Solar mikro -omformer - Solar micro-inverter

Se også: AC -modul
En mikroinverter for solenergi.

En solenergimikroomformer , eller ganske enkelt mikroinverter , er en plug-and-play-enhet som brukes i fotovoltaikk , som konverterer likestrøm (DC) generert av en enkelt solmodul til vekselstrøm (AC). Mikroinvertere kontrasterer med konvensjonelle streng- og sentrale solomformere , der en enkelt omformer er koblet til flere solcellepaneler. Utgangen fra flere mikroinvertere kan kombineres og ofte mates til det elektriske nettet .

Mikroinvertere har flere fordeler i forhold til konvensjonelle omformere. Den største fordelen er at de isolerer panelene elektrisk fra hverandre, så små mengder skygge, rusk eller snølinjer på en hvilken som helst solcellemodul, eller til og med en komplett modulfeil, reduserer ikke uforholdsmessig mengden av hele matrisen. Hver mikroinverter høster optimal effekt ved å utføre maksimal effektpunktsporing (MPPT) for den tilkoblede modulen. Enkelhet i systemdesign, ledninger med lavere strømstyrke, forenklet lagerstyring og ekstra sikkerhet er andre faktorer som ble introdusert med mikroinverterløsningen.

De primære ulempene med en mikroinverter inkluderer en høyere initial utstyrskostnad per topp watt enn ekvivalenten til en sentral inverter siden hver inverter må installeres ved siden av et panel (vanligvis på et tak). Dette gjør dem også vanskeligere å vedlikeholde og dyrere å fjerne og bytte ut. Noen produsenter har løst disse problemene med paneler med innebygde mikroinvertere. En mikroinverter har ofte lengre levetid enn en sentral omformer, som må skiftes ut i løpet av solpanelene. Derfor kan den økonomiske ulempen i begynnelsen bli en fordel på lang sikt.

En strømoptimaliserer er en type teknologi som ligner på en mikroinverter, og gjør også maksimal effektpunktsporing på panelnivå, men konverterer ikke til vekselstrøm per modul.

Beskrivelse

Strengomformer

Hovedartikkel: Solar inverter

Solcellepaneler produserer likestrøm ved en spenning som er avhengig av moduldesign og lysforhold. Moderne moduler som bruker 6-tommers celler inneholder vanligvis 60 celler og produserer nominelle 24-30 V. (så omformere er klare for 24-50 V).

For konvertering til vekselstrøm kan paneler kobles i serie for å produsere en matrise som faktisk er et enkelt stort panel med en nominell verdi på 300 til 600 VDC. Strømmen går deretter til en omformer, som konverterer den til standard AC -spenning, vanligvis 230 VAC / 50 Hz eller 240 VAC / 60 Hz.

Hovedproblemet med "strengomformeren" -tilnærmingen er at panelpanelet fungerer som om det var et enkelt større panel med en maksimal strømvurdering som tilsvarer den dårligste utøveren i strengen. For eksempel, hvis ett panel i en streng har 5% høyere motstand på grunn av en mindre produksjonsfeil, får hele strengen et tap på 5%. Denne situasjonen er dynamisk. Hvis et panel er skyggelagt, faller utgangen dramatisk, noe som påvirker utgangen til strengen, selv om de andre panelene ikke er skyggelagte. Selv små endringer i orienteringen kan forårsake tap av produksjon på denne måten. I bransjen er dette kjent som "julelyseffekten", og refererer til måten en hel serie med serietrengede juletrelys vil mislykkes hvis en enkelt pære svikter. Denne effekten er imidlertid ikke helt nøyaktig og ignorerer det komplekse samspillet mellom moderne strenginverter maksimal effektpunktsporing og til og med modulbypass -dioder . Skyggeundersøkelser fra store mikroinverter- og DC-optimeringsselskaper viser små årlige gevinster i lyse, mellomstore og tunge skyggelagte forhold- henholdsvis 2%, 5% og 8%- over en eldre strengomformer.

I tillegg påvirkes effektiviteten til panelets utgang sterkt av belastningen omformeren legger på den. For å maksimere produksjonen bruker omformere en teknikk som kalles maksimal effektpunktsporing for å sikre optimal energihøst ved å justere påført belastning. De samme problemene som forårsaker at utgangen varierer fra panel til panel, påvirker imidlertid riktig belastning som MPPT -systemet bør bruke. Hvis et enkelt panel opererer på et annet punkt, kan en strengomformer bare se den totale endringen, og flytter MPPT -punktet for å matche. Dette resulterer i ikke bare tap fra det skyggelagte panelet, men de andre panelene også. Skygge på så lite som 9% av overflaten til en matrise kan under noen omstendigheter redusere systemomfattende effekt så mye som 54%. Som nevnt ovenfor er imidlertid disse årlige avkastningstapene relativt små, og nyere teknologier lar noen strengomformere redusere effektene av delvis skygge betydelig.

