ソーラーマイクロインバータ – HiSoUR 芸術文化美術歴史

ソーラーマイクロインバータ、または単にマイクロインバータは、光電池で使用されるプラグアンドプレイデバイスであり、単一のソーラーモジュールによって生成された直流（DC）を交流（AC）に変換する。

いくつかのマイクロインバータからの出力を組み合わせて、しばしば電気グリッドに供給することができます。

マイクロインバータは、PVシステムの複数のソーラーモジュールまたはパネルに接続されている従来のストリングおよびセントラルソーラーインバータとは対照的です。

マイクロインバータには、従来のインバータに比べていくつかの利点があります。主な利点は、いずれかのソーラーモジュールの少量のシェーディング、デブリまたはスノーライン、または完全なモジュールの障害でさえ、アレイ全体の出力を不均衡に減少させないことです。各マイクロインバータは、接続されたモジュールに対して最大パワーポイントトラッキング（MPPT）を実行することによって最適な電力を収穫します。マイクロインバータソリューションには、システム設計の簡素化、アンペア数の低減、在庫管理の簡素化、安全性の追加などがあります。

マイクロインバータの主な欠点は、各インバータをパネル（通常は屋上）に隣接して設置する必要があるため、中央インバータの等価電力よりもピークワットあたりの初期設備コストが高いことです。これにより、メンテナンスが難しくなり、取り外しや交換がよりコストがかかります。いくつかの製造業者は、マイクロインバーターを内蔵したパネルでこれらの問題に取り組んできた。

マイクロインバータに似たタイプの技術は、パネルレベルの最大電力点追跡も行いますが、モジュールごとにACに変換することはありません。

説明

ストリングインバータ
ソーラーパネルは、モジュール設計および照明条件に依存する電圧で直流電流を生成する。 6インチのセルを使用する現代のモジュールは、通常、60個のセルを含み、公称24〜30Vを生成します（したがって、インバータは24〜50Vの準備ができています）。

ACに変換するために、パネルを直列に接続して、公称定格が300〜600 VDCの事実上単一の大きなパネルであるアレイを製造することができる。その後、電源はインバータに送られ、通常のAC電圧、通常230 VAC / 50 Hzまたは240 VAC / 60 Hzに変換されます。

「ストリング・インバーター」アプローチの主な問題は、パネルのストリングが、ストリング内の最もパフォーマンスの低いパフォーマーと同等の最大電流定格を持つ単一の大きなパネルであるかのように機能することです。たとえば、文字列中の1つのパネルが軽度の製造上の欠陥のために5％高い抵抗を有する場合、文字列全体が5％の性能損失を被る。この状況は動的です。パネルが陰影付けされている場合、その出力は劇的に低下し、他のパネルが陰影を付けられていなくても、文字列の出力に影響します。方向のわずかな変化でさえ、このような方法で出力損失を引き起こす可能性があります。業界では、これは「クリスマスライト効果」として知られています。これは、単一の電球が故障した場合に一連のクリスマスツリーライトが連続して失われる方法を指します。しかし、この効果は完全に正確ではなく、最新のストリング・インバーターの最大電力点追跡とモジュールバイパス・ダイオード間の複雑な相互作用は無視されます。メジャーマイクロインバータおよびDCオプティマイザ企業によるシェードの研究では、古いストリングインバータの場合、軽、中、および濃い影の条件で2％、5％および8％という小さな年ごとの増加が見られます。

さらに、パネルの出力効率は、インバータが負荷する負荷の影響を強く受けます。生産を最大化するために、インバータは、適用される負荷を調整することによって最適なエネルギー収穫を保証するために、最大電力点追跡と呼ばれる技術を使用します。しかし、出力がパネルごとに異なる同じ問題は、MPPTシステムが適用すべき適切な負荷に影響します。 1つのパネルが異なるポイントで動作する場合、ストリングインバータは全体的な変化のみを表示し、MPPTポイントを一致させるように移動します。この結果、陰影パネルからの損失だけでなく、他のパネルからの損失も生じます。アレイの表面のわずか9％のシェーディングは、状況によっては、システム全体の電力を54％も低減する可能性があります。しかしながら、上述したように、これらの年収損失は比較的小さく、一部の文字列インバータでは部分シェーディングの影響を大幅に低減する新しい技術があります。

