Un microinversor solar, o simplemente microinversor, es un dispositivo plug-and-play utilizado en energía fotovoltaica, que convierte la corriente continua (CC) generada por un solo módulo solar en corriente alterna (CA).

La salida de varios microinversores se puede combinar y, a menudo, alimentar a la red eléctrica.

Los microinversores contrastan con la cadena convencional y los inversores solares centrales, que están conectados a múltiples módulos solares o paneles del sistema fotovoltaico.

Los microinversores tienen varias ventajas sobre los inversores convencionales. La principal ventaja es que pequeñas cantidades de sombreado, restos o líneas de nieve en cualquier módulo solar, o incluso una falla completa del módulo, no reducen desproporcionadamente la salida de toda la matriz. Cada microinversor cosecha la energía óptima realizando un seguimiento máximo del punto de potencia (MPPT) para su módulo conectado. La simplicidad en el diseño del sistema, los cables de menor amperaje, la administración simplificada de existencias y la seguridad adicional son otros factores que se introducen con la solución de microinversores.

Las principales desventajas de un microinversor incluyen un costo inicial de equipo más alto por vatio pico que la potencia equivalente de un inversor central, ya que cada inversor debe instalarse junto a un panel (generalmente en un techo). Esto también hace que sea más difícil de mantener y más costoso de eliminar y reemplazar. Algunos fabricantes han abordado estos problemas con paneles con microinversores incorporados.

Un tipo de tecnología similar a un microinversor es un optimizador de potencia que también realiza un seguimiento del punto de máxima potencia a nivel del panel, pero no se convierte en CA por módulo.

Descripción

Inversor de cadena
Los paneles solares producen corriente continua a una tensión que depende del diseño del módulo y las condiciones de iluminación. Los módulos modernos que usan celdas de 6 pulgadas normalmente contienen 60 celdas y producen un valor nominal de 24-30 V. (por lo que los inversores están listos para 24-50 V).

Para la conversión en CA, los paneles pueden conectarse en serie para producir una matriz que es efectivamente un único panel grande con una clasificación nominal de 300 a 600 VDC. Luego, la energía se conecta a un inversor, que la convierte en voltaje de CA estándar, típicamente 230 VCA / 50 Hz o 240 VCA / 60 Hz.

El principal problema con el enfoque de «inversor de string» es que la cadena de paneles actúa como si fuera un panel más grande con una clasificación de corriente máxima equivalente al ejecutante más pobre de la cadena. Por ejemplo, si un panel en una cadena tiene una resistencia 5% mayor debido a un defecto de fabricación menor, toda la cadena sufre una pérdida de rendimiento del 5%. Esta situación es dinámica. Si un panel está sombreado, su salida se reduce drásticamente, lo que afecta la salida de la cadena, incluso si los otros paneles no están sombreados. Incluso pequeños cambios en la orientación pueden causar una pérdida de producción de esta manera. En la industria, esto se conoce como el «efecto de luces de Navidad», en referencia a la forma en que una serie completa de luces de árbol de Navidad en serie fallará si falla una sola bombilla. Sin embargo, este efecto no es del todo exacto e ignora la interacción compleja entre el seguimiento del punto de máxima potencia del inversor de cadena moderno e incluso los diodos de derivación del módulo. Los estudios de sombreado realizados por los principales microinversores y las empresas optimizadoras de DC muestran pequeñas ganancias anuales en condiciones de sombra ligera, media y pesada, 2%, 5% y 8% respectivamente, con respecto a un inversor de cadenas más antiguo.

Además, la eficiencia de la salida de un panel se ve fuertemente afectada por la carga que el inversor coloca en él. Para maximizar la producción, los inversores utilizan una técnica llamada seguimiento del punto de máxima potencia para garantizar una cosecha de energía óptima mediante el ajuste de la carga aplicada. Sin embargo, los mismos problemas que hacen que la salida varíe de un panel a otro, afectan la carga adecuada que debería aplicar el sistema MPPT. Si un solo panel opera en un punto diferente, un inversor de cadena solo puede ver el cambio general y mueve el punto MPPT para que coincida. Esto da como resultado no solo pérdidas del panel sombreado, sino también de los otros paneles. El sombreado de tan solo el 9% de la superficie de una matriz puede, en algunas circunstancias, reducir la potencia en todo el sistema hasta en un 54%. Sin embargo, como se indicó anteriormente, estas pérdidas anuales de rendimiento son relativamente pequeñas y las nuevas tecnologías permiten que algunos inversores de cadena reduzcan significativamente los efectos del sombreado parcial.

