar ou se desgastar. O instalador deve equilibrar esses custos de substituição (cerca de US $ 400 por rolo de caminhão), maiores riscos de segurança para o pessoal, equipamentos e módulos de rack com as margens de lucro para a instalação. Para os proprietários de casas, o desgaste eventual ou falhas prematuras do dispositivo irão introduzir danos potenciais às telhas ou telhas, danos à propriedade e outros incômodos.

Vantagens

Embora os microinversores geralmente tenham uma eficiência menor do que os inversores string, a eficiência geral é aumentada devido ao fato de que cada inversor / unidade de painel atua de forma independente. Em uma configuração de coluna, quando um painel em uma coluna é sombreado, a saída de toda a coluna de painéis é reduzida à saída do painel de produção mais baixo. Este não é o caso dos microinversores.

Uma outra vantagem é encontrada na qualidade de saída do painel. A saída nominal de quaisquer dois painéis na mesma execução de produção pode variar em até 10% ou mais. Isso é atenuado com uma configuração de microinversor, mas não em uma configuração de string. O resultado é a obtenção de potência máxima de uma matriz de microinversores.

Os sistemas com microinversores também podem ser alterados com mais facilidade, quando as demandas de energia aumentam ou diminuem com o tempo. Como cada painel solar e microinversor é um pequeno sistema próprio, ele atua até certo ponto de forma independente. Isso significa que adicionar um ou mais painéis apenas fornecerá mais energia, desde que o grupo de eletricidade fundida em uma casa ou edifício não exceda seus limites. Ao contrário, com inversores baseados em string, o tamanho do inversor precisa estar de acordo com a quantidade de painéis ou a quantidade de potência de pico. A escolha de um inversor string superdimensionado é possível, quando uma extensão futura é prevista, mas tal provisão para um futuro incerto aumenta os custos em qualquer caso.

O monitoramento e a manutenção também são mais fáceis, pois muitos produtores de microinversores fornecem aplicativos ou sites para monitorar a saída de energia de suas unidades. Em muitos casos, eles são proprietários; no entanto, nem sempre é esse o caso. Após o fim da Enecsys e o subsequente fechamento de seu site; vários sites privados, como o Enecsys-Monitoring, surgiram para permitir que os proprietários continuassem a monitorar seus sistemas.

Microinversores trifásicos

A conversão eficiente de energia CC em CA exige que o inversor armazene energia do painel enquanto a tensão CA da rede está próxima de zero e, em seguida, libere-a novamente quando aumentar. Isso requer uma quantidade considerável de armazenamento de energia em um pacote pequeno. A opção de menor custo para a quantidade necessária de armazenamento é o capacitor eletrolítico, mas estes têm tempos de vida relativamente curtos normalmente medidos em anos, e esses tempos de vida são mais curtos quando operado a quente, como em um painel solar de telhado. Isso levou a um esforço de desenvolvimento considerável por parte dos desenvolvedores de microinversores, que introduziram uma variedade de topologias de conversão com requisitos de armazenamento reduzidos, alguns usando os capacitores de filme fino muito menos capazes, mas de vida muito mais longa, quando possível.

A energia elétrica trifásica representa outra solução para o problema. Em um circuito trifásico, a potência não varia entre (digamos) +120 a -120 V entre duas linhas, mas em vez disso, varia entre 60 e +120 ou -60 e -120 V, e os períodos de variação são muito mais curtos . Os inversores projetados para operar em sistemas trifásicos requerem muito menos armazenamento. Um micro trifásico usando comutação de tensão zero também pode oferecer maior densidade de circuito e componentes de custo mais baixo, enquanto melhora a eficiência de conversão para mais de 98%, melhor do que o pico monofásico típico em torno de 96%.

Os sistemas trifásicos, no entanto, geralmente são vistos apenas em ambientes industriais e comerciais. Esses mercados normalmente instalam matrizes maiores, onde a sensibilidade ao preço é mais alta. A absorção de micros trifásicos, apesar de quaisquer vantagens teóricas, parece ser muito baixa.

Proteção

A proteção de microinversores geralmente inclui: anti- ilhamento ; curto-circuito ; polaridade reversa ; baixa tensão ; sobretensão e sobretemperatura.

Usos portáteis

O painel solar dobrável com microinversores AC pode ser usado para recarregar laptops e alguns veículos elétricos .

História

O conceito de microinversor está na indústria solar desde o seu início. No entanto, os custos fixos de fabricação, como o custo do transformador ou gabinete, eram escalonados favoravelmente com o tamanho e significavam que dispositivos maiores eram inerentemente mais baratos em termos de preço por watt . Pequenos inversores estavam disponíveis em empresas como a ExelTech e outras, mas eram simplesmente pequenas versões de projetos maiores com baixo desempenho de preço e voltados para nichos de mercado.

Primeiros exemplos

Lançado em 1993, o Sunmaster 130S da Mastervolt foi o primeiro microinverter verdadeiro.
Outro microinversor inicial, o OK4E-100 - E de 1995 para a Europa, 100 para 100 watts.

Em 1991, a empresa norte-americana de Tecnologia da Ascensão começou a trabalhar no que era essencialmente uma versão encolhida de um inversor tradicional, projetado para ser montado em um painel para formar um painel AC . Este projeto foi baseado no regulador linear convencional, que não é particularmente eficiente e dissipa calor considerável. Em 1994, eles enviaram um exemplo para o Sandia Labs para teste. Em 1997, a Ascension fez parceria com a empresa de painéis americana ASE Americas para apresentar o painel 300 W SunSine.