軽微ではあるが、ストリング・インバータは限られた電力定格で利用可能であるという別の問題もある。これは、所与のアレイが、通常、インバータを、パネルアレイの定格を超えて次に大きいモデルにアップサイズすることを意味する。例えば、2300Wの10パネル・アレイでは、2500Wまたは3000Wのインバータを使用しなければならず、使用できない変換能力を払う必要があります。この同じ問題は、時間の経過とともに配列サイズを変更し、資金が利用可能なときに電力を追加すること（モジュール性）を困難にする。お客様がもともと2500Wのインバータを2300Wのパネル用に購入した場合、インバータを過度に駆動することなく1枚のパネルを追加することはできません。しかし、このサイジングはモジュールの劣化、冬季の高性能、またはユーティリティへのより高い売り戻しを実現するために、今日の業界では一般的に行われています（インバータの銘板の定格を20％上回る場合もあります）。

集中型インバータに関連するその他の課題には、デバイスの配置に必要なスペースと放熱要件が含まれます。大型中央インバータは、通常、活発に冷却される。冷却ファンはノイズを発生させるので、オフィスや占有面積に対するインバータの位置を考慮する必要があります。また、冷却ファンには可動部品があるため、汚れ、ほこり、湿気が経時的に性能に悪影響を与える可能性があります。ストリングインバータは静かですが、インバータの電力が低い午後遅くに騒音が発生する可能性があります。

マイクロインバータ
マイクロインバータは、単一のパネルの出力を処理する小型インバータです。現代のグリッドタイパネルは通常225と275Wの間で定格されますが、実際にはこれをほとんど生成しませんので、マイクロインバータの定格は通常190〜220W（誰か、100W）です。この低電力ポイントで動作するため、大きなデザインに固有の多くの設計上の問題は消え去ります。大きな変圧器の必要性は一般になくなり、大型の電解コンデンサをより信頼性の高い薄膜コンデンサで置き換えることができ、冷却負荷が低減され、ファンが不要になります。平均故障間隔（MTBF）は何百年にもわたっています。

さらに重要なのは、1つのパネルに取り付けられたマイクロインバータは、そのパネルの出力を分離し調整することができるということです。たとえば、上の例で使用したのと同じ10パネルのアレイでは、マイクロインバータでは、性能の低いパネルはそのパネルの周囲には影響しません。その場合、アレイ全体では、ストリングインバータの場合よりも5％も多くの電力が生成されます。シャドーイングが含まれている場合、これらの利益はかなり大きくなる可能性がありますが、メーカーは一般的に最低5％の出力向上を要求し、場合によっては最高25％の改善を主張します。さらに、単一のモデルを幅広いパネルで使用することができ、新しいパネルをいつでもアレイに追加することができ、既存のパネルと同じ定格を持つ必要はありません。

2つのソーラーパネルが同じマイクロインバータ（デュオマイクロインバーター）に取り付けられることがあります。マイクロインバーターを入力する電力は、≧600Wと24Vです（つまり、2つの12Vソーラーパネルを一緒に接続することができます）。マイクロインバータは、ソーラーパネルから供給された電力を標準的なAC電圧（通常230 VAC / 50 Hzまたは240 VAC / 60 Hz）に変換します。このマイクロインバータの典型的なサイズは、22×16.4×5.2cm / 8.66×6.46×2.05 “です。

前述したように、マイクロインバータは、パネルの裏側（すなわち220V）でグリッド整合電力を直接生成します。パネルのアレイは互いに平行に接続され、次にグリッドに接続される。これは、単一の障害パネルまたはインバータが文字列全体をオフラインにすることができないという大きな利点があります。低電力および熱負荷、およびMTBFの向上と組み合わせると、マイクロインバータベースのシステムの全体的なアレイ信頼性が、インバータベースのシステムよりも大幅に大きいことが示唆されています。このアサーションは、ストリング・インバーターにとってより典型的な5年または10年の保証と比較して、典型的には15〜25年の長い保証によって支えられています。さらに、障害が発生すると、文字列全体ではなく、単一の点で識別できます。これにより、障害の分離が容易になるだけでなく、目立たない軽微な問題が解消されます。性能の低い1つのパネルは、長い文字列の出力には気付かれないほどの影響を与えません。