Otro problema, aunque de menor importancia, es que los inversores string están disponibles en una selección limitada de clasificaciones de potencia. Esto significa que una matriz dada normalmente aumenta el tamaño del inversor al siguiente modelo más grande sobre la clasificación de la matriz de paneles. Por ejemplo, una matriz de 10 paneles de 2300 W podría tener que usar un inversor de 2500 o incluso 3000 W, pagando por la capacidad de conversión que no puede usar. Este mismo problema hace que sea difícil cambiar el tamaño de la matriz a lo largo del tiempo, agregando potencia cuando los fondos están disponibles (modularidad). Si el cliente originalmente compró un inversor de 2500 W para sus 2300 W de paneles, no puede agregar ni un solo panel sin sobreimpulsar el inversor. Sin embargo, este sobredimensionamiento se considera una práctica común en la industria actual (a veces tan alta como 20% sobre la calificación de la placa del inversor) para explicar la degradación del módulo, un mayor rendimiento durante los meses de invierno o para lograr una mayor venta de la utilidad.

Otros desafíos asociados con los inversores centralizados incluyen el espacio requerido para ubicar el dispositivo, así como los requisitos de disipación de calor. Los inversores centrales grandes normalmente se enfrían activamente. Los ventiladores de refrigeración hacen ruido, por lo que se debe considerar la ubicación del inversor en relación con las oficinas y las áreas ocupadas. Y debido a que los ventiladores de enfriamiento tienen partes móviles, la suciedad, el polvo y la humedad pueden afectar negativamente su desempeño con el tiempo. Los inversores de cadena son más silenciosos pero pueden producir un zumbido al final de la tarde cuando la potencia del inversor es baja.

Microinversor
Los microinversores son pequeños inversores con capacidad para manejar la salida de un solo panel. Los paneles modernos con conexión a la red normalmente se clasifican entre 225 y 275 W, pero rara vez lo producen en la práctica, por lo que los microinversores suelen tener entre 190 y 220 W (algunos, 100 W). Debido a que se opera en este punto de menor consumo, muchos problemas de diseño inherentes a los diseños más grandes simplemente desaparecen; la necesidad de un transformador grande generalmente se elimina, los condensadores electrolíticos grandes pueden reemplazarse por condensadores de película delgada más confiables, y las cargas de enfriamiento se reducen por lo que no se necesitan ventiladores. El tiempo medio entre fallas (MTBF) se cita en cientos de años.

Más importante aún, un microinversor conectado a un solo panel le permite aislar y ajustar la salida de ese panel. Por ejemplo, en la misma matriz de 10 paneles utilizada como ejemplo anterior, con los microinversores cualquier panel que tenga un rendimiento bajo no tiene ningún efecto en los paneles que lo rodean. En ese caso, la matriz como un todo produce hasta un 5% más de potencia que con un inversor de cadena. Cuando se incluye el sombreado, si está presente, estas ganancias pueden llegar a ser considerables, ya que los fabricantes generalmente reclaman un 5% mejor de producción como mínimo y hasta un 25% mejor en algunos casos. Además, un único modelo se puede utilizar con una amplia variedad de paneles, los paneles nuevos se pueden agregar a una matriz en cualquier momento, y no tienen que tener la misma calificación que los paneles existentes.

A veces, tanto como dos paneles solares están conectados a los mismos microinversores (microinversor dúo). La potencia que ingresa al microinversor es entonces ≥600W y 24 V (es decir, como se dijo, se pueden unir dos paneles solares de 12 V). El microinversor luego convierte la energía proporcionada por los paneles solares en voltaje de CA estándar, típicamente 230 VCA / 50 Hz o 240 VCA / 60 Hz. El tamaño típico de este microinversor es: 22×16.4×5.2cm / 8.66×6.46×2.05 «.

Como se dijo, los microinversores producen energía de igualación de cuadrícula directamente en la parte posterior del panel (es decir, 220V). Las matrices de paneles están conectadas en paralelo entre sí, y luego a la red. Esto tiene la gran ventaja de que un solo panel o inversor que falla no puede desconectar toda la cadena. En combinación con las cargas de potencia y calor más bajas, y el MTBF mejorado, algunos sugieren que la fiabilidad global de un sistema basado en microinversores es significativamente mayor que la basada en un inversor de cadenas. Esta afirmación es respaldada por garantías más largas, generalmente de 15 a 25 años, en comparación con las garantías de 5 o 10 años que son más típicas para los inversores de cadena. Además, cuando ocurren fallas, son identificables a un solo punto, en oposición a una cadena completa. Esto no solo hace que el aislamiento de fallas sea más fácil, sino que desenmascara problemas menores que de otra manera no se volverían visibles: un solo panel de bajo rendimiento no puede afectar la producción de una cadena larga lo suficiente como para notarse.

