Солнечный микроинвертор или просто микроинвертер — это устройство plug-and-play, используемое в фотогальванике, которое преобразует постоянный ток (DC), генерируемый одним солнечным модулем, в переменный ток (AC).

Выход нескольких микроинвертеров можно комбинировать и часто подавать в электрическую сеть.

Микроинверторы контрастируют с обычными струнными и центральными солнечными инверторами, которые подключены к нескольким солнечным модулям или панелям системы PV.

Микроинверторы имеют несколько преимуществ перед обычными инверторами. Основное преимущество заключается в том, что небольшое количество затенения, обломков или снежных линий на любом солнечном модуле или даже полный отказ модуля не приводит к непропорциональному уменьшению выхода всего массива. Каждый микроинвертер собирает оптимальную мощность, выполняя максимальное отслеживание точки мощности (MPPT) для своего подключенного модуля. Простота в дизайне системы, низкие проводы тока, упрощенное управление запасами и повышенная безопасность — это другие факторы, введенные в решение микроинвертера.

Основные недостатки микроинвертора включают в себя более высокую начальную стоимость оборудования на пиковый ватт, чем эквивалентная мощность центрального инвертора, поскольку каждый инвертор должен быть установлен рядом с панелью (обычно на крыше). Это также усложняет их обслуживание и более дорогостоящее удаление и замену. Некоторые производители рассмотрели эти проблемы с панелями со встроенными микроинверторами.

Тип технологии, подобный микроинвертеру, — это оптимизатор мощности, который также выполняет отслеживание максимальной мощности на уровне панели, но не преобразуется в переменный ток на модуль.

Описание

Преобразователь строк
Солнечные панели создают постоянный ток при напряжении, которое зависит от конструкции модуля и условий освещения. Современные модули с использованием 6-дюймовых ячеек обычно содержат 60 ячеек и дают номинальные 24-30 В. (поэтому инверторы готовы для 24-50 В).

Для преобразования в переменное, панели могут быть соединены последовательно для создания массива, который фактически представляет собой единственную большую панель с номинальной мощностью от 300 до 600 В постоянного тока. Затем мощность подается на инвертор, который преобразует его в стандартное переменное напряжение, обычно 230 В перем. Тока, 50 Гц или 240 В переменного тока / 60 Гц.

Основная проблема с подходом «инвертор строки» — это строка панелей, как если бы это была одна большая панель с максимальным текущим значением, эквивалентным самой плохой исполнительнице в строке. Например, если одна панель в строке имеет сопротивление на 5% из-за незначительного дефекта производства, вся строка страдает от потери производительности на 5%. Эта ситуация динамична. Если панель затенена, ее выход резко падает, влияя на выход строки, даже если другие панели не затенены. Даже незначительные изменения ориентации могут привести к потере выходного сигнала таким образом. В отрасли это известно как «эффект рождественских огней», ссылаясь на то, что вся цепочка огней рождественской елки с множеством рядов не сработает, если одна лампочка не удастся. Однако этот эффект не является полностью точным и игнорирует сложное взаимодействие между современными точками отслеживания максимальной мощности и инверторными байпасными диодами. Исследования теней крупных компаний-производителей микроинвертора и постоянного тока показывают небольшие годовые показатели в светлых, средних и тяжелых затененных условиях — на 2%, 5% и 8% соответственно — на более старых инверторах строк.

Кроме того, эффективность выхода панели сильно зависит от нагрузки, которую на нее наносит инвертор. Чтобы максимизировать производительность, инверторы используют метод, называемый максимальным отслеживанием мощности, чтобы обеспечить оптимальный сбор энергии за счет корректировки приложенной нагрузки. Тем не менее, те же самые проблемы, которые вызывают изменение вывода из панели в панель, влияют на правильную нагрузку, которую должна применять система MPPT. Если одна панель работает в другой точке, инвертор строк может видеть только общее изменение и перемещает точку MPPT для соответствия. Это приводит не только к потерям от затененной панели, но и к другим панелям. Затенение всего лишь 9% поверхности массива может в некоторых случаях снизить общесистемную мощность до 54%. Однако, как указано выше, эти ежегодные потери на потери относительно малы, а более новые технологии позволяют некоторым инверторам строк значительно уменьшать эффекты частичного затенения.

