Solar mikroomvandlare - Solar micro-inverter

Se även: AC -modul
En mikroinverterare för sol.

En solmikroinverterare , eller helt enkelt mikroinverter , är en plug-and-play-enhet som används i solceller som omvandlar likström (DC) som genereras av en enda solcellsmodul till växelström (AC). Mikroinverters kontrasterar med konventionella sträng- och centrala solomvandlare , där en enda inverter är ansluten till flera solpaneler. Utsignalen från flera mikroinverters kan kombineras och ofta matas till elnätet .

Mikroinverters har flera fördelar jämfört med konventionella inverterare. Den största fördelen är att de isolerar panelerna elektriskt från varandra, så små mängder skuggning, skräp eller snölinjer på en solcellsmodul, eller till och med ett fullständigt modulfel, minskar inte oproportionerligt mycket hela matrisens effekt. Varje mikroinverter skördar optimal effekt genom att utföra maximal effektpunktspårning (MPPT) för den anslutna modulen. Enkelhet i systemdesign, ledningar med lägre strömstyrka, förenklad lagerhantering och ökad säkerhet är andra faktorer som introduceras med mikroinverterlösningen.

De främsta nackdelarna med en mikroinverter inkluderar en högre initial utrustningskostnad per topp watt än motsvarande effekt för en central inverterare eftersom varje växelriktare måste installeras intill en panel (vanligtvis på ett tak). Detta gör dem också svårare att underhålla och dyrare att ta bort och byta ut. Vissa tillverkare har tagit upp dessa problem med paneler med inbyggda mikroomvandlare. En mikroinverter har ofta en längre livslängd än en central växelriktare, som kommer att behöva bytas ut under solpanelernas livslängd. Därför kan den ekonomiska nackdelen först bli en fördel på lång sikt.

En effektoptimerare är en typ av teknik som liknar en mikroomvandlare och gör också maximal spårning på panelnivå, men konverterar inte till AC per modul.

Beskrivning

Strängomvandlare

Huvudartikel: Solar inverter

Solpaneler producerar likström vid en spänning som beror på modulens design och ljusförhållanden. Moderna moduler som använder 6-tums celler innehåller vanligtvis 60 celler och ger en nominell 24-30 V. (så inverterarna är klara för 24-50 V).

För omvandling till växelström kan paneler anslutas i serie för att producera en grupp som faktiskt är en enda stor panel med en nominell effekt på 300 till 600 VDC. Strömmen går sedan till en växelriktare, som omvandlar den till standard AC -spänning, vanligtvis 230 VAC / 50 Hz eller 240 VAC / 60 Hz.

Huvudproblemet med "strängomvandlaren" -metoden är att strängen av paneler fungerar som om det vore en enda större panel med en maxström som motsvarar den sämsta utföraren i strängen. Till exempel, om en panel i en sträng har 5% högre motstånd på grund av en mindre tillverkningsfel, drabbas hela strängen av en prestandaförlust på 5%. Denna situation är dynamisk. Om en panel är skuggad sjunker dess utdata dramatiskt, vilket påverkar strängens utgång, även om de andra panelerna inte är skuggade. Även små förändringar i orienteringen kan orsaka produktionsförlust på detta sätt. I branschen är detta känt som "julbelysningseffekten", med hänvisning till hur en hel rad av serieträngda julgransljus kommer att misslyckas om en enda glödlampa misslyckas. Denna effekt är dock inte helt korrekt och ignorerar den komplexa interaktionen mellan moderna strängomvandlarens maximala effektpunktspårning och till och med modulbypassdioder . Skuggstudier av stora mikroinverter- och DC-optimeringsföretag visar små årliga vinster i ljusa, medelstora och tunga skuggade förhållanden- 2%, 5% respektive 8%- jämfört med en äldre strängomvandlare.

Dessutom påverkas effektiviteten av en panels utgång starkt av belastningen som växelriktaren lägger på den. För att maximera produktionen använder växelriktare en teknik som kallas maximal effektpunktsspårning för att säkerställa optimal energiskörd genom att justera den applicerade belastningen. Samma problem som orsakar att utdata varierar från panel till panel påverkar emellertid rätt belastning som MPPT -systemet bör tillämpa. Om en enda panel fungerar vid en annan punkt kan en strängomvandlare bara se den totala förändringen och flyttar MPPT -punkten till matchning. Detta resulterar i inte bara förluster från den skuggade panelen, utan också de andra panelerna. Skuggning av så lite som 9% av ytan på en matris kan under vissa omständigheter minska hela systemet så mycket som 54%. Som nämnts ovan är dessa årliga avkastningsförluster emellertid relativt små och nyare teknik tillåter vissa strängomformare att avsevärt minska effekterna av partiell skuggning.

