Sistema di inverter solari: Guida ai suoi componenti principali

Il "cervello" del vostro sistema di energia solare

Il mondo dell'energia solare. Sebbene i pannelli solari siano il componente più visibile di un sistema che assorbe l'energia solare pura, il cervello è il sistema di inverter solari. Si tratta di un componente essenziale della tecnologia che rappresenta il vero e proprio centro di controllo e comando e le decisioni intelligenti prese ogni millisecondo attraverso il controllo, la conversione e l'uso ottimale dell'energia che alimenta la vostra casa, la vostra azienda o anche una centrale elettrica su scala pubblica.

Un sistema di inverter di alta qualità non solo trasforma l'energia elettrica in elettricità, ma sfrutta anche al meglio l'energia raccolta, rende la rete sicura e stabile e fornisce le informazioni essenziali per monitorare il sistema di energia solare e le prestazioni dell'impianto. In sua assenza, l'energia generata dalle celle solari non può essere utilizzata.

In questa guida completa apriremo la scatola per dare un'occhiata più da vicino a questo sistema. Vedremo cos'è, i quattro tipi più comuni che si incontrano, i principali elementi hardware presenti al suo interno e come comunica con le batterie e la rete elettrica. Soprattutto, scopriremo uno degli elementi fondamentali che vengono comunemente ignorati, ma che sono essenziali per le prestazioni e la longevità: il sistema di raffreddamento.

Che cos'è un sistema di inverter solare e come funziona?

Nella sua forma più semplice, un sistema di inverter solare deve svolgere un solo compito importante, magico e apparente: convertire l'elettricità a corrente continua (DC) in elettricità a corrente alternata (AC).

I pannelli solari producono energia in corrente continua, un flusso di energia elettrica di tipo "way". Ma la corrente alternata è quella che viene utilizzata nella rete elettrica e nella maggior parte degli apparecchi presenti nell'edificio (luci, frigorifero, macchine industriali, ecc.), è come la corrente che cambia rapidamente direzione.

Considerate l'inverter come un sofisticato traduttore ad alta velocità. Riceve il linguaggio dell'alimentazione in corrente continua utilizzato dal sistema di pannelli solari e lo converte nel linguaggio dell'alimentazione in corrente alternata che l'edificio può comprendere e utilizzare.

Il processo è il seguente:

1. I pannelli solari catturano la luce del sole e generano elettricità in corrente continua.
2. Questa corrente continua viene immessa nel sistema di inverter solari.
3. L'inverter, grazie a complessi interruttori elettronici, "sminuzza" il segnale CC e lo riassembla in un segnale CA a onda sinusoidale pura.
4. L'alimentazione in corrente alternata è quindi:
   • Inviato direttamente a casa o in azienda per alimentare gli elettrodomestici.
   • Alimentato in un sistema di batterie per l'accumulo.
   • Esportati alla rete di distribuzione pubblica, spesso a credito.

4 tipi principali di sistemi di inverter solari

L'inverter non è un prodotto unico. I tipi di inverter necessari dipendono in larga misura dalle dimensioni del progetto, dal budget e dallo scopo del progetto (ad esempio, il backup della batteria o il controllo dell'ombra del tetto).

Sistemi inverter di stringa

L'inverter di stringa è il tipo classico e più comune di inverter per progetti residenziali e commerciali di piccole dimensioni. Il sistema funziona collegando più pannelli solari in serie, la cosiddetta "stringa". L'energia CC combinata generata dall'intera stringa viene poi convogliata in un inverter centralizzato a pannello singolo per la conversione.

• Ideale per: Tetti semplici e non ombreggiati in cui tutti i pannelli sono rivolti nella stessa direzione. Sono economici, affidabili e di facile manutenzione.
• Considerazione chiave: Le prestazioni della stringa sono vendute dal pannello più performante. Quando un pannello si impunta o si sporca, la resa di tutti gli altri pannelli della stringa diminuisce.

Sistemi a microinverter

Il microinverter è uno sviluppo più recente, che decentralizza l'inversione. Non c'è un inverter centrale, ma un piccolo microinverter montato direttamente sul retro di ogni pannello. Il design implica che ogni pannello è un singolo generatore di corrente alternata.

• Ideale per: Tetti complessi con angoli multipli, abbaini o ombreggiature intermittenti (ad esempio, da alberi o camini).
• Considerazione chiave: Poiché tutti i pannelli agiscono separatamente, l'ombra proiettata da un pannello non ha alcun effetto sull'ombra di un altro pannello, massimizzando così la potenza complessiva. Possono essere monitorati anche a livello di pannello, ma sono generalmente i più costosi all'inizio.

   

Sistemi ibridi di inverter

I sistemi di inverter ibridi sono spesso definiti inverter pronti per la batteria e rappresentano la soluzione unica nell'era dell'energia contemporanea. Un inverter ibrido viene creato per funzionare come un tipico inverter di stringa (trasformando l'uscita CC in uscita CA) e come un inverter per batteria (controllando il flusso di energia in entrata e in uscita da una batteria).

• Ideale per: Proprietari di case e aziende che desiderano un accumulo di energia (una batteria solare) ora o che si prevede di aggiungere in futuro.
• Considerazione chiave: È il cervello per raggiungere l'indipendenza energetica. È in grado di controllare in modo intelligente il sistema solare, la batteria e la rete elettrica allo stesso tempo. Può inviare l'energia solare in eccesso alla batteria e poi rilasciarla per servire l'abitazione nei periodi di assenza di sole (di notte o quando salta la corrente).

Inverter centrali

Questo è il mostro dell'industria degli inverter, che si rivolge ai parchi solari commerciali e su larga scala (i grandi campi di pannelli solari che vedete). Centinaia di pannelli possono essere collegati a un unico inverter centrale, dove possono essere gestiti megawatt (MW) di potenza.

• Ideale per: Centrali solari, grandi impianti industriali e progetti solari comunitari.
• Considerazione chiave: Non si tratta di scatole piccole e di solito hanno le dimensioni di un container da trasporto. La loro densità di potenza è gigantesca e le loro prestazioni non possono essere compromesse. Il loro guasto può mettere fuori uso una parte importante di una centrale elettrica e quindi l'affidabilità dei loro componenti interni, in particolare la gestione termica, è un problema da milioni di dollari.

Ecco una semplice tabella che vi aiuterà a confrontare questi diversi tipi:

Dentro la "scatola": I componenti hardware che alimentano il sistema

Ora diamo un'occhiata sotto il cofano. Sebbene il design preciso possa cambiare, quasi tutti gli inverter attuali utilizzano tre gruppi principali di componenti hardware per funzionare.

Il modulo di conversione (IGBT/MOSFET): Il "motore

Questo costituisce il motore dell'inverter. Si tratta di un insieme di interruttori a stato solido ad alta resistenza e a risposta rapida, noti come IGBT (transistor bipolari a griglia isolata) o MOSFET (transistor a effetto di campo a semiconduttore metallico).

Questi interruttori svolgono il lavoro necessario per cambiare la corrente continua variabile in un'onda sinusoidale costante utilizzabile di corrente continua. Rispondono a variazioni continue per garantire la giusta quantità di energia in uscita e possono attivarsi migliaia di volte al secondo. Si tratta di un processo molto efficace, ma che produce un importante sottoprodotto, ovvero una grande quantità di calore di scarto.

Inseguitori del punto di massima potenza (MPPT): L'"ottimizzatore"

La tecnologia fondamentale è l'Ottimizzatore che massimizza la produzione di