Um microinversor solar, ou simplesmente microinversor, é um dispositivo plug-and-play usado em energia fotovoltaica, que converte a corrente contínua (CC) gerada por um único módulo solar em corrente alternada (CA).

A saída de vários microinversores pode ser combinada e frequentemente alimentada à rede elétrica.

Os microinversores contrastam com os inversores convencionais de cordas e centrais, que são conectados a vários módulos solares ou painéis do sistema fotovoltaico.

Microinversores têm várias vantagens sobre inversores convencionais. A principal vantagem é 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 array. Cada microinversor obtém energia ideal executando o rastreamento de ponto de potência máxima (MPPT) para seu módulo conectado. Simplicidade no design do sistema, fios de amperagem mais baixos, gerenciamento de estoque simplificado e segurança adicional são outros fatores introduzidos com a solução de microinversores.

As principais desvantagens de um microinversor incluem um maior custo inicial de equipamento 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 de remover e substituir. Alguns fabricantes abordaram esses problemas com painéis com microinversores embutidos.

Um tipo de tecnologia semelhante a um microinversor é um otimizador de energia que também faz o rastreamento do ponto de potência máxima em nível de painel, mas não converte em CA por módulo.

Descrição

Inversor de cadeia
Os painéis solares produzem corrente contínua a uma tensão que depende do design do módulo e das condições de iluminação. Módulos modernos usando células de 6 polegadas normalmente contêm 60 células e produzem uma corrente nominal de 24-30 V. (então os inversores estão prontos para 24-50 V).

Para conversão em AC, os painéis podem ser conectados em série para produzir um array que seja efetivamente um único painel grande com uma classificação nominal de 300 a 600 VDC. O poder então corre para um inversor, que o converte em tensão CA padrão, tipicamente 230 VAC / 50 Hz ou 240 VAC / 60 Hz.

O principal problema com a abordagem “string inverter” é que a cadeia de painéis age como se fosse um único painel maior com uma classificação de corrente máxima equivalente ao desempenho mais pobre da string. Por exemplo, se um painel em uma string tiver 5% a mais de resistência devido a um pequeno defeito de fabricação, a string inteira sofrerá uma perda de desempenho de 5%. Essa situação é dinâmica. Se um painel estiver sombreado, sua saída cai drasticamente, afetando a saída da cadeia, mesmo se os outros painéis não estiverem sombreados. Mesmo pequenas mudanças na orientação podem causar perda de saída dessa maneira. Na indústria, isso é conhecido como o “efeito das luzes de Natal”, referindo-se à maneira como uma série inteira de luzes de árvore de Natal em série falhará se uma única lâmpada falhar. No entanto, esse efeito não é totalmente preciso e ignora a interação complexa entre o rastreamento do ponto de potência máxima do inversor de string moderno e até mesmo os diodos de derivação do módulo. Estudos de sombreamento realizados por grandes empresas de microinversores e otimizadores de CD mostram pequenos ganhos anuais em condições sombreadas leves, médias e pesadas – 2%, 5% e 8%, respectivamente – em relação a um antigo inversor de fios.

Além disso, a eficiência da saída de um painel é fortemente afetada pela carga que o inversor coloca nele. Para maximizar a produção, os inversores usam uma técnica chamada rastreamento de ponto de potência máxima para garantir a coleta de energia ideal ajustando a carga aplicada. No entanto, os mesmos problemas que fazem com que a saída varie de um painel para outro, 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 não apenas perdas do painel sombreado, mas também dos outros painéis. O sombreamento de apenas 9% da superfície de uma matriz pode, em algumas circunstâncias, reduzir o poder do sistema em até 54%. No entanto, como dito acima, essas perdas anuais de rendimento são relativamente pequenas e novas tecnologias permitem que alguns inversores de string reduzam significativamente os efeitos do sombreamento parcial.

Outro problema, embora menor, é que os inversores de string estão disponíveis em uma seleção limitada de potências nominais. Isso significa que uma determinada matriz normalmente aumenta o tamanho do inversor para o próximo modelo maior em relação à classificação da matriz de painéis. Por exemplo, uma matriz de 10 painéis de 2300 W pode ter que usar um inversor de 2500 ou mesmo 3000 W, pagando pela capacidade de conversão que não pode usar. Esse mesmo problema dificulta a alteração do tamanho do array ao longo do tempo, adicionando energia quando os fundos estão disponíveis (modularidade). Se o cliente comprou originalmente um inversor de 2500 W para seus painéis de 2300 W, ele não pode adicionar nem mesmo um único painel sem sobrecarregar o inversor. No entanto, esse dimensionamento excessivo é considerado uma prática comum na indústria atual (às vezes até 20% da classificação da placa de identificação do inversor) para compensar a degradação do módulo, maior desempenho durante os meses de inverno ou alcançar uma maior venda à 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, então a localização do inversor em relação aos escritórios e áreas ocupadas deve ser considerada. E como os ventiladores de resfriamento têm partes móveis, sujeira, poeira e umidade podem afetar negativamente seu desempenho ao longo do tempo. Os inversores de seqüência de caracteres são mais silenciosos, mas podem produzir um zumbido no final da tarde quando a energia do inversor está baixa.