En annan fråga, om än mindre, är att strängomvandlare finns i ett begränsat urval av effektvärden. Detta innebär att en given matris normalt växlar upp växelriktaren till den näst största modellen över betygsättningen för panelmatrisen. Till exempel kan en 10-panel array på 2300 W behöva använda en 2500 eller till och med 3000 W omvandlare, betala för konverteringsförmåga den inte kan använda. Samma problem gör det svårt att ändra matrisstorlek över tid och lägga till kraft när medel finns tillgängliga (modularitet). Om kunden ursprungligen köpte en 2500 W inverter för sina 2300 W paneler kan de inte lägga till en enda panel utan att överdriva växelriktaren. Denna överdimensionering anses dock vara vanlig praxis i dagens bransch (ibland så hög som 20% över inverterns märkskylt) för att ta hänsyn till modulnedbrytning, högre prestanda under vintermånaderna eller för att uppnå högre försäljning tillbaka till verktyget.

Andra utmaningar i samband med centraliserade växelriktare inkluderar det utrymme som krävs för att lokalisera enheten, samt krav på värmeavledning. Stora centrala växelriktare kyls vanligtvis aktivt. Kylfläktar gör buller, så omriktarens placering i förhållande till kontor och upptagna områden måste övervägas. Och eftersom kylfläktar har rörliga delar kan smuts, damm och fukt påverka deras prestanda negativt över tid. Strängomformare är tystare men kan ge ett surrande brus sent på eftermiddagen när växelriktareffekten är låg.

Microinverter

Mikroinverterare är små omformare som är klassade för att hantera utmatningen från en enda panel eller ett par paneler. Rutnätpaneler är normalt märkta mellan 225 och 275 W, men ger sällan detta i praktiken, så mikroinverters är normalt märkta mellan 190 och 220 W (ibland 100 W). Eftersom den drivs vid denna lägre effektpunkt försvinner många designproblem som är förknippade med större konstruktioner helt enkelt; behovet av en stor transformator elimineras i allmänhet, stora elektrolytkondensatorer kan ersättas med mer tillförlitliga tunnfilmskondensatorer och kylbelastningen reduceras så att inga fläktar behövs. Medeltiden mellan misslyckanden (MTBF) anges i hundratals år.

En mikroinverter som är ansluten till en enda panel gör att den kan isolera och ställa in utmatningen från den panelen. Varje panel som underpresterar har ingen effekt på paneler runt den. I så fall ger matrisen som helhet så mycket som 5% mer effekt än den skulle med en strängomvandlare. När skuggning är inräknat, om sådana finns, kan dessa vinster bli betydande, med tillverkare som i allmänhet hävdar 5% bättre produktion åtminstone och upp till 25% bättre i vissa fall. Dessutom kan en enda modell användas med en mängd olika paneler, nya paneler kan läggas till i en matris när som helst och behöver inte ha samma betyg som befintliga paneler.

Mikroomvandlare producerar nätmatchande växelström direkt på baksidan av varje solpanel. Matriser av paneler är anslutna parallellt med varandra och sedan till nätet. Detta har den stora fördelen att en enda felaktig panel eller omvandlare inte kan ta hela strängen offline. Kombinerat med lägre effekt- och värmebelastningar och förbättrad MTBF föreslår vissa att den övergripande array-tillförlitligheten för ett mikroinverterbaserat system är betydligt större än en strängomformarbaserad. Detta påstående stöds av längre garantier, vanligtvis 15 till 25 år, jämfört med 5 eller 10-åriga garantier som är mer typiska för strängomformare. När fel uppstår kan de dessutom identifieras till en enda punkt, till skillnad från en hel sträng. Detta gör inte bara felisolering enklare, men maskerar upp mindre problem som annars inte blir synliga-en enda underpresterande panel kanske inte påverkar en lång strängs utmatning tillräckligt för att märkas.

