Un inverter solare o inverter fotovoltaico, è un tipo di convertitore elettrico che converte l’uscita a corrente continua (CC) variabile di un pannello solare fotovoltaico (PV) in una corrente alternata (AC) che può essere alimentata in una rete elettrica commerciale o utilizzato da una rete elettrica locale, off-grid. È un equilibrio critico di sistema (BOS) -componente in un sistema fotovoltaico, che consente l’utilizzo di normali apparecchiature alimentate a corrente alternata. Gli inverter di energia solare dispongono di funzioni speciali adattate per l’uso con gli array fotovoltaici, tra cui il rilevamento del punto di massima potenza e la protezione anti-isola.

Classificazione
Gli inverter solari possono essere classificati in tre tipi generali:

Inverter stand-alone, utilizzati in sistemi isolati in cui l’inverter trae la propria energia in cc da batterie caricate da array fotovoltaici. Molti inverter stand-alone incorporano anche caricabatterie integrati per ricaricare la batteria da una fonte CA, quando disponibile. Normalmente questi non si interfacciano in alcun modo con la griglia di utilità e, come tali, non sono richiesti per avere una protezione anti-isola.
Inverter a griglia, che corrispondono alla fase con un’onda sinusoidale fornita dall’utenza. Gli inverter con collegamento a griglia sono progettati per arrestarsi automaticamente in caso di interruzione dell’erogazione di energia elettrica, per motivi di sicurezza. Non forniscono alimentazione di backup durante le interruzioni di servizio.
Gli inverter di backup a batteria, sono inverter speciali progettati per assorbire energia da una batteria, gestire la carica della batteria tramite un caricatore integrato ed esportare energia in eccesso nella rete pubblica. Questi inverter sono in grado di fornire energia CA a carichi selezionati durante un’interruzione dell’erogazione e sono richiesti per la protezione anti-isola.

Tipi di dispositivo
Inverter modulare (micro-inverter)
Ogni singolo modulo solare ha il proprio inverter monofase, che può essere integrato nella scatola di giunzione.
Questo è un convertitore DC-DC il cui scopo è quello di impostare la tensione in modo che il modulo collegato funzioni nel suo punto di massima potenza (MPP).
Questo può essere utile nei sistemi fotovoltaici, che sono costituiti da sottocampi diversamente orientati o ombreggiati in modo diverso, ad esempio rivestiti con moduli solari auto o aerei.

Inverter di stringa (inglese String Inverter)
Un inverter per la maggior parte monofase che alimenta l’energia di un filamento o pochi trefoli di moduli solari in una rete elettrica.

Inverter multistringa
Inverter monofase o trifase dotato di più di un tracker MPP per più stringhe (anche diverse) di pannelli solari.

Inverter centrali
Un grande impianto elettrico, spesso nel formato di un quadro elettrico, ma anche come una stazione nel design del contenitore, che viene solitamente utilizzata dalla potenza di picco oltre 100 kW. Il design modulare semplifica le riparazioni necessarie.

Inverter ibrido
Combinazione di inverter e batterie di accumulo interne o esterne. Ciò si traduce nella possibilità di un gruppo di continuità, nonché nell’ottimizzazione dell’autoconsumo in modalità di alimentazione.

Circuiteria ed efficienza
Fondamentalmente, puoi distinguere due tipi di inverter solari:

Dispositivi con trasformatore
Qui un trasformatore rileva l’isolamento galvanico tra DC e lato AC. A causa dell’isolamento galvanico, il generatore FV può essere messo a terra in un polo: non ci sono potenziali CA nel sistema. È anche obbligatorio in alcuni paesi.

Dispositivi senza trasformatore
Qui, il lato di ingresso e il lato di uscita sono collegati elettricamente tra loro. In questa progettazione di circuito, non viene utilizzato alcun trasformatore, pertanto questi dispositivi solitamente hanno una maggiore efficienza. La mancanza di isolamento elettrico, tuttavia, richiede un diverso concetto di sicurezza elettrica. In parte, tensioni alternate dei moduli solari a terra, che possono portare a perdite e con moduli a film sottile per la degradazione. Per aumentare ulteriormente l’efficienza e evitare le correnti di dispersione, sono state sviluppate le designazioni delle tecnologie circuitali H5 o Heric.
All’ingresso CC dell’inverter solare è di solito un convertitore di ingresso. Questo convertitore è spesso un up-converter con altissima efficienza. Anche il circuito di uscita deve avere un’elevata efficienza su un ampio intervallo di carico.