Et annet problem, selv om det er mindre, er at strengomformere er tilgjengelige i et begrenset utvalg av effektverdier. Dette betyr at en gitt matrise normalt oppgraderer omformeren til den nest største modellen over vurderingen av paneloppsettet. For eksempel kan et 10-panel array på 2300 W måtte bruke en 2500 eller til og med 3000 W omformer, og betale for konverteringskapasitet den ikke kan bruke. Det samme problemet gjør det vanskelig å endre matrisestørrelse over tid, og legge til strøm når midler er tilgjengelige (modularitet). Hvis kunden opprinnelig kjøpte en 2500 W omformer for sine 2300 W paneler, kan de ikke legge til et enkelt panel uten å overdrive omformeren. Imidlertid anses denne overdimensjonen som vanlig praksis i dagens industri (noen ganger så høyt som 20% over omformerens typeskilt) for å ta hensyn til modulnedbrytning, høyere ytelse i vintermånedene eller for å oppnå høyere salg tilbake til verktøyet.

Andre utfordringer knyttet til sentraliserte omformere inkluderer plassen som kreves for å lokalisere enheten, samt krav til varmeavledning. Store sentrale omformere blir vanligvis aktivt avkjølt. Kjølevifter lager støy, så plasseringen av omformeren i forhold til kontorer og okkuperte områder må vurderes. Og fordi kjølevifter har bevegelige deler, kan smuss, støv og fuktighet påvirke ytelsen deres over tid negativt. Strengomformere er roligere, men kan gi en summende støy sent på ettermiddagen når omformeren er lav.

Microinverter

Mikroinvertere er små omformere som er klassifisert for å håndtere utgangen fra et enkelt panel eller et par paneler. Rutenettpaneler er normalt vurdert mellom 225 og 275 W, men produserer det sjelden i praksis, så mikroinvertere er vanligvis vurdert mellom 190 og 220 W (noen ganger 100 W). Fordi den drives på dette lavere kraftpunktet, forsvinner mange designproblemer som er forbundet med større design; Behovet for en stor transformator elimineres vanligvis, store elektrolytiske kondensatorer kan erstattes av mer pålitelige tynnfilmskondensatorer, og kjølebelastningen reduseres, så det er ikke behov for vifter. Middeltiden mellom feil (MTBF) er sitert i hundrevis av år.

En mikroinverter som er festet til et enkelt panel, lar den isolere og stille inn utgangen fra panelet. Et panel som underpresterer har ingen effekt på panelene rundt det. I så fall produserer arrayet som helhet så mye som 5% mer strøm enn det ville gjort med en strengomformer. Når skygging er innregnet i, hvis den er tilstede, kan disse gevinstene bli betydelige, med produsenter som generelt hevder 5% bedre produksjon som minimum, og opptil 25% bedre i noen tilfeller. Videre kan en enkelt modell brukes med et stort utvalg paneler, nye paneler kan til enhver tid legges til i en matrise og trenger ikke å ha samme karakter som eksisterende paneler.

Mikroomformere produserer nett-matchende vekselstrøm direkte på baksiden av hvert solcellepanel. Matriser med paneler er koblet parallelt med hverandre, og deretter til rutenettet. Dette har den store fordelen at et enkelt sviktende panel eller inverter ikke kan ta hele strengen frakoblet. Kombinert med lavere effekt- og varmebelastninger og forbedret MTBF, antyder noen at den overordnede påliteligheten til et mikroinverterbasert system er betydelig større enn en strenginverterbasert. Denne påstanden støttes av lengre garantier, vanligvis 15 til 25 år, sammenlignet med 5 eller 10-års garantier som er mer typiske for strengomformere. I tillegg, når det oppstår feil, kan de identifiseres til et enkelt punkt, i motsetning til en hel streng. Dette gjør ikke bare feilisolering enklere, men avmasker mindre problemer som ellers ikke kan bli synlige-et enkelt underpresterende panel påvirker kanskje ikke en lang strengs utgang nok til å bli lagt merke til.