Nackdelar

Den största nackdelen med mikroinverter -konceptet har, tills nyligen, varit kostnad. Eftersom varje mikroomvandlare måste kopiera mycket av komplexiteten hos en strängomvandlare men sprida ut den över en mindre effekt, är kostnaderna per watt större. Detta kompenserar alla fördelar när det gäller förenkling av enskilda komponenter. Från och med februari 2018 kostar en central inverter cirka 0,13 dollar per watt, medan en mikroomvandlare kostar cirka 0,34 dollar per watt. Liksom strängomformare tvingar ekonomiska överväganden tillverkarna att begränsa antalet modeller de producerar. De flesta producerar en enda modell som kan vara för stor eller för liten när den matchas med en specifik panel.

I många fall kan förpackningen ha en betydande effekt på priset. Med en central växelriktare kan du bara ha en uppsättning panelanslutningar för dussintals paneler, en enda AC -utgång och en låda. Microinverter -installationer som är större än cirka 15 paneler kan också kräva en takmonterad "combiner" -brytarlåda. Detta kan öka det totala priset per watt.

För att ytterligare minska kostnaderna styr vissa modeller två eller tre paneler från en växelriktare, vilket minskar förpackningen och tillhörande kostnader. Vissa system placerar två hela mikro i en enda låda, medan andra bara kopierar MPPT-delen av systemet och använder ett enda DC-till-AC-steg för ytterligare kostnadsminskningar. Vissa har föreslagit att detta tillvägagångssätt kommer att göra mikroinverters jämförbara i kostnad med de som använder strängomvandlare. Med stadigt sjunkande priser, införandet av dubbla mikroinverters och tillkomsten av bredare modellval för att matcha PV -modulens utgång närmare, är kostnaden mindre ett hinder.

Mikroinverterare har blivit vanliga där matrisstorlekar är små och maximering av prestanda från varje panel är ett problem. I dessa fall minimeras skillnaden i pris per watt på grund av det lilla antalet paneler och har liten effekt på den totala systemkostnaden. Förbättringen av energiskörden med tanke på en fast storleksuppsättning kan kompensera denna kostnadsskillnad. Av denna anledning har mikroinverters varit mest framgångsrika på bostadsmarknaden, där begränsat utrymme för paneler begränsar matrisstorlek och skuggning från närliggande träd eller andra objekt är ofta ett problem. Microinverter -tillverkare listar många installationer, några så små som en enda panel och majoriteten under 50.

En ofta förbisedd nackdel med mikroomformare är de framtida drift- och underhållskostnaderna som är förknippade med dem. Även om tekniken har förbättrats under åren är faktum kvar att enheterna så småningom kommer att misslyckas eller slits ut. Installatören måste balansera dessa ersättningskostnader (cirka $ 400 per lastbil), ökade säkerhetsrisker för personal, utrustning och moduler mot vinstmarginalerna för installationen. För husägare kommer eventuella slitage eller för tidiga enhetsfel att medföra potentiella skador på takpannor eller bältros, egendomsskador och andra olägenheter.

Fördelar

Medan mikroomvandlare i allmänhet har en lägre effektivitet än strängomvandlare, ökar den totala effektiviteten på grund av det faktum att varje växelriktare / panelenhet fungerar oberoende. I en strängkonfiguration, när en panel på en sträng är skuggad, reduceras utmatningen från hela panelsträngen till utgången från den lägst producerande panelen. Detta är inte fallet med mikroomformare.

Ytterligare en fördel finns i panelens utgångskvalitet. Den nominella effekten för två paneler i samma produktion kan variera med så mycket som 10% eller mer. Detta mildras med en mikroinverterkonfiguration men inte så i en strängkonfiguration. Resultatet är maximal effektavverkning från en mikroinvertermatris.

System med mikroomvandlare kan också ändras lättare när kraven på ström ökar eller minskar med tiden. Eftersom varje solpanel och mikroinverter är ett litet eget system, fungerar det i viss mån oberoende. Detta innebär att tillsats av en eller flera paneler bara kommer att ge mer energi, så länge den sammansmälta elgruppen i ett hus eller en byggnad inte överskrider gränserna. Tvärtom, med strängbaserade växelriktare måste växelriktarens storlek vara i överensstämmelse med mängden paneler eller mängden toppeffekt. Att välja en överdimensionerad strängomvandlare är möjlig när framtida förlängning förutses, men en sådan bestämmelse för en osäker framtid ökar i alla fall kostnaderna.

Övervakning och underhåll är också enklare eftersom många mikroinverterproducenter tillhandahåller appar eller webbplatser för att övervaka effektutgången från sina enheter. I många fall är dessa proprietära; men så är inte alltid fallet. Efter Enecsys bortgång och efterföljande nedläggning av deras webbplats; ett antal privata sajter som Enecsys-Monitoring uppstod för att göra det möjligt för ägarna att fortsätta övervaka sina system.