Desventajas
La principal desventaja del concepto de microinversor ha sido, hasta hace poco, el costo. Debido a que cada microinversor tiene que duplicar gran parte de la complejidad de un inversor de cadena, pero se extiende a una potencia menor, los costos en vatios son mayores. Esto compensa cualquier ventaja en términos de simplificación de componentes individuales. A partir de octubre de 2010, un inversor central cuesta aproximadamente $ 0,40 por vatio, mientras que un microinversor cuesta aproximadamente $ 0,52 por vatio. Al igual que los inversores string, las consideraciones económicas obligan a los fabricantes a limitar el número de modelos que producen. La mayoría produce un único modelo que puede ser demasiado grande o demasiado pequeño cuando se combina con un panel específico.

En muchos casos, el embalaje puede tener un efecto significativo en el precio. Con un inversor central, puede tener solo un conjunto de conexiones de panel para docenas de paneles, una única salida de CA y una caja. Con los microinversores, cada uno debe tener su propio conjunto de entradas y salidas, en su propia caja. Debido a que esa caja está en el techo, debe estar sellada e impermeabilizada. Esto puede representar una porción significativa del precio general por vatio.

Para reducir aún más los costos, algunos modelos controlan dos o tres paneles de una sola caja, lo que reduce el embalaje y los costos asociados. Algunos sistemas simplemente colocan dos micros completos en una sola caja, mientras que otros duplican solo la sección MPPT del sistema y usan una sola etapa DC-to-AC para reducir aún más los costos. Algunos han sugerido que este enfoque hará que los microinversores sean comparables en costo con aquellos que usan inversores de cadena. Con la constante disminución de los precios, la introducción de microinversores duales y el advenimiento de selecciones de modelos más amplios para que coincida con la salida del módulo fotovoltaico más de cerca, el costo es un obstáculo menor por lo que los microinversores ahora pueden extenderse más ampliamente.

Los microinversores se han vuelto comunes donde los tamaños de matriz son pequeños y maximizar el rendimiento de cada panel es una preocupación. En estos casos, el diferencial en el precio por vatio se minimiza debido a la pequeña cantidad de paneles y tiene poco efecto en el costo general del sistema. La mejora en la cosecha de energía dada una matriz de tamaño fijo puede compensar esta diferencia de costo. Por esta razón, los microinversores han tenido más éxito en el mercado residencial, donde el espacio limitado para los paneles limita el tamaño de la matriz, y el sombreado de los árboles cercanos u otros objetos es a menudo un problema. Los fabricantes de microinversores enumeran muchas instalaciones, algunas tan pequeñas como un solo panel y la mayoría tienen menos de 50.

Una desventaja que a menudo se pasa por alto de los microconvertidores es la operación futura y los costos de mantenimiento asociados con ellos. Si bien la tecnología ha mejorado a través de los años, el hecho es que los dispositivos eventualmente fallarán o se desgastarán. El instalador debe equilibrar estos costos de reemplazo (alrededor de $ 400 por rollo de camión), mayores riesgos de seguridad para el personal, el equipo y la estantería de módulos en comparación con los márgenes de ganancia para la instalación. Para los propietarios, el desgaste eventual o las fallas prematuras del dispositivo introducirán un daño potencial a las tejas o tejas, daño a la propiedad y otras molestias.

Ventajas
Mientras que los microinversores generalmente tienen una eficiencia menor que los variadores de cadena, la eficiencia general se incrementa debido al hecho de que cada unidad de inversor / panel actúa independientemente. En una configuración de cadena, cuando un panel de una cadena está sombreado, la salida de toda la cadena de paneles se reduce a la salida del panel de menor producción. Este no es el caso con los micro inversores.

Una ventaja adicional se encuentra en la calidad de salida del panel. La salida nominal de dos paneles en la misma serie de producción puede variar hasta en un 10% o más. Esto se mitiga con una configuración de cadena pero no en una configuración de microinversor. El resultado es la máxima potencia de cosecha de una matriz de microinversores.

El monitoreo y el mantenimiento también son más fáciles ya que muchos productores de microinversores proporcionan aplicaciones o sitios web para monitorear la producción de potencia de sus unidades. En muchos casos, estos son propietarios; Sin embargo, este no es siempre el caso. Tras la desaparición de Enecsys, y el posterior cierre de su sitio; varios sitios privados como Enecsys-Monitoring surgieron para permitir a los propietarios continuar monitoreando sus sistemas.