O design do, que hoje seria reconhecido como um "verdadeiro" microinversor, traça sua história até o trabalho de Werner Kleinkauf no final dos anos 1980 no ISET ( Institut für Solare Energieversorgungstechnik ), agora Instituto Fraunhofer de Energia Eólica e Tecnologia de Sistemas de Energia. Esses projetos foram baseados na moderna tecnologia de fonte de alimentação de comutação de alta frequência, que é muito mais eficiente. Seu trabalho em "conversores integrados de módulo" foi muito influente, especialmente na Europa.

Em 1993, a Mastervolt apresentou seu primeiro inversor de rede , o Sunmaster 130S, com base em um esforço colaborativo entre Shell Solar, Ecofys e ECN. O 130 foi projetado para ser montado diretamente na parte traseira do painel, conectando as linhas CA e CC com acessórios de compressão . Em 2000, o 130 foi substituído pelo Soladin 120, um microinversor na forma de um adaptador CA que permite que os painéis sejam conectados simplesmente conectando-os a qualquer tomada de parede .

Em 1995, a OKE-Services projetou uma nova versão de alta frequência com eficiência aprimorada, que foi introduzida comercialmente como OK4-100 em 1995 pela NKF Kabel, e renomeada para vendas nos Estados Unidos como Trace Microsine. Uma nova versão, o OK4All, melhorou a eficiência e teve faixas operacionais mais amplas.

Apesar desse início promissor, em 2003 a maioria desses projetos havia terminado. A Ascension Technology foi adquirida pela Applied Power Corporation, um grande integrador. O APC, por sua vez, foi comprado por Schott em 2002, e a produção do SunSine foi cancelada em favor dos projetos existentes de Schott. A NKF encerrou a produção da série OK4 em 2003, quando um programa de subsídios terminou. A Mastervolt mudou para uma linha de "mini-inversores" combinando a facilidade de uso do 120 em um sistema projetado para suportar até 600 W de painéis.

Enphase

Após o crash das telecomunicações em 2001 , Martin Fornage, da Cerent Corporation, estava em busca de novos projetos. Quando viu o baixo desempenho do inversor string para o painel solar de sua fazenda, encontrou o projeto que procurava. Em 2006, ele formou a Enphase Energy com outro engenheiro da Cerent, Raghu Belur, e eles passaram o ano seguinte aplicando seus conhecimentos de design de telecomunicações para o problema do inversor.

Lançado em 2008, o modelo Enphase M175 foi o primeiro microinversor comercialmente bem-sucedido. Um sucessor, o M190, foi lançado em 2009, e o modelo mais recente, o M215, em 2011. Apoiado por US $ 100 milhões em capital privado, a Enphase cresceu rapidamente para 13% de participação no mercado em meados de 2010, com o objetivo de 20% no final do ano . Eles enviaram seu 500.000º inversor no início de 2011 e seu 1.000.000º em setembro do mesmo ano. No início de 2011, eles anunciaram que as versões com nova marca do novo design serão vendidas pela Siemens diretamente a fornecedores de eletricidade para ampla distribuição.

A Enphase assinou um acordo com a EnergyAustralia para comercializar sua tecnologia de microinversores .

Jogadores principais

O sucesso da Enphase não passou despercebido e, desde 2010, uma série de concorrentes vieram e em grande parte deixaram o espaço. Muitos dos produtos eram idênticos ao M190 nas especificações e até nos detalhes da caixa e da montagem. Alguns se diferenciam competindo cara a cara com a Enphase em termos de preço ou desempenho, enquanto outros estão atacando nichos de mercado.

Empresas maiores também entraram em campo: SMA , Enecsys e iEnergy .

OKE-Services atualizado O produto OK4-All foi comprado pela SMA em 2009 e lançado como SunnyBoy 240 após um longo período de gestação, enquanto o Power-One introduziu o AURORA 250 e 300. Outros jogadores importantes por volta de 2010 incluíam Enecsys e SolarBridge Technologies , especialmente fora do mercado norte-americano. Em 2021, o único microinversor fabricado nos EUA é da Chilicon Power. Desde 2009, várias empresas da Europa à China, incluindo os principais fabricantes de inversores centrais, lançaram microinversores - validando o microinversor como uma tecnologia estabelecida e uma das maiores mudanças de tecnologia na indústria fotovoltaica nos últimos anos.

A APsystems está comercializando inversores para até quatro módulos solares e microinversores, incluindo o YC1000 trifásico com uma saída CA de até 1130 Watts.

O número de fabricantes diminuiu ao longo dos anos, tanto por desgaste quanto por consolidação. Em 2019, os poucos restantes incluem a Enphase que comprou SolarBridge em 2021, Omnik Solar e Chilicon Power (adquirida pela Generac em julho de 2021).

Em julho de 2021, a lista de empresas de PV de grande nome que fizeram parceria com empresas de microinversores para produzir e vender painéis solares AC incluem Siemens , Trina Solar , BenQ , LG , Canadian Solar , Suntech , SunPower , NESL , Hanwha SolarOne , Sharp .

Quedas de preço

O período entre 2009 e 2012 incluiu um movimento de queda sem precedentes dos preços no mercado fotovoltaico. No início deste período, os preços de atacado para painéis eram geralmente em torno de US $ 2,00 a US $ 2,50 / W, e os inversores em torno de 50 a 65 centavos / W. No final de 2012, os painéis estavam amplamente disponíveis no atacado a 65 a 70 centavos de dólar e os inversores string em torno de 30 a 35 centavos / W. Em comparação, os microinversores provaram ser relativamente imunes a esses mesmos tipos de declínios de preço, passando de cerca de 65 centavos / W para 50-55 uma vez que o cabeamento seja considerado. Isso pode levar a perdas cada vez maiores à medida que os fornecedores tentam se manter competitivos.

Veja também

Notas

Referências

Citações
Bibliografia

links externos