Trefasiga mikroomvandlare

Effektiv omvandling av likström till växelström kräver att växelriktaren lagrar energi från panelen medan nätets växelspänning är nära noll och sedan släpper den igen när den stiger. Detta kräver betydande mängder energilagring i ett litet paket. Det billigaste alternativet för den erforderliga lagringsmängden är den elektrolytiska kondensatorn, men dessa har relativt korta livslängder som normalt mäts i år, och dessa livstider är kortare när de drivs varma, som på en solpanel på taket. Detta har lett till en betydande utvecklingsarbete hos microinverter utvecklare, som har presenterat ett antal konverterings topologier med sänkta lagringskrav, vissa med hjälp av mycket mindre kapabla men långt längre levde tunnfilmskondensatorer där så är möjligt.

Trefas elektrisk kraft representerar en annan lösning på problemet. I en trefaskrets varierar effekten inte mellan (säg) +120 till -120 V mellan två linjer, utan varierar i stället mellan 60 och +120 eller -60 och -120 V, och variationstiderna är mycket kortare . Växelriktare som är konstruerade för att fungera på trefassystem kräver mycket mindre lagring. En trefasmikro som använder nollspänningsomkoppling kan också erbjuda högre kretstäthet och lägre kostnadskomponenter, samtidigt som konverteringseffektiviteten förbättras till över 98%, bättre än den typiska enfas-toppen på cirka 96%.

Trefassystem syns emellertid i allmänhet endast i industriella och kommersiella miljöer. Dessa marknader installerar normalt större matriser, där priskänsligheten är högst. Upptag av trefasmikroer, trots alla teoretiska fördelar, verkar vara mycket låg.

Skydd

Mikroinverters skydd inkluderar vanligtvis: anti- ö ; kortslutning ; omvänd polaritet ; låg spänning ; överspänning och över temperatur.

Bärbar användning

Fällbar solpanel med AC -mikroinverter kan användas för att ladda bärbara datorer och vissa elfordon .

Historia

Microinverter -konceptet har funnits i solindustrin sedan starten. Men platta tillverkningskostnader, som kostnaden för transformatorn eller höljet, skalades positivt med storleken och innebar att större enheter i sig var billigare vad gäller pris per watt . Små växelriktare fanns tillgängliga från företag som ExelTech och andra, men det var helt enkelt små versioner av större konstruktioner med dålig prisprestanda och riktade sig till nischmarknader.

Tidiga exempel

Mastervolts Sunmaster 130S släpptes 1993 och var den första riktiga mikroomvandlaren.
En annan tidig mikroinverter, 1995 års OK4E-100-E för europeisk, 100 för 100 watt.

1991 påbörjade det amerikanska företaget Ascension Technology arbetet med vad som egentligen var en krympt version av en traditionell växelriktare, avsedd att monteras på en panel för att bilda en AC -panel . Denna design baserades på den konventionella linjära regulatorn, som inte är särskilt effektiv och avger avsevärd värme. 1994 skickade de ett exempel till Sandia Labs för testning. 1997 samarbetade Ascension med det amerikanska panelföretaget ASE Americas för att introducera 300 W SunSine -panelen.

Design av, vad som idag skulle erkännas som en "sann" mikroinverter, spårar sin historia till slutet av 1980 -talet av Werner Kleinkauf vid ISET ( Institut für Solare Energieversorgungstechnik ), nu Fraunhofer Institute for Wind Energy and Energy System Technology. Dessa konstruktioner baserades på modern högfrekvent växlingsteknik, som är mycket mer effektiv. Hans arbete med "modulintegrerade omvandlare" var mycket inflytelserikt, särskilt i Europa.

1993 introducerade Mastervolt sin första växelriktare , Sunmaster 130S, baserat på ett samarbete mellan Shell Solar, Ecofys och ECN. 130 var utformad för att montera direkt på baksidan av panelen och ansluta både AC- och DC -ledningar med kompressionsbeslag . År 2000 ersattes 130 av Soladin 120, en mikroinverter i form av en nätadapter som gör att paneler kan anslutas helt enkelt genom att ansluta dem till valfritt vägguttag .

1995 konstruerade OKE-Services en ny högfrekvent version med förbättrad effektivitet, som introducerades kommersiellt som OK4-100 1995 av NKF Kabel, och återmärktes för amerikansk försäljning som Trace Microsine. En ny version, OK4All, förbättrade effektiviteten och hade bredare driftsområden.