Per ottimizzare gli inverter con trasformatori, l’inverter assume spesso la funzione del trasformatore di ingresso, eliminando così il circuito intermedio. Questo è chiamato feed diretto o convertitore diretto. L’efficienza migliora, poiché è necessario un solo convertitore. Tali dispositivi, tuttavia, hanno una portata più piccola con efficienza ottimale, in modo tale che relativizzati specialmente in sistemi con ombreggiamento parziale avvantaggiano rapidamente.

L’efficienza degli inverter solari è paragonabile all’efficienza dell’euro, che valuta casi di carico particolarmente parziali.

Nell’industria solare, il termine kWp è stato utilizzato per indicare la potenza di picco invece dei kW.Tuttavia, ciò non è conforme alle regole del Sistema internazionale di unità in base al quale le designazioni delle unità non sono integrate. Vedi anche: ortografia dei caratteri dell’unità.

Tracciamento del punto di massima potenza
Gli inverter solari utilizzano il tracking del punto di massima potenza (MPPT) per ottenere la massima potenza possibile dall’array fotovoltaico. Le celle solari hanno una relazione complessa tra irradiazione solare, temperatura e resistenza totale che produce un’efficienza di uscita non lineare nota come curva IV. Lo scopo del sistema MPPT è quello di campionare l’uscita delle celle e determinare una resistenza (carico) per ottenere la massima potenza per ogni data condizione ambientale.

Il fattore di riempimento, più comunemente noto con la sua abbreviazione FF, è un parametro che, in combinazione con la tensione a circuito aperto (Voc) e la corrente di cortocircuito (Isc) del pannello, determina la potenza massima da una cella solare. Il fattore di riempimento è definito come il rapporto tra la potenza massima della cella solare e il prodotto di Voc e Isc.

Esistono tre tipi principali di algoritmi MPPT: perturb-and-observ, conduttanza incrementale e tensione costante. I primi due metodi sono spesso indicati come metodi di alpinismo; si basano sulla curva di potenza tracciata contro la tensione che sale a sinistra del punto di massima potenza e che cade a destra.

operazione
In alcuni paesi europei è richiesto un cosiddetto dispositivo di monitoraggio della rete con dispositivi di commutazione associati (ENS) sul lato rete, che spegne l’inverter in caso di un’isola indesiderata.Per gli impianti con potenza installata superiore a 30 kW, l’ENS può essere dispensato. Vi è un sufficiente monitoraggio di frequenza e tensione con spegnimento di tutti i poli per un isolamento sicuro dalla rete, se questo è spento o non funziona.

Viene spesso pubblicizzato con un’alta efficienza dell’inverter. Nell’intervallo di carico parziale, è leggermente inferiore e viene quindi calcolato come media e denominato “efficienza europea”.Tuttavia, l’efficienza dell’inverter non decide da sola sull’efficienza complessiva di un impianto fotovoltaico.

Dal gennaio 2009, gli impianti fotovoltaici in Germania con una capacità installata superiore a 100 kW devono avere la possibilità di essere ridotti dall’operatore di rete nella potenza attiva iniettata (§ 6.1 EEG). Inoltre, esiste la possibilità che venga fornita una certa quantità di potenza reattiva. In pratica, queste specifiche sono realizzate dinamicamente tramite il ricevitore di controllo dell’ondulazione, che può segnalare una riduzione di potenza attiva a quattro stadi o specificare una deviazione da 1 fattore effettivo di, ad esempio cos φ = 0.95 (induttivo). Fornendo una potenza reattiva induttiva è possibile evitare sovratensioni capacitive.

A partire da luglio 2011, i sistemi più piccoli nella rete a bassa tensione dovranno offrire funzioni di controllo comparabili. Ulteriori normative specifiche per paese portano a strozzature di offerta e costi di produzione più elevati. Contro-concetti come la misurazione della rete perseguono un approccio più diretto e spostano il problema verso l’operatore di rete.