Ulemper

Den største ulempen med mikroinverter -konseptet har inntil nylig vært kostnad. Fordi hver mikroinverter må kopiere mye av kompleksiteten til en strengomformer, men spre den over en mindre effekt, er kostnadene per watt større. Dette oppveier enhver fordel når det gjelder forenkling av individuelle komponenter. Fra februar 2018 koster en sentral inverter omtrent 0,13 dollar per watt, mens en mikroinverter koster omtrent 0,34 dollar per watt. Som strengomformere tvinger økonomiske hensyn produsentene til å begrense antall modeller de produserer. De fleste produserer en enkelt modell som kan være for stor eller for liten når den matches med et bestemt panel.

I mange tilfeller kan emballasjen ha en betydelig effekt på prisen. Med en sentral omformer kan du ha bare ett sett med paneltilkoblinger for dusinvis av paneler, en enkelt AC -utgang og en boks. Microinverter installasjoner større enn ca 15 paneler kan også kreve en takmontert "kombinator" bryterboks. Dette kan øke den totale prisen per watt.

For å redusere kostnadene ytterligere styrer noen modeller to eller tre paneler fra en omformer, noe som reduserer emballasjen og tilhørende kostnader. Noen systemer plasserer to hele mikroer i en enkelt boks, mens andre dupliserer bare MPPT-delen av systemet og bruker et enkelt DC-til-AC-trinn for ytterligere kostnadsreduksjoner. Noen har antydet at denne tilnærmingen vil gjøre mikroinvertere sammenlignbare i pris med de som bruker strengomformere. Med stadig lavere priser, introduksjonen av doble mikroinvertere og ankomsten av bredere modellvalg for å matche PV -modulens utgang nærmere, er kostnadene mindre et hinder.

Mikroinvertere har blitt vanlige der matrisestørrelser er små, og det er et problem å maksimere ytelsen fra hvert panel. I disse tilfellene er differansen i pris per watt minimert på grunn av det lille antallet paneler, og har liten effekt på den totale systemkostnaden. Forbedringen i energihøsting gitt et fast størrelsesarrangement kan oppveie denne forskjellen i kostnader. Av denne grunn har mikroinvertere vært mest suksessrike på boligmarkedet, der begrenset plass for paneler begrenser matrisestørrelse, og skygge fra nærliggende trær eller andre objekter er ofte et problem. Mikroinverterprodusenter viser mange installasjoner, noen så små som et enkelt panel og flertallet under 50.

En ofte oversett ulempe med mikroomformere er fremtidige drifts- og vedlikeholdskostnader knyttet til dem. Selv om teknologien har blitt bedre gjennom årene, er det fortsatt faktum at enhetene til slutt enten vil mislykkes eller slites ut. Installatøren må balansere disse erstatningskostnadene (rundt $ 400 per lastebilrull), økte sikkerhetsrisikoer for personell, utstyr og modulstativ mot gevinstmarginene for installasjonen. For huseiere vil den eventuelle slitasje eller for tidlige enhetsfeil føre til potensielle skader på takstein eller helvetesild, skade på eiendom og andre plager.

Fordeler

Selv om mikroinvertere generelt har en lavere effektivitet enn strengomformere, økes den generelle effektiviteten på grunn av det faktum at hver inverter / panelenhet fungerer uavhengig. I en strengkonfigurasjon, når et panel på en streng er skyggelagt, reduseres produksjonen fra hele paneldrengen til utgangen til det lavest produserende panelet. Dette er ikke tilfellet med mikroomformere.

En ytterligere fordel er panelets utgangskvalitet. Nominell effekt for to paneler i samme produksjon kan variere med så mye som 10% eller mer. Dette reduseres med en mikroinverterkonfigurasjon, men ikke slik i en strengkonfigurasjon. Resultatet er maksimal effekthøsting fra et mikroinverter -array.

Systemer med mikroinvertere kan også endres lettere når strømkravene vokser eller reduseres over tid. Siden hvert solpanel og mikroinverter er et lite eget system, fungerer det til en viss grad uavhengig. Dette betyr at å legge til ett eller flere paneler bare vil gi mer energi, så lenge den sammensmeltede elektrisitetsgruppen i et hus eller en bygning ikke overskrider grensene. Tvert imot, med strengbaserte omformere må omformerstørrelsen være i samsvar med mengden paneler eller mengden toppeffekt. Å velge en overdimensjonert strengomformer er mulig når fremtidig forlengelse er forutsatt, men en slik bestemmelse for en usikker fremtid øker kostnadene uansett.

Overvåking og vedlikehold er også enklere ettersom mange mikroinverterprodusenter tilbyr apper eller nettsteder for å overvåke effektene til enhetene sine. I mange tilfeller er disse proprietære; men dette er ikke alltid tilfelle. Etter bortfallet av Enecsys, og den påfølgende nedleggelsen av nettstedet deres; en rekke private nettsteder som Enecsys-Monitoring dukket opp for å gjøre eiere i stand til å fortsette å overvåke systemene sine.