Еще одна проблема, хотя и незначительная, заключается в том, что струнные инверторы доступны с ограниченным выбором номинальных мощностей. Это означает, что данный массив обычно увеличивает размер инвертора до следующей по величине модели по сравнению с рейтингом панели. Например, для 10-панельного массива 2300 Вт может потребоваться использовать инвертор 2500 или даже 3000 Вт, оплачивая возможность преобразования, которую он не может использовать. Эта же проблема затрудняет изменение размера массива с течением времени, добавляя силу при наличии средств (модульность). Если клиент изначально приобрел инвертор 2500 Вт для своих 2300 Вт панелей, они не могут добавить даже одну панель без чрезмерного привода инвертора. Тем не менее, это по размеру считается обычной практикой в ​​современной отрасли (иногда до 20% от номинальной цены инвертора), чтобы учесть ухудшение работы модуля, более высокую производительность в зимние месяцы или добиться более высокой отдачи от утилиты.

Другие проблемы, связанные с централизованными инверторами, включают пространство, необходимое для определения местоположения устройства, а также требования к рассеиванию тепла. Большие центральные инверторы обычно активно охлаждают. Охлаждающие вентиляторы создают шум, поэтому следует учитывать расположение инвертора относительно офисов и занятых зон. И поскольку охлаждающие вентиляторы имеют движущиеся части, грязь, пыль и влажность могут негативно повлиять на их производительность с течением времени. Инверторы струн более тихие, но в конце дня могут возникнуть гудящие шумы, когда мощность инвертора низкая.

Microinverter
Микроинверторы — это небольшие инверторы, рассчитанные на обработку выхода одной панели. Современные сетчатые панели обычно рассчитаны между 225 и 275 Вт, но редко производят это на практике, поэтому микроинверторы обычно оцениваются между 190 и 220 Вт (некоторые, 100 Вт). Поскольку он работает в этой нижней точке питания, многие проблемы дизайна, присущие более крупным проектам, просто уходят; потребность в большом трансформаторе, как правило, устранена, большие электролитические конденсаторы могут быть заменены более надежными тонкопленочными конденсаторами, а охлаждающие нагрузки уменьшаются, поэтому вентиляторы не нужны. Среднее время между отказами (MTBF) цитируется через сотни лет.

Что еще более важно, микроинвертер, подключенный к одной панели, позволяет изолировать и настроить выход этой панели. Например, в том же массиве из 10 панелей, который использовался в качестве примера выше, с микроинверторами любая панель, которая работает недостаточно, не влияет на панели вокруг нее. В этом случае массив в целом производит на 5% больше мощности, чем при использовании строкового инвертора. Когда затенение учитывается, если оно присутствует, эти достижения могут стать значительными, поскольку производители обычно утверждают, что на 5% лучше, чем минимум, и на 25% лучше в некоторых случаях. Кроме того, одна модель может использоваться с широким спектром панелей, новые панели могут быть добавлены в массив в любое время и не должны иметь тот же рейтинг, что и существующие панели.

Иногда к двум микроинверторам (дуо-микроинвертор) прикрепляются две солнечные панели. Мощность, которая вводит микроинвертер, составляет ≥600 Вт и 24 В (т.е., как сказано, две 12 В солнечные панели могут быть связаны вместе). Затем Microinverter преобразует мощность, обеспечиваемую солнечной панелью (-ами), в стандартное переменное напряжение, обычно 230 В перем. Тока / 50 Гц или 240 В переменного тока / 60 Гц. Типичный размер этого микроинвертора: 22×16.4×5.2cm / 8.66×6.46×2.05 «.

Как было сказано, микроинверторы создают мощность согласования сетки непосредственно на задней панели панели (т.е. 220 В). Массивы панелей соединены параллельно друг с другом, а затем с сеткой. Это имеет главное преимущество, что одна отказоустойчивая панель или инвертор не могут использовать всю строку в автономном режиме. В сочетании с более низкими энергетическими и тепловыми нагрузками и улучшенным MTBF некоторые из них предполагают, что общая надежность массива на основе микроинвертора значительно выше, чем на основе инверторной последовательности. Это утверждение подтверждается более длительными гарантиями, обычно от 15 до 25 лет, по сравнению с гарантиями на 5 или 10 лет, которые более типичны для струнных инверторов. Кроме того, когда возникают сбои, они идентифицируются с одной точкой, в отличие от целой строки. Это не только упрощает устранение недостатков, но и устраняет незначительные проблемы, которые в противном случае не могут стать видимыми — одна недостаточно эффективная панель не может влиять на вывод длинной строки, достаточный для замещения.