短所
マイクロインバータのコンセプトの主な欠点は、最近までコストがかかっていたことです。各マイクロインバータは、ストリングインバータの複雑さの大部分を複製しなければならないが、より小さな電力定格を超えて広げる必要があるため、ワット当たりのコストがより大きくなる。これは、個々のコンポーネントの簡素化の面で利点を相殺します。 2010年10月現在、セントラルインバーターのワットあたりの価格は約0.40ドルですが、マイクロインバーターのワットあたりの価格は約$ 0.52です。ストリング・インバータと同様に、経済的な考慮は製造業者に、生産するモデルの数を制限することを強いる。ほとんどの場合、特定のパネルと一致したときに、大きすぎるか小さすぎるかもしれない単一のモデルが生成されます。

多くの場合、パッケージングは価格に大きな影響を及ぼす可能性があります。中央のインバータでは、数多くのパネル、1つのAC出力、1つのボックスに対して1組のパネル接続しか持たない場合があります。マイクロインバータでは、それぞれ独自の入力と出力のセットが必要です。その箱は屋根の上にあるので、密閉して耐候性を持たなければなりません。これはワットあたりの総価格のかなりの部分を占める可能性があります。

さらにコストを削減するために、1つのボックスから2つまたは3つのパネルを制御するモデルによって、パッケージングおよび関連するコストが削減されます。一部のシステムでは、1つのボックスに2つのマイクロマイクロプロセッサーを配置するだけで、システムのMPPTセクションのみを複製し、さらにコスト削減のためにDC-ACステージを1つ使用するシステムもあります。このアプローチは、マイクロインバータをストリングインバータを使用するものと比較してコストを匹敵させることを示唆している者もいる。着実に減少する価格、デュアルマイクロインバータの導入、より広範なモデル選択の出現により、PVモジュールの出力をより緊密に合わせることができ、コストがより低くなり、マイクロインバータがより広く普及する可能性があります。

アレイサイズが小さく、すべてのパネルからの性能を最大化することが重要であるところでは、マイクロインバータが一般的になってきている。これらのケースでは、パネルの数が少ないためワット当たりの価格差が最小限に抑えられ、システム全体のコストにはほとんど影響しません。固定サイズのアレイを用いた場合のエネルギー収穫量の向上は、このコスト差を相殺することができる。このため、マイクロインバータは、パネルのスペースが限られていてアレイサイズが制約され、近くの樹木やその他の物体からの陰影が問題となることが多い住宅市場で最も成功しています。マイクロインバータメーカーは、多くの設備をリストアップしています。

マイクロインバータのしばしば見過ごされている欠点は、それらに関連する将来の運転および維持費である。この技術は長年にわたって改良されていますが、デバイスが最終的に故障したり消耗したりすることは事実です。インストーラは、これらの交換コスト（トラックあたり400ドル前後）と、人員、機器、モジュールの安全上のリスクがインストールの利益率に対して上昇するリスクをバランスさせる必要があります。住宅所有者にとっては、最終的な消耗や早期の機器の故障は、屋根のタイルや屋根板への損傷、物的損害およびその他の迷惑をもたらす可能性があります。

利点
マイクロインバータは一般的にストリングインバータよりも効率が低いが、すべてのインバータ/パネルユニットが独立して動作するため、全体の効率が向上する。ストリング構成では、ストリング上のパネルが陰影付けされると、パネルのストリング全体の出力は、最も低い生産パネルの出力に縮小されます。マイクロインバータではそうではありません。

パネルの出力品質にはさらなる利点があります。同じ生産工程での任意の2つのパネルの定格出力は、10％以上異なることがあります。これは、文字列構成では軽減されますが、マイクロインバータ構成では軽減されません。その結果、マイクロインバータアレイから最大の電力収穫が行われます。

監視やメンテナンスも容易です。多くのマイクロインバータ製作者は、ユニットの出力を監視するためのアプリやウェブサイトを提供しています。多くの場合、これらは専有です。しかし、これは必ずしもそうではありません。 Enecsysの崩壊とそれに続くサイト閉鎖に続き、 Enecsys-Monitoringなどのプライベートサイトの数が増え、所有者は引き続きシステムを監視できます。