Trefase mikroinvertere

Effektiv konvertering av likestrøm til vekselstrøm krever at omformeren lagrer energi fra panelet mens nettspenningen er nær null, og deretter slipper den igjen når den stiger. Dette krever betydelige mengder energilagring i en liten pakke. Det rimeligste alternativet for den nødvendige lagringsmengden er den elektrolytiske kondensatoren, men disse har relativt korte levetider som normalt måles i år, og levetiden er kortere når den drives varm, som på et solcellepanel på taket. Dette har ført til betydelig utvikling innsats på den delen av microinverter utviklere, som har innført en rekke konverterings topologier med senkede lagringsbehov, noen ved hjelp av mye mindre i stand til, men langt lenger levde tynn film kondensatorer der det er mulig.

Trefaset elektrisk kraft representerer en annen løsning på problemet. I en trefaset krets varierer ikke effekten mellom (si) +120 til -120 V mellom to linjer, men i stedet varierer mellom 60 og +120 eller -60 og -120 V, og variasjonstidene er mye kortere . Omformere designet for drift på trefasesystemer krever mye mindre lagring. En trefaset mikro som bruker nullspenningsbryter kan også tilby høyere kretstetthet og lavere kostnadskomponenter, samtidig som konverteringseffektiviteten forbedres til over 98%, bedre enn den typiske enfasetoppen på rundt 96%.

Trefasesystemer er imidlertid vanligvis bare sett i industrielle og kommersielle omgivelser. Disse markedene installerer normalt større matriser, der prisfølsomheten er høyest. Opptak av trefasede mikroer, til tross for eventuelle teoretiske fordeler, ser ut til å være svært lav.

Beskyttelse

Beskyttelse av mikroinvertere inkluderer vanligvis: anti- islanding ; kortslutning ; omvendt polaritet ; lav spenning ; overspenning og over temperatur.

Bærbar bruk

Sammenleggbart solcellepanel med AC -mikroinvertere kan brukes til å lade bærbare datamaskiner og noen elektriske kjøretøy .

Historie

Microinverter -konseptet har vært i solindustrien siden oppstarten. Flat produksjonskostnader, som kostnaden for transformatoren eller kabinettet, skalerte imidlertid positivt med størrelsen, og betydde at større enheter iboende var billigere når det gjelder pris per watt . Små omformere var tilgjengelige fra selskaper som ExelTech og andre, men dette var ganske enkelt små versjoner av større design med dårlig prisytelse, og var rettet mot nisjemarkeder.

Tidlige eksempler

Mastervolts Sunmaster 130S ble utgitt i 1993 og var den første virkelige mikroinverteren.
En annen tidlig mikroinverter, 1995's OK4E-100-E for European, 100 for 100 watt.

I 1991 startet det amerikanske selskapet Ascension Technology arbeidet med det som egentlig var en krympet versjon av en tradisjonell omformer, beregnet på å bli montert på et panel for å danne et AC -panel . Denne designen var basert på den konvensjonelle lineære regulatoren, som ikke er spesielt effektiv og avleder betydelig varme. I 1994 sendte de et eksempel til Sandia Labs for testing. I 1997 inngikk Ascension et samarbeid med det amerikanske panelselskapet ASE Americas for å introdusere 300 W SunSine -panelet.

Design av det som i dag ville bli anerkjent som en "ekte" mikroinverter, sporer sin historie til slutten av 1980 -tallet av Werner Kleinkauf ved ISET ( Institut für Solare Energieversorgungstechnik ), nå Fraunhofer Institute for Wind Energy and Energy System Technology. Disse designene var basert på moderne høyfrekvent bryterstrømforsyningsteknologi, som er mye mer effektiv. Hans arbeid med "modulintegrerte omformere" var svært innflytelsesrik, spesielt i Europa.

I 1993 introduserte Mastervolt sin første grid-tie inverter , Sunmaster 130S, basert på et samarbeid mellom Shell Solar, Ecofys og ECN. 130 er designet for å montere direkte på baksiden av panelet, og forbinder både AC- og DC -linjer med kompresjonsbeslag . I 2000 ble 130 erstattet av Soladin 120, en mikroinverter i form av en vekselstrømadapter som gjør det mulig å koble paneler ved å koble dem til en stikkontakt .

I 1995 designet OKE-Services en ny høyfrekvent versjon med forbedret effektivitet, som ble introdusert kommersielt som OK4-100 i 1995 av NKF Kabel, og merket for nytt salg i USA som Trace Microsine. En ny versjon, OK4All, forbedret effektiviteten og hadde bredere driftsområder.