Nel caso di sistemi più grandi, che, tra l’altro, sono conformi alla direttiva sulla media tensione, sono necessarie ulteriori misure per la stabilizzazione dinamica della rete, come la capacità di attraversamento a bassa tensione. Le misure hanno lo scopo di evitare l’arresto indesiderato e simultaneo di molti sistemi con sottotensione locale a breve termine, poiché si verificano nel contesto di cortocircuiti o altri errori nei sistemi trifase.

I sistemi monofase possono essere immessi nella rete elettrica solo in Germania fino a una potenza massima di 5 kW (potenza continua di 4,6 kW). Questa restrizione è la stabilità della rete ed evita carichi sbilanciati. Oltre alla funzione di base della conversione dell’energia, un inverter solare ha una vasta acquisizione di dati e, in alcuni casi, opzioni di manutenzione remota.

Frequenza di rete
L’energia elettrica nella rete elettrica non può essere immagazzinata in grandi quantità a breve termine. È quindi sempre necessario stabilire un bilancio energetico tra produzione e consumo. Per garantire che questa sia la frequenza di rete come variabile di controllo nelle reti elettriche alimentate a tensione CA. In Europa questo è definito come 50,0 Hz. La deviazione dal valore nominale indica un surplus di energia (maggiore frequenza di rete) o una carenza di energia (frequenza di rete ridotta). Per evitare un eccesso di alimentazione nella rete elettrica, gli inverter devono quindi monitorare costantemente la frequenza di rete e disconnettersi dalla rete quando si supera un limite specifico del paese (in Germania 50,2 Hz). Poiché nel frattempo una parte predominante dell’energia elettrica generata proviene dai sistemi fotovoltaici in Germania, un arresto brusco di tutti i sistemi potrebbe innescare un effetto contrario con questo valore limite e causare a sua volta un’instabilità della rete. Pertanto, per installazioni superiori a 10 kW, questo limite è stato successivamente aumentato a un valore casuale. Gli impianti più recenti devono avere gradienti di potenza tra 50,2 e 51,5 Hz, che riducono o aumentano la potenza di immissione in funzione della frequenza di rete attuale e contribuiscono così attivamente alla stabilizzazione della rete.

Funzionamento dell’isola
Negli impianti per funzionamento isolato, speciali inverter ad isola consentono l’utilizzo di apparecchi convenzionali per 230 V AC. Il fattore decisivo è la potenza massima fornita. A tale scopo, i singoli inverter possono essere collegati in parallelo, ma a seconda delle dimensioni della rete, ma necessitano di dispositivi di controllo aggiuntivi per il coordinamento con gli altri generatori e l’accumulo di energia. Talvolta i sistemi di piccole dimensioni sono offerti con sistemi di batterie integrati, ma non hanno sincronizzazione di rete perché mancano i loro valori predefiniti da altri generatori di energia.

Micro-inverter solari
Il micro-inverter solare è un inverter progettato per funzionare con un singolo modulo fotovoltaico. Il micro-inverter converte l’uscita in corrente continua di ciascun pannello in corrente alternata. Il suo design consente la connessione parallela di più unità indipendenti in modo modulare.

I vantaggi del micro-inverter includono l’ottimizzazione della potenza del singolo pannello, il funzionamento indipendente di ciascun pannello, l’installazione plug-and-play, l’installazione migliorata e la sicurezza antincendio, costi ridotti con la progettazione del sistema e la minimizzazione degli stock.

Uno studio del 2011 presso l’Appalachian State University riporta che l’impostazione individuale dell’inverter integrato ha prodotto circa il 20% in più di potenza in condizioni non ombreggiate e il 27% in più di potenza in condizioni ombreggiate rispetto all’impostazione di stringa collegata tramite un inverter. Entrambe le configurazioni utilizzavano pannelli solari identici.

Inverter solari collegati alla rete
Gli inverter solari a griglia sono progettati per disconnettersi rapidamente dalla rete se la rete pubblica scende. Questo è un requisito NEC che assicura che, in caso di blackout, l’inverter di rete si spenga per impedire che l’energia prodotta danneggi gli eventuali operatori di linea inviati per riparare la rete elettrica.