Недостатки
Основным недостатком концепции микроинвертора до недавнего времени была стоимость. Поскольку каждый микроинвертор должен дублировать большую часть сложного инвертора строки, но распространять его на меньшую мощность, затраты на мощность на ватт больше. Это компенсирует любое преимущество с точки зрения упрощения отдельных компонентов. По состоянию на октябрь 2010 года центральный инвертор стоит около 0,40 долл. США за ватт, тогда как микроинвертор стоит примерно 0,52 долл. США за ватт. Как инверторы строк, экономические соображения вынуждают производителей ограничивать количество моделей, которые они производят. Большинство из них создают единую модель, которая может быть перегружена или уменьшена, если она соответствует определенной панели.

Во многих случаях упаковка может существенно повлиять на цену. С центральным инвертором у вас может быть только один набор панельных соединений для десятков панелей, один выход переменного тока и один блок. С микроинверторами каждый из них должен иметь свой собственный набор входов и выходов в своей собственной коробке. Поскольку этот ящик находится на крыше, он должен быть герметичным и защищенным от атмосферных воздействий. Это может представлять значительную часть общей цены за ватт.

Для дальнейшего снижения затрат некоторые модели контролируют две или три панели из одной коробки, уменьшая упаковку и связанные с ней расходы. Некоторые системы просто помещают два целых микрона в одну коробку, в то время как другие дублируют только секцию MPPT системы и используют один этап DC-AC для дальнейшего снижения затрат. Некоторые из них предположили, что такой подход сделает микроинвертеры сопоставимыми по стоимости с теми, которые используют струнные инверторы. С неуклонно снижающимися ценами, внедрением двойных микроинвертеров и появлением более широкого выбора модели для более точного согласования вывода модуля PV, стоимость меньше препятствует, поэтому микроинвертеры теперь могут распространяться более широко.

Микроинверторы стали обычным явлением, когда размеры массива небольшие, и максимальная производительность каждой панели вызывает беспокойство. В этих случаях разница в цене на ватт минимизируется из-за небольшого количества панелей и мало влияет на общую стоимость системы. Повышение энергозатрат с учетом фиксированного размера может компенсировать эту разницу в стоимости. По этой причине микроинвертеры были наиболее успешными на рынке жилья, где ограниченное пространство для панелей ограничивает размер массива, а затенение от близлежащих деревьев или других объектов часто является проблемой. Производители микроинвертеров перечисляют множество установок, некоторые из которых являются небольшими, как одна панель, а большинство — менее 50.

Часто упущенный недостаток микроинверторов — это будущие затраты на эксплуатацию и обслуживание, связанные с ними. Несмотря на то, что с течением времени технология улучшилась, факт остается фактом: устройства в конечном итоге либо не сработают, либо изнашиваются. Установщик должен балансировать эти затраты на замену (около 400 долл. США за грузовик), повышенные риски для безопасности персонала, оборудования и модуля, стекающие с уровнями прибыли для установки. Для домовладельцев возможный износ или преждевременные сбои устройства могут привести к потенциальному повреждению черепицы или черепицы, повреждению имущества и другим неприятностям.

преимущества
В то время как микроинвертеры обычно имеют более низкую эффективность, чем струнные инверторы, общий КПД увеличивается из-за того, что каждый блок инвертора / панели действует независимо. В строковой конфигурации, когда панель в строке заштрихована, вывод всей строки панелей сводится к выходу самой нижней панели. Это не относится к микроинверторам.

Еще одно преимущество в качестве выходного качества панели. Номинальная мощность любых двух панелей в одном и том же производственном процессе может варьироваться на 10% и более. Это смягчается с помощью строковой конфигурации, но не в конфигурации микроинвертора. Результатом является максимальная сборка мощности из массива микроинвертора.

Мониторинг и обслуживание также легче, так как многие производители микроинвертеров предоставляют приложения или веб-сайты для мониторинга выходной мощности своих устройств. Во многих случаях они являются собственностью; Тем не менее, это не всегда так. После кончины Enecsys и последующего закрытия их сайта; появилось несколько частных сайтов, таких как Enecsys-Monitoring, чтобы позволить владельцам продолжать следить за их системами.