Microinversor
Os microinversores são pequenos inversores classificados para lidar com a saída de um único painel. Painéis de grampeamento de grade modernos são normalmente classificados entre 225 e 275W, mas raramente produzem isso na prática, então microinversores são tipicamente classificados entre 190 e 220W (someones, 100W). Como ele é operado nesse ponto de potência mais baixo, muitas questões de design inerentes a designs maiores simplesmente desaparecem; a necessidade de um grande transformador é geralmente eliminada, grandes capacitores eletrolíticos podem ser substituídos por capacitores de filme fino mais confiáveis ​​e as cargas de resfriamento são reduzidas, portanto, não são necessários ventiladores. O tempo médio entre falhas (MTBF) é cotado em centenas de anos.

Mais importante, um microinversor conectado a um único painel permite isolar e ajustar a saída desse painel. Por exemplo, na mesma matriz de 10 painéis usada como exemplo acima, com microinversores, qualquer painel com baixo desempenho não tem efeito nos painéis ao redor. Nesse caso, a matriz como um todo produz 5% mais de energia do que com um inversor de string. Quando o sombreamento é considerado, se estiver 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 grande variedade de painéis, novos painéis podem ser adicionados a uma matriz a qualquer momento e não precisam ter a mesma classificação que os painéis existentes.

Às vezes, até dois painéis solares são conectados aos mesmos microinversores (duo microinversor). A potência que entra no microinversor é então ≥600W e 24V (ou seja, como dito, dois painéis solares de 12V podem ser conectados). A microinversão converte a energia fornecida pelo (s) painel (s) solar (es) em voltagem CA padrão, tipicamente 230 VAC / 50 Hz ou 240 VAC / 60 Hz. O tamanho típico deste microinversor é: 22×16.4×5.2cm / 8.66×6.46×2.05 “.

Como dito, os microinversores produzem energia de correspondência de grade diretamente na parte de trás do painel (isto é, 220V). Matrizes de painéis são conectados em paralelo uns aos outros e, em seguida, à grade. Isso tem a grande vantagem de que um único painel ou inversor com falha não pode colocar a seqüência inteira offline. Combinado com as cargas de energia e calor mais baixas e o MTBF melhorado, alguns sugerem que a confiabilidade geral de um sistema baseado em microinversores é significativamente maior do que a de um inversor baseado em string. Essa afirmação é suportada por garantias mais longas, geralmente de 15 a 25 anos, em comparação com garantias de 5 ou 10 anos mais comuns para inversores de string. Além disso, quando ocorrem falhas, elas são identificáveis ​​em um único ponto, ao contrário de uma cadeia inteira. Isso não apenas torna o isolamento de falhas mais fácil, mas desmascara problemas menores que podem não se tornar visíveis – um único painel com baixo desempenho pode não afetar a saída de uma cadeia longa o suficiente para ser notada.

Desvantagens
A principal desvantagem do conceito de microinversor tem sido, até recentemente, custo. Como cada microinversor precisa duplicar grande parte da complexidade de um inversor de strings, mas difundir isso em uma classificação de potência menor, os custos por watt são maiores. Isso compensa qualquer vantagem em termos de simplificação de componentes individuais. Em outubro de 2010, um inversor central custa aproximadamente US $ 0,40 por watt, enquanto um microinversor custa aproximadamente US $ 0,52 por watt. Como inversores de string, considerações econômicas forçam os fabricantes a limitar o número de modelos que eles produzem. A maioria produz um modelo único que pode estar acima ou abaixo do tamanho 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 painéis para dezenas de painéis, uma única saída CA e uma caixa. Com microinversores, cada um precisa ter seu próprio conjunto de entradas e saídas, em sua própria caixa. Porque essa caixa está no telhado, tem que ser selada e impermeabilizada. Isso pode representar uma parte significativa do preço global por watt.