Microinversores trifásicos
La conversión eficiente de la alimentación de CC a CA requiere que el inversor almacene energía desde el panel mientras que el voltaje de CA de la red está cerca de cero, y luego lo libera nuevamente cuando se eleva. Esto requiere cantidades considerables de almacenamiento de energía en un paquete pequeño. La opción de menor costo para la cantidad de almacenamiento requerida es el condensador electrolítico, pero estos tienen tiempos de vida relativamente cortos, normalmente medidos en años, y esas duraciones son más cortas cuando funcionan en caliente, como en un panel solar en la azotea. Esto ha llevado a un considerable esfuerzo de desarrollo por parte de los desarrolladores de microinversores, que han introducido una variedad de topologías de conversión con requisitos de almacenamiento reducidos, algunos utilizando condensadores de capa fina mucho menos capaces pero con una vida útil mucho más prolongada donde sea posible.

La energía eléctrica trifásica representa otra solución al problema. En un circuito trifásico, la potencia no varía entre (digamos) +120 a -120 voltios entre dos líneas, sino que varía entre 60 y +120 o -60 y -120V, y los períodos de variación son mucho más cortos. Los inversores diseñados para funcionar en sistemas trifásicos requieren mucho menos almacenamiento. Un micro trifásico que usa conmutación de voltaje cero también puede ofrecer una mayor densidad de circuito y componentes de menor costo, al tiempo que mejora la eficiencia de conversión a más del 98%, mejor que el típico pico monofásico de alrededor del 96%.

Los sistemas trifásicos, sin embargo, generalmente solo se ven en entornos industriales y comerciales. Estos mercados normalmente instalan matrices más grandes, donde la sensibilidad del precio es la más alta. La absorción de micros trifásicos, a pesar de cualquier ventaja teórica, parece ser muy baja.

Proteccion
La protección de microinversores generalmente incluye: anti-isla; cortocircuito; polaridad inversa; baja tensión; sobre voltaje y sobre temperatura.

Usos portátiles
El panel solar plegable con microinversores de CA se puede utilizar para recargar computadoras portátiles y algunos vehículos eléctricos.

Historia
El concepto de microinversor ha estado en la industria solar desde sus inicios. Sin embargo, los costos fijos en la fabricación, como el costo del transformador o caja, se redujeron favorablemente con el tamaño, y significaba que los dispositivos más grandes eran intrínsecamente menos costosos en términos de precio por vatio. Pequeños inversores estaban disponibles de compañías como ExelTech y otros, pero estas eran simplemente pequeñas versiones de diseños más grandes con bajo rendimiento de precios, y estaban destinadas a nichos de mercado.

Ejemplos tempranos
En 1991, la empresa estadounidense Ascension Technology comenzó a trabajar en lo que era esencialmente una versión reducida de un inversor tradicional, destinado a montarse en un panel para formar un panel de CA. Este diseño se basó en el regulador lineal convencional, que no es particularmente eficiente y disipa un calor considerable. En 1994, enviaron un ejemplo a Sandia Labs para realizar pruebas. En 1997, Ascension se asoció con la empresa estadounidense de paneles ASE Americas para presentar el panel 300 W SunSine.

El diseño de lo que hoy se reconocería como un microinversor «verdadero» remonta su historia al trabajo de Werner Kleinkauf de finales de la década de 1980 en el ISET (Institut für Solare Energieversorgungstechnik), ahora Instituto Fraunhofer de Energía Eólica y Tecnología del Sistema Energético. Estos diseños se basaron en la moderna tecnología de fuente de alimentación de conmutación de alta frecuencia, que es mucho más eficiente. Su trabajo en «convertidores integrados en módulos» fue muy influyente, especialmente en Europa.

En 1993, Mastervolt presentó su primer inversor conectado a la red, el Sunmaster 130S, basado en un esfuerzo de colaboración entre Shell Solar, Ecofys y ECN. El 130 fue diseñado para montarse directamente en la parte posterior del panel, conectando ambas líneas de CA y CC con conexiones de compresión. En 2000, el 130 fue reemplazado por el Soladin 120, un microinversor en forma de un adaptador de CA que permite que los paneles se conecten simplemente enchufándolos a cualquier enchufe de pared.

En 1995, OKE-Services diseñó una nueva versión de alta frecuencia con una eficiencia mejorada, que fue introducida comercialmente como OK4-100 en 1995 por NKF Kabel, y cambió de marca para ventas en los EE. UU. Como Trace Microsine. Una nueva versión, OK4All, mejoró la eficiencia y tuvo rangos de operación más amplios.