Til tross for denne lovende starten var de fleste av disse prosjektene avsluttet i 2003. Ascension Technology ble kjøpt av Applied Power Corporation, en stor integrator. APC ble på sin side kjøpt av Schott i 2002, og SunSine -produksjonen ble kansellert til fordel for Schotts eksisterende design. NKF avsluttet produksjonen av OK4 -serien i 2003 da et subsidieprogram ble avsluttet. Mastervolt har gått videre til en serie med "mini-omformere" som kombinerer brukervennligheten til 120 i et system designet for å støtte opptil 600 W paneler.

Innfase

I kjølvannet av Telecoms -krasjet i 2001 lette Martin Fornage fra Cerent Corporation etter nye prosjekter. Da han så den lave ytelsen til strengomformeren for solcelleanlegget på ranchen hans, fant han prosjektet han lette etter. I 2006 dannet han Enphase Energy med en annen Cerent -ingeniør, Raghu Belur, og de brukte det neste året på å bruke sin telekommunikasjonsdesign -ekspertise på inverterproblemet.

Enphase M175 -modellen ble utgitt i 2008 og var den første kommersielt vellykkede mikroinverteren. En etterfølger, M190, ble introdusert i 2009, og den nyeste modellen, M215, i 2011. Med 100 millioner dollar i private equity vokste Enphase raskt til 13% markedsandel i midten av 2010, med sikte på 20% innen utgangen av året . De sendte sin 500 000. inverter tidlig i 2011, og deres 1 000 000 i september samme år. Tidlig i 2011 kunngjorde de at ommerkede versjoner av det nye designet vil bli solgt av Siemens direkte til elektriske entreprenører for utbredt distribusjon.

Enphase har tegnet en avtale med EnergyAustralia om å markedsføre sin mikroinverterteknologi.

Store spillere

Enphases suksess gikk ikke upåaktet hen, og siden 2010 kom en rekke konkurrenter og forlot stort sett plassen. Mange av produktene var identiske med M190 i spesifikasjoner, og til og med i foringsrør og monteringsdetaljer. Noen differensierer ved å konkurrere head-to-head med Enphase når det gjelder pris eller ytelse, mens andre angriper nisjemarkeder.

Større firmaer gikk også inn på feltet: SMA , Enecsys og iEnergy .

OKE-Services oppdaterte OK4-All-produktet ble kjøpt av SMA i 2009 og utgitt som SunnyBoy 240 etter en lengre svangerskapsperiode, mens Power-One har introdusert AURORA 250 og 300. Andre store aktører rundt 2010 inkluderer Enecsys og SolarBridge Technologies , spesielt utenfor det nordamerikanske markedet. I 2021 er den eneste mikroinverteren laget i USA fra Chilicon Power. Siden 2009 har flere selskaper fra Europa til Kina, inkludert store sentrale inverterprodusenter, lansert mikroinvertere - validering av mikroinverteren som en etablert teknologi og et av de største teknologiskiftene i PV -industrien de siste årene.

APsystems markedsfører omformere for opptil fire solcellemoduler og mikroinvertere, inkludert trefasede YC1000 med en AC-effekt på opptil 1130 Watt.

Antall produsenter har gått ned gjennom årene, både av slitasje og konsolidering. I 2019 inkluderer de få gjenværende Enphase som kjøpte SolarBridge i 2021, Omnik Solar og Chilicon Power (kjøpt av Generac i juli 2021).

I juli 2021 inkluderer listen over store navn PV -selskaper som har inngått samarbeid med mikroinverter selskaper for å produsere og selge AC solcellepaneler Siemens , Trina Solar , BenQ , LG , Canadian Solar , Suntech , SunPower , NESL , Hanwha SolarOne , Sharp .

Prisen synker

Perioden mellom 2009 og 2012 inkluderte en prisnedgang uten sidestykke i solcellemarkedet. I begynnelsen av denne perioden var engrospriser for paneler vanligvis rundt $ 2,00 til $ 2,50/W, og omformere rundt 50 til 65 cent/W. Ved utgangen av 2012 var paneler allment tilgjengelig i engros på 65 til 70 cent, og strengomformere rundt 30 til 35 cent/W. Til sammenligning har mikroinvertere vist seg å være relativt immun mot de samme prisnedgangene, og går fra ca 65 cent/W til 50 til 55 når kabling er beregnet. Dette kan føre til større tap når leverandørene prøver å forbli konkurransedyktige.

Se også

Merknader

Referanser

Sitater
Bibliografi

Eksterne linker