三相マイクロインバータ
DC電源をACに効率的に変換するには、グリッドのAC電圧がゼロに近い間にパネルからのエネルギーを格納する必要があり、上昇したときに再び解放します。これには、小型パッケージに相当量のエネルギーを蓄える必要があります。所要量のストレージのための最も低コストのオプションは電解コンデンサですが、これらは通常長年測定された寿命が比較的短く、屋上のソーラーパネルのように熱く操作すると寿命が短くなります。これにより、ストレージ要件が低下したさまざまな変換トポロジを導入したマイクロインバーター開発者にとっては相当な開発努力がなされました。

三相電力は、この問題のもう一つの解決策である。三相回路では、電力は2本のライン間で（例えば）+120〜-120Vの間で変動するのではなく、60と+ 120または-60と-120Vの間で変動し、変動期間はずっと短くなります。 3相システムで動作するように設計されたインバータは、必要な記憶容量が非常に少なくなります。ゼロ電圧スイッチングを使用する三相マイクロは、変換効率を98％以上に向上させながら、より高い回路密度と低コストの部品を提供することができ、約96％の典型的な単相ピークより優れています。

しかしながら、三相システムは、一般に、工業的および商業的な状況においてのみ見られる。これらの市場は、通常、価格感度が最も高い、より大きなアレイをインストールします。いずれの理論的利点にもかかわらず、三相マイクロの取り込みは非常に低いようである。

保護
マイクロインバータの保護には、通常、アンチアイランドング（anti-islanding）短絡; 逆極性; 低い電圧; 過電圧および過熱状態に曝される。

ポータブル用途
ACマイクロインバータを備えた折りたたみ可能なソーラーパネルは、ラップトップや一部の電気自動車の充電に使用できます。

歴史
マイクロインバーターのコンセプトは、創業以来ソーラー業界で行われてきました。しかし、トランスやエンクロージャのコストのような製造上のフラット・コストは、サイズに比例して大きくなり、より大きなデバイスは本質的にワット当たりの価格で安価でした。小型インバータはExelTechなどの企業から入手できましたが、これらは価格性能の低いより大きなデザインの小さなバージョンであり、ニッチ市場を目指していました。

初期の例
1991年、米国会社Ascension Technology社は、ACパネルを形成するためにパネルに取り付けられるように設計された、従来のインバータの縮小版を基本に作業を開始しました。この設計は、従来の線形レギュレータに基づいており、これは特に効率的ではなく、かなりの熱を放散する。 1994年、彼らはSandia Labsにテストのための例を送った。 1997年に、Ascension社はUSパネル会社ASE Americasと提携して、300 W SunSineパネルを導入しました。

現在「真の」マイクロインバータとして認識されているものは、フラウンホーファー風力エネルギー・エネルギーシステム研究所のISET（InstitutfürSolare Energieversorgungstechnik）のヴェルナー・クラインカーフによる1980年代後半までの歴史を辿っています。これらの設計は、より効率的な最新の高周波スイッチング電源技術に基づいていました。「モジュール統合コンバータ」に関する彼の研究は、特にヨーロッパで非常に影響力がありました。

1993年に、MastervoltはShell Solar、Ecofys、ECNの共同作業に基づいて、最初のグリッドタイインバータ、Sunmaster 130Sを発表しました。 130は、パネルの背面に直接取り付けられるように設計され、ACラインとDCラインの両方を圧縮金具で接続します。 2000年には130台がACアダプターの形をしたマイクロインバータ「Soladin 120」に置き換えられました。このACアダプターはパネルを壁のコンセントに差し込むだけで簡単に接続できます。

1995年、OKE-Servicesは効率を改善した新しい高音質バージョンを設計しました。これはNKF Kabelによって1995年にOK4-100として商業的に導入され、US Microceineとして販売されました。新しいバージョンのOK4Allは効率を改善し、より広い動作範囲を持っていました。