A pesar de este comienzo prometedor, en 2003 la mayoría de estos proyectos habían terminado. Ascension Technology fue comprada por Applied Power Corporation, un gran integrador. A su vez, Schott compró APC en 2002, y la producción de SunSine se canceló a favor de los diseños existentes de Schott. NKF finalizó la producción de la serie OK4 en 2003 cuando finalizó un programa de subsidios. Mastervolt ha pasado a una línea de «mini-inversores» que combina la facilidad de uso de los 120 en un sistema diseñado para soportar hasta 600 W de paneles.

Enphase
A raíz del colapso de las telecomunicaciones de 2001, Martin Fornage de Cerent Corporation estaba buscando nuevos proyectos. Cuando vio el bajo rendimiento del inversor de cuerda para la matriz solar en su rancho, encontró el proyecto que estaba buscando. En 2006 formó Enphase Energy (ahora integrado en Siemens) con otro ingeniero de Cerent, Raghu Belur, y pasaron el año siguiente aplicando su experiencia en diseño de telecomunicaciones al problema del inversor.

Lanzado en 2008, el modelo Enphase M175 fue el primer microinversor comercialmente exitoso. Un sucesor, el M190, se introdujo en 2009, y el último modelo, el M215, en 2011. Respaldado por $ 100 millones en capital privado, Enphase creció rápidamente a 13% de cuota de mercado a mediados de 2010, con un objetivo de 20% para fin de año. . Envían su inversor número 500,000 a principios de 2011 y su número 1,000,000 en septiembre del mismo año. A principios de 2011, anunciaron que las versiones de marca del nuevo diseño serán vendidas por Siemens directamente a contratistas eléctricos para una distribución generalizada.

Enphase ha suscrito un acuerdo con EnergyAustralia para comercializar su tecnología de microinversor.

Principales actores
El éxito de Enphase no pasó desapercibido, y desde 2010 han aparecido una gran cantidad de competidores. Muchos de estos son idénticos al M190 en las especificaciones, e incluso en la carcasa y los detalles de montaje. Algunos se diferencian compitiendo cara a cara con Enphase en términos de precio o rendimiento, mientras que otros atacan nichos de mercado.

Las firmas más grandes también han entrado en el campo: SMA, Enecsys e iEnergy.

OKE-Services actualizado El producto OK4-All fue comprado recientemente por SMA y lanzado como SunnyBoy 240 después de un período de gestación extendido, mientras que Power-One presentó AURORA 250 y 300. Otros jugadores importantes incluyeron Enecsys y SolarBridge, especialmente fuera de Norteamérica. mercado. El único microinversor fabricado en EE. UU. En producción es de Chilicon Power. Desde 2009, varias compañías de Europa a China, incluidos los principales fabricantes de inversores centrales, han lanzado microinversores, validando el microinversor como una tecnología establecida y uno de los mayores cambios tecnológicos en la industria fotovoltaica en los últimos años.

APsystems está comercializando inversores para hasta cuatro módulos solares y microinversores, incluido el YP1000 trifásico con una salida de CA de hasta 900 vatios.

En 2018, hay 19 fabricantes de microinversores en todo el mundo, incluidos: Aparente, Delta, Sparq, Kaco, ABB, Convertidor de matrices, 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 y Plug & Power.

Existe una creciente lista de grandes compañías fotovoltaicas de todo el mundo que se han asociado con compañías de microinversores para producir y vender paneles solares de CA, incluyendo Trina Solar, BenQ, LG, Canadian Solar, Suntech, SunPower, NESL, Hanwha SolarOne, Sharp y otros. unos que se están uniendo.

Disminución de precio
El período entre 2009 y 2012 incluyó un movimiento de precios a la baja sin precedentes en el mercado fotovoltaico. Al comienzo de este período, los paneles generalmente eran de alrededor de $ 2.00 a $ 2.50 / W, y los inversores de alrededor de 50 a 65 centavos / W. A fines de 2012, los paneles estaban ampliamente disponibles en la venta al por mayor a entre 65 y 70 centavos, y los inversores de cuerda en torno a los 30 a 35 centavos / W. En comparación, los microinversores han demostrado ser relativamente inmunes a estos mismos tipos de bajadas de precios, moviéndose de aproximadamente 65 centavos / W a 50 a 55 una vez que se incluye el cableado. Esto podría llevar a pérdidas cada vez mayores a medida que los proveedores intentan seguir siendo competitivos.

Sin embargo, en 2018 algunos inversores DC 12/24 V a AC 110 / 220V se venden por $ 0.06 / W (es decir, un microinversor de 100W por $ 6.81).