Para reduzir ainda mais os custos, alguns modelos controlam dois ou três painéis a partir de uma única caixa, reduzindo a embalagem e os custos associados. Alguns sistemas simplesmente colocam dois micros inteiros em uma única caixa, enquanto outros duplicam apenas a seção MPPT do sistema e usam um único estágio DC-to-AC para reduções de custo adicionais. Alguns sugeriram que essa abordagem tornaria os microinversores comparáveis ​​em custo com aqueles que usam inversores de string. Com preços cada vez mais baixos, a introdução de microinversores duais e o advento de seleções de modelos mais amplas para atender mais de perto a saída do módulo PV, o custo é um obstáculo menor, de modo que os microinversores podem se espalhar mais amplamente.

Microinversores tornaram-se comuns onde os tamanhos dos conjuntos são pequenos e maximizar o desempenho de cada painel é uma preocupação. Nesses casos, o diferencial de preço por watt é minimizado devido ao pequeno número de painéis e tem pouco efeito sobre o custo geral do sistema. A melhoria na colheita de energia, dada uma matriz de tamanho fixo, pode compensar essa diferença no custo. Por essa razão, os microinversores têm tido mais sucesso no mercado residencial, onde o espaço limitado para painéis restringe o tamanho do array, e o sombreamento de árvores próximas ou outros objetos é muitas vezes 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 negligenciada dos microinversores é o custo futuro de operação e manutenção associado a eles. Embora a tecnologia tenha melhorado ao longo dos anos, permanece o fato de que os dispositivos eventualmente falharão ou se desgastarão. O instalador deve equilibrar esses custos de reposição (cerca de US $ 400 por rolo de caminhão), aumentar os riscos de segurança para o pessoal, o equipamento e o armazenamento de módulos em relação às margens de lucro da instalação. Para proprietários de casas, o eventual desgaste ou falha prematura do dispositivo introduzirá danos potenciais nas telhas ou telhas, danos à propriedade e outros incômodos.

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

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

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

Microinversores trifásicos
A conversão eficiente de energia CC para CA requer que o inversor armazene energia do painel enquanto a voltagem AC da rede está próxima de zero e, em seguida, libera-a novamente quando ela sobe. Isso requer quantidades consideráveis ​​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 vida útil relativamente curta, normalmente medida em anos, e esses tempos de vida são mais curtos quando operados a quente, como em um painel solar no telhado. Isso levou a um considerável esforço de desenvolvimento por parte dos desenvolvedores de microinversores, que introduziram uma variedade de topologias de conversão com requisitos reduzidos de armazenamento, alguns usando capacitores de filme fino com capacidade muito menor, mas muito mais longos, 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 Volts entre duas linhas, mas varia entre 60 e +120 ou -60 e -120V, e os períodos de variação são muito mais curtos. Inversores projetados para operar em sistemas trifásicos exigem muito menos armazenamento. Um micro trifásico que usa comutação de tensão zero também pode oferecer densidade de circuito mais alta e componentes de custo mais baixo, enquanto melhora a eficiência de conversão para mais de 98%, melhor que o típico pico de uma fase em torno de 96%.

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 a mais alta. A captação de micros trifásicos, apesar de quaisquer vantagens teóricas, parece ser muito baixa.

Protecção
A proteção de microinversores geralmente inclui: anti-ilha; circuito curto; polaridade reversa; baixa voltagem; Sobretensão e temperatura excessiva.

Usos portáteis
Painel solar dobrável com microinversores CA pode ser usado para recarregar laptops e alguns veículos elétricos.

História
O conceito de microinversor tem estado na indústria solar desde o seu início. No entanto, os custos fixos de fabricação, como o custo do transformador ou do gabinete, aumentaram proporcionalmente com o tamanho e significaram que os dispositivos maiores eram inerentemente menos caros em termos de preço por watt. Pequenos inversores estavam disponíveis em empresas como a ExelTech e outras, mas estas eram simplesmente pequenas versões de projetos maiores, com baixo desempenho de preço, e eram voltadas para nichos de mercado.

Primeiros exemplos
Em 1991, a empresa norte-americana Ascension Technology começou a trabalhar no que era essencialmente uma versão reduzida de um inversor tradicional, destinado a ser montado em um painel para formar um painel CA. 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 testes. Em 1997, a Ascension fez uma parceria com a empresa americana de painéis ASE Americas para apresentar o painel de 300 W SunSine.

O projeto do que hoje seria reconhecido como um “verdadeiro” microinversor remonta sua trajetória ao trabalho dos anos 80 de Werner Kleinkauf no ISET (Institut für Solare Energieversorgungstechnik), hoje Instituto Fraunhofer de Energia Eólica e Tecnologia de Sistemas Energéticos. Esses projetos foram baseados na moderna tecnologia de fonte de alimentação de alta freqüência, que é muito mais eficiente. Seu trabalho em “módulos de conversores integrados” foi altamente influente, especialmente na Europa.