Gli inverter con collegamento a griglia disponibili sul mercato oggi utilizzano una serie di tecnologie diverse. Gli inverter possono utilizzare i più recenti trasformatori ad alta frequenza, trasformatori convenzionali a bassa frequenza o nessun trasformatore. Invece di convertire la corrente diretta direttamente a 120 o 240 volt CA, i trasformatori ad alta frequenza impiegano un processo computerizzato a più fasi che prevede la conversione dell’alimentazione in CA ad alta frequenza e quindi di nuovo in CC e quindi alla tensione di uscita AC finale.

Storicamente, ci sono stati dubbi sul fatto che i sistemi elettrici senza trasformatore si inseriscano nella rete di pubblica utilità. Le preoccupazioni derivano dal fatto che esiste una mancanza di isolamento galvanico tra i circuiti CC e CA, che potrebbe consentire il passaggio di pericolosi guasti CC sul lato CA. Dal 2005, NEC NFPA consente inverter senza trasformatore (o non galvanicamente). Anche VDE 0126-1-1 e IEC 6210 sono stati modificati per consentire e definire i meccanismi di sicurezza necessari per tali sistemi. In primo luogo, il rilevamento della corrente residua o di terra viene utilizzato per rilevare possibili condizioni di guasto. Vengono inoltre eseguiti test di isolamento per garantire la separazione tra CC e CA.

Molti inverter solari sono progettati per essere collegati a una rete pubblica e non funzionano quando non rilevano la presenza della rete. Contengono circuiti speciali per far corrispondere esattamente la tensione, la frequenza e la fase della griglia.

Inverter per pompaggio solare
Gli inverter di pompaggio solari avanzati convertono la tensione CC dall’array solare in tensione CA per azionare le pompe sommergibili direttamente senza bisogno di batterie o altri dispositivi di accumulo di energia. Utilizzando l’MPPT (monitoraggio del punto di massima potenza), gli inverter di pompaggio solare regolano la frequenza di uscita per controllare la velocità delle pompe al fine di evitare danni al motore della pompa.

Gli inverter a pompaggio solare di solito dispongono di più porte per consentire l’ingresso di corrente CC generata da array fotovoltaici, una porta per consentire l’uscita della tensione CA e un’ulteriore porta per l’ingresso da un sensore del livello dell’acqua.

Mercato
A partire dal 2014, l’efficienza di conversione per convertitori solari all’avanguardia ha raggiunto oltre il 98 percento. Mentre gli inverter di stringa sono utilizzati nei sistemi fotovoltaici residenziali e di media dimensione, gli inverter centralizzati coprono il grande mercato commerciale e delle utility. La quota di mercato per gli inverter centrali e di stringa è di circa il 50% e il 48%, rispettivamente, lasciando meno del 2% ai microinverter.

Mercato degli inverter / convertitori nel 2014

genere	Energia	Efficienza(a)	Mercato condividi(b)	Osservazioni
Inverter di stringa	fino a 100 kWp (c)	98%	50%	Costo (b) 0,15 € per watt-picco. Facile da sostituire
Inverter centrale	superiore a 100 kW p	98,5%	48%	€ 0,10 per watt-picco. Alta affidabilità. Spesso venduto insieme a un contratto di servizio.
Micro-inverter	gamma di potenza del modulo	90% -95%	1,5%	€ 0,40 per watt-picco. Facilità di problemi di sostituzione.
Convertitore DC / DC Ottimizzatore di potenza	gamma di potenza del modulo	98,8%	N / A	€ 0,40 per watt-picco. Facilità di problemi di sostituzione.L’inverter è ancora necessario. Circa 0,75 GW P installati nel 2013.
Fonte: dati di IHS 2014, osservazioni di Fraunhofer ISE 2014, da: Rapporto sul fotovoltaico, aggiornato all’8 settembre 2014, p. 35, Note PDF : (a) migliori efficienze visualizzate, (b) la quota di mercato e il costo per watt sono stimati, (c) kW p = kilowatt-picco