Trots denna lovande start hade de flesta av dessa projekt slutat 2003. Ascension Technology köptes av Applied Power Corporation, en stor integrator. APC köptes i sin tur av Schott 2002 och SunSine -produktionen avbröts till fördel för Schotts befintliga konstruktioner. NKF avslutade produktionen av OK4 -serien 2003 när ett subventioneringsprogram avslutades. Mastervolt har gått vidare till en serie "mini-inverters" som kombinerar användarvänligheten för 120 i ett system som är utformat för att stödja upp till 600 W paneler.

Bifoga

I efterdyningarna av Telecoms -kraschen 2001 letade Martin Fornage från Cerent Corporation efter nya projekt. När han såg den låga prestandan hos strängomformaren för solsystemet på sin ranch, hittade han projektet han letade efter. År 2006 bildade han Enphase Energy med en annan Cerent -ingenjör, Raghu Belur, och de tillbringade nästa år med att tillämpa sin expertis inom telekommunikationsdesign på inverterproblemet.

Enphase M175 -modellen släpptes 2008 och var den första kommersiellt framgångsrika mikroomvandlaren. En efterträdare, M190, introducerades 2009, och den senaste modellen, M215, 2011. Med stöd av 100 miljoner dollar i private equity växte Enphase snabbt till 13% marknadsandel i mitten av 2010, med sikte på 20% vid årsskiftet . De skickade sin 500 000: e omriktare i början av 2011 och sin 1 000 000: e i september samma år. I början av 2011 meddelade de att ommärkta versioner av den nya designen kommer att säljas av Siemens direkt till elentreprenörer för utbredd distribution.

Enphase har tecknat ett avtal med EnergyAustralia för att marknadsföra sin mikroinverterteknik.

Stora spelare

Enphases framgång gick inte obemärkt förbi, och sedan 2010 kom en mängd tävlande och lämnade i stort sett utrymmet. Många av produkterna var identiska med M190 i specifikationer, och även i höljet och monteringsdetaljer. Vissa skiljer sig genom att konkurrera head-to-head med Enphase när det gäller pris eller prestanda, medan andra attackerar nischmarknader.

Större företag gick också in på området: SMA , Enecsys och iEnergy .

OKE-Services uppdaterade OK4-All-produkten köptes av SMA 2009 och släpptes som SunnyBoy 240 efter en längre graviditetsperiod, medan Power-One har introducerat AURORA 250 och 300. Andra stora aktörer runt 2010 inkluderade Enecsys och SolarBridge Technologies , särskilt utanför den nordamerikanska marknaden. År 2021 är den enda mikroinverter som tillverkas i USA från Chilicon Power. Sedan 2009 har flera företag från Europa till Kina, inklusive stora centrala invertertillverkare, lanserat mikroomvandlare - som validerar mikroomvandlaren som en etablerad teknik och en av de största teknikskiftningarna inom PV -industrin under de senaste åren.

APsystems marknadsför inverterare för upp till fyra solcellsmoduler och en mikroinverter, inklusive trefas YC1000 med en AC-effekt på upp till 1130 Watt.

Antalet tillverkare har minskat genom åren, både genom nedgång och konsolidering. Under 2019 är de få återstående bland annat Enphase som köpte SolarBridge 2021, Omnik Solar och Chilicon Power (förvärvades av Generac i juli 2021).

I juli 2021 listan över stora namn PV -företag som har samarbetat med mikroinverterföretag för att producera och sälja AC -solpaneler inkluderar Siemens , Trina Solar , BenQ , LG , Canadian Solar , Suntech , SunPower , NESL , Hanwha SolarOne , Sharp .

Priset sjunker

Perioden mellan 2009 och 2012 inkluderade en aldrig tidigare skådad prisrörelse på PV -marknaden. I början av denna period var grossistpriserna för paneler i allmänhet cirka $ 2,00 till $ 2,50/W, och inverterare cirka 50 till 65 cent/W. I slutet av 2012 var paneler allmänt tillgängliga i partihandel med 65 till 70 cent och strängomformare cirka 30 till 35 cent/W. Som jämförelse har mikroinverters visat sig vara relativt immun mot samma slags prisnedgångar, från cirka 65 cent/W till 50 till 55 när kablarna har räknats in. Detta kan leda till ökade förluster när leverantörerna försöker förbli konkurrenskraftiga.

Se även

Anteckningar

Referenser

Citat
Bibliografi

externa länkar