Em 1993, a Mastervolt introduziu seu primeiro inversor grid tie, o Sunmaster 130S, baseado em um esforço colaborativo entre a Shell Solar, Ecofys e ECN. O 130 foi projetado para ser montado diretamente na parte traseira do painel, conectando ambas as linhas de CA e CC com conexões de compressão. Em 2000, o 130 foi substituído pelo Soladin 120, um microinversor na forma de um adaptador AC 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 melhorada, que foi introduzida comercialmente como a OK4-100 em 1995 pela NKF Kabel, e renomeada para vendas nos EUA como Trace Microsine. Uma nova versão, o OK4All, melhorou a eficiência e teve faixas de operação mais amplas.

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

Enfase
No rescaldo do crash das telecomunicações de 2001, Martin Fornage, da Cerent Corporation, estava à procura de novos projetos. Quando ele viu o baixo desempenho do inversor de fios para o painel solar em seu rancho, ele encontrou o projeto que estava procurando. Em 2006 ele formou a Enphase Energy (agora integrada na Siemens) com outro engenheiro da Cerent, Raghu Belur, e eles passaram o ano seguinte aplicando seu conhecimento em design de telecomunicações ao problema do inversor.

Lançado em 2008, o modelo Enphase M175 foi o primeiro microinversor de sucesso comercial. Um sucessor, o M190, foi introduzido em 2009 e o modelo mais recente, o M215, em 2011. Apoiada em US $ 100 milhões em private equity, a Enphase cresceu rapidamente para 13% em meados de 2010, com meta de 20% até o final do ano. . Eles embarcaram seu 500.000 inversor no início de 2011 e seu 1.000.000 em setembro do mesmo ano. No início de 2011, eles anunciaram que as versões re-branded do novo design serão vendidas pela Siemens diretamente para os empreiteiros elétricos 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, vários concorrentes apareceram. Muitos destes são idênticos ao M190 nas especificações, e até mesmo nos detalhes da carcaça e da montagem. Alguns diferenciam competindo frente a frente 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 recentemente pela SMA e lançado como o SunnyBoy 240 após um longo período de gestação, enquanto a Power-One apresentou o AURORA 250 e 300. Outros grandes players incluíram Enecsys e SolarBridge, especialmente fora da América do Norte mercado. Os únicos EUA que fabricaram microinversores na produção são da Chilicon Power. Desde 2009, várias empresas da Europa para a China, incluindo os principais fabricantes de inversores centrais, lançaram microinversores – validando o microinversor como uma tecnologia estabelecida e uma das maiores mudanças tecnológicas no setor fotovoltaico nos últimos anos.

A APsystems está comercializando inversores para até quatro módulos solares de microinversores, incluindo o YP1000 trifásico com uma saída CA de até 900 Watt.

Em 2018, há 19 fabricantes de microinversores em todo o mundo, incluindo: Aparente, Delta, Sparq, Kaco, ABB, Conversor de Array, GreenRay Solar, Tecnologias Azuray, Petra Solar, Rede Direta, Solar Exato, OKE / SMA, Exeltech, National Semiconductor, Larankelo, Enphase, APsystems, Northern Electric & Power (NorthernP / NEP), ReneSola (Micro Replus), SolarEpic, SWEA e Plug & Power.

Há uma lista crescente de grandes empresas fotovoltaicas em todo o mundo que fizeram parcerias com empresas de microinversores para produzir e vender painéis solares AC, incluindo a Trina Solar, BenQ, LG, Solar Canadian, Suntech, SunPower, NESL, Hanwha SolarOne, Sharp e outras. aqueles que estão apenas se juntando.

Declínio de preço
O período entre 2009 e 2012 incluiu um movimento de preços sem precedentes no mercado fotovoltaico. No início deste período, os 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. Até o final de 2012, os painéis estavam amplamente disponíveis no atacado, de 65 a 70 centavos de dólar, e os inversores de fios, em torno de 30 a 35 centavos / W. Em comparação, os microinversores mostraram-se relativamente imunes a esses mesmos tipos de queda de preços, passando de cerca de 65 centavos / W para 50 a 55, uma vez que os cabeamentos são levados em conta. Isso poderia levar a um aumento das perdas à medida que os fornecedores tentassem permanecer competitivos.

No entanto, em 2018, alguns inversores DC 12/24 V para AC 110 / 220V são vendidos por US $ 0,06 / W (ou seja, microinversores de 100W por US $ 6,81).