この有望なスタートにもかかわらず、2003年までにこれらのプロジェクトのほとんどが終了しました。 Ascension Technologyは、大規模なインテグレータであるApplied Power Corporationによって購入されました。 APCは2002年にSchottによって購入され、SunSineの生産はSchottの既存の設計に賛成して取り消されました。 NKFは2003年に補助金プログラムが終了したときにOK4シリーズの生産を終了しました。 Mastervoltは、最大600Wのパネルをサポートするように設計されたシステムで、120の使い易さを組み合わせた「ミニ・インバータ」のラインに移行しました。

Enphase
2001年のテレコム事故の後、Cerent CorporationのMartin Fornageは新しいプロジェクトを探していました。彼は牧場のソーラーアレイのストリングインバータの性能が低いことを見て、彼が探していたプロジェクトを見つけました。 2006年には、Cerentのエンジニア、Raghu BelurとEnphase Energy（現在はSiemensに統合）を設立し、来年は電気通信設計の専門知識をインバータの問題に適用しました。

2008年にリリースされたEnphase M175モデルは、商業的に成功した最初のマイクロインバーターでした。後継者M190が2009年に導入され、最新モデルのM215が2011年に導入されました.1億ドルのプライベート・エクイティに支えられて、Enphaseは2010年中頃までに13％の市場シェアに急速に成長し、年末までに20％。彼らは2011年初めに50万台のインバータを出荷し、同年9月には1,000,000台を出荷しました。 2011年初頭には、新しいデザインのリブランド版がシーメンス社から直接販売業者に販売されることを発表しました。

Enphaseは、Micro-Inverter技術を販売するため、EnergyAustraliaと契約を結んでいます。

主要プレーヤー
Enphaseの成功は気づかれず、2010年以降、多数の競合他社が出現しました。これらの多くは仕様のM190と同一であり、ケーシングと取り付けの詳細でも同じです。いくつかの企業は、Enphaseと価格やパフォーマンスの面で競合することで差別化を図り、他の企業はニッチ市場を攻撃しています。

また、SMA、Enecsys、iEnergyといった大企業も参入しています。

OKE-ServicesはOK4を更新しました – すべての製品は最近、SMAによって購入され、延長期間が過ぎるとSunnyBoy 240として発売され、Power-OneはAURORA 250および300を発表しました。その他の主要プレーヤーにはEnecsysとSolarBridgeが含まれ、市場。生産に際しては、アメリカの唯一のマイクロインバーターはChilicon Power社製です。 2009年以来、主要な中央インバータメーカーを含むヨーロッパから中国のいくつかの企業が、マイクロインバータを確立しました。これは、近年PV業界で最大の技術革新の1つであり、

APシステムズは、最大900ワットのAC出力を備えた三相YP1000を含む、マイクロインバータである最大4つのソーラーモジュール用のインバータを販売しています。

Delta、Sparq、Kaco、ABB、アレイコンバータ、GreenRay Solar、Azuray Technologies、Petra Solar、Direct Grid、Accurate Solar、OKE / SMA、Exeltech、ナショナルセミコンダクター、（Northernep / NEP）、ReneSola（Micro Replus）、SolarEpic、SWEA、Plug＆Powerの3つの製品で構成されています。

Trina Solar、BenQ、LG、Canadian Solar、Suntech、SunPower、NESL、Hanwha SolarOne、SharpなどのACソーラーパネルを生産、販売するマイクロインバーター企業と提携している世界中のビッグネームPV企業のリストが増加していますただ参加しているもの。

価格低下
2009年から2012年の期間には、PV市場における前例のない下落価格の動きが含まれていました。この期間の初めに、パネルは一般に約$ 2.00〜$ 2.50 / W、インバータは約$ 50〜$ 65 / wでした。 2012年末までに、パネルは卸売価格で65〜70セント、ストリング・インバータは約30〜35セント/ Wで広く入手可能でした。これと比較して、マイクロインバータは、同じ種類の価格低下に対して比較的脆弱であることが証明されています。これは、ケーブル配線が考慮されると約65セント/ Wから50〜55に移行します。

それにもかかわらず、2018年には、DC12 / 24VからAC110 / 220Vまでのインバータの一部が$ 0.06 / W（つまり、100Wマイクロインバータから$ 6.81で販売されています。