Трехфазные микроинверторы
Эффективное преобразование постоянного тока в переменный ток требует, чтобы инвертор сохранял энергию от панели, в то время как напряжение переменного тока в сети близкое к нулю, а затем снова отпускайте его, когда оно поднимается. Это требует значительных объемов хранения энергии в небольшой упаковке. Самый дешевый вариант для требуемого объема хранения — это электролитический конденсатор, но они имеют относительно короткий срок службы, обычно измеряемый в годах, и эти времена жизни короче при работе в горячем состоянии, например, на солнечной панели на крыше. Это привело к значительным усилиям разработчиков со стороны разработчиков микроинвертеров, которые представили множество топологий конверсии с пониженными требованиями к хранению, причем некоторые из них используют, по возможности, гораздо менее способные, но гораздо более долгоживущие тонкопленочные конденсаторы.

Проблема заключается в трехфазной электрической мощности. В трехфазной цепи мощность не изменяется между (скажем) +120-120 вольт между двумя линиями, но изменяется от 60 до +120 или -60 и -120 В, а периоды изменения намного короче. Инверторы, предназначенные для работы на трехфазных системах, требуют гораздо меньшего объема хранения. Трехфазный микромодуль, использующий коммутацию с нулевым напряжением, может также обеспечивать более высокую плотность контуров и более низкие затраты, при этом эффективность преобразования более 98% лучше, чем типичный однофазный максимум около 96%.

Однако трехфазные системы обычно видны только в промышленных и коммерческих условиях. Эти рынки обычно устанавливают большие массивы, где высокая чувствительность к цене. Поглощение трехфазных микрометров, несмотря на какие-либо теоретические преимущества, представляется очень низким.

защита
Защита микроинверторов обычно включает в себя: anti-islanding; короткое замыкание; Обратная полярность; низкое напряжение; перенапряжения и перегрева.

Портативное использование
Складная солнечная панель с микроинверторами переменного тока может использоваться для зарядки ноутбуков и некоторых электромобилей.

история
Концепция микроинвертора была в солнечной промышленности с момента ее создания. Тем не менее, плоские затраты на производство, такие как стоимость трансформатора или ограждения, значительно улучшились по размеру и означали, что более крупные устройства были по своей сути менее дорогими с точки зрения цены на ватт. Небольшие инверторы были доступны у таких компаний, как ExelTech и другие, но это были просто небольшие версии более крупных моделей с плохими ценами и были нацелены на нишевые рынки.

Ранние примеры
В 1991 году американская компания Ascension Technology начала работу над тем, что было по существу сокращенной версией традиционного инвертора, предназначенного для установки на панель для формирования панели переменного тока. Эта конструкция была основана на обычном линейном регуляторе, который не особенно эффективен и рассеивает значительную теплоту. В 1994 году они отправили пример в Sandia Labs для тестирования. В 1997 году компания Ascension совместно с американской компанией ASE Americas представила панель SunSine мощностью 300 Вт.

Дизайн, который сегодня будет признан «истинным» микроинвертером, проследит его историю до конца 1980-х годов работы Вернера Клейнкауфа в ISET (Institut für Solare Energieversorgungstechnik), в настоящее время — Институт энергии ветра и энергетической системы Фраунгофера. Эти конструкции были основаны на современной высокочастотной коммутирующей электропитательной технологии, которая намного эффективнее. Его работа над «модульными интегрированными преобразователями» была очень влиятельной, особенно в Европе.

В 1993 году компания Mastervolt представила свой первый инвертор сетки — Sunmaster 130S, основанный на совместных усилиях Shell Solar, Ecofys и ECN. 130 был предназначен для установки непосредственно на заднюю панель панели, соединяющей линии переменного и постоянного тока с компрессионными фитингами. В 2000 году 130 был заменен Soladin 120, микроинвертером в виде адаптера переменного тока, который позволяет подключать панели, просто подключая их к любой розетке.

В 1995 году OKE-Services разработала новую высокочастотную версию с улучшенной эффективностью, которая была введена в продажу в качестве OK4-100 в 1995 году NKF Kabel и переименована в продажу в США как Trace Microsine. Новая версия, OK4All, улучшила эффективность и имела более широкие рабочие диапазоны.

Несмотря на это многообещающее начало, к 2003 году большинство этих проектов закончилось. Технология Ascension была приобретена корпорацией Applied Power Corporation, крупным интегратором. В свою очередь APC была приобретена Schott в 2002 году, а производство SunSine было отменено в пользу существующих проектов Schott. NKF завершила выпуск серии OK4 в 2003 году, когда программа субсидирования закончилась. Mastervolt перешел на линию «мини-инверторов», объединив удобство использования 120 в системе, предназначенной для поддержки до 600 Вт панелей.

Enphase
После катастрофы 2001 года Telecoms Мартин Форнаж из Cerent Corporation искал новые проекты. Когда он увидел низкую производительность струнного инвертора для солнечной батареи на своем ранчо, он нашел проект, который искал. В 2006 году он создал Enphase Energy (теперь интегрированный в Siemens) с другим инженером Cerent Рагху Белуром, и в следующем году они провели свой опыт в области телекоммуникационного проектирования с проблемой инвертора.

Выпущенный в 2008 году модель Enphase M175 стала первым коммерчески успешным микроинвертером. Преемник, M190, был представлен в 2009 году, а последняя модель M215 — в 2011 году. Благодаря среднему капиталу в размере 100 миллионов долларов компания Enphase быстро выросла до 13% рынка к середине 2010 года, ориентируясь на 20% к концу года , Они отправили свой 500 000-й инвертор в начале 2011 года и их 1 000 000 в сентябре того же года. В начале 2011 года они объявили, что обновленные версии нового дизайна будут проданы Siemens непосредственно подрядчикам по электроснабжению для широкого распространения.

Enphase подписала соглашение с EnergyAustralia на рынок своей микроинверторной технологии.

Основные игроки
Успех Enphase не остался незамеченным, и с 2010 года появилось множество конкурентов. Многие из них идентичны M190 в спецификациях и даже в деталях корпуса и монтажа. Некоторые дифференцируются, конкурируя голова к голове с Enphase с точки зрения цены или производительности, в то время как другие атакуют нишевые рынки.

Крупные фирмы также вышли на поле: SMA, Enecsys и iEnergy.

OKE-Services обновил продукт OK4-All недавно был куплен SMA и выпущен как SunnyBoy 240 после продолжительного периода беременности, в то время как Power-One представила AURORA 250 и 300. Другие крупные игроки включали Enecsys и SolarBridge, особенно за пределами Северной Америки рынок. Единственный производимый в США микроинвертер — от Chilicon Power. С 2009 года несколько компаний из Европы в Китай, в том числе крупные центральные производители инверторов, запустили микроинвертеры — подтвердили микроинвертер как установленную технологию и одну из крупнейших технологических сдвигов в отрасли PV в последние годы.

APsystems — это маркетинговые инверторы для четырех солнечных модулей — микроинверторы, в том числе трехфазный YP1000 с выходом переменного тока мощностью до 900 Вт.

В 2018 году в мире насчитывается 19 производителей микроинвертеров, в том числе: Видимые, Delta, Sparq, Kaco, ABB, Array Converter, 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 и Plug & Power.

Существует растущий список компаний с большим именем PV во всем мире, которые сотрудничают с компаниями микроинвертора для производства и продажи солнечных панелей переменного тока, включая Trina Solar, BenQ, LG, Canadian Solar, Suntech, SunPower, NESL, Hanwha SolarOne, Sharp и другие которые просто соединяются.

Снижение цен
Период между 2009 и 2012 годами включал беспрецедентное движение цены вниз на рынке PV. В начале этого периода панели обычно составляли от 2,00 долл. США до 2,50 долл. США, а инверторы — от 50 до 65 центов / Вт. К концу 2012 года панели были широко доступны в оптовой торговле от 65 до 70 центов, а инверторы струн — от 30 до 35 центов / Вт. Для сравнения, микроинвертеры оказались относительно невосприимчивыми к этим же видам снижения цен, переходя от примерно 65 центов / Вт до 50-55, когда учитываются кабели. Это может привести к увеличению потерь, поскольку поставщики пытаются оставаться конкурентоспособными.

Тем не менее, в 2018 году некоторые инверторы DC 12/24 V to AC 110 / 220V продаются на 0,06 долл. США / Вт (т.е. 100Вт микроинвертора на 6,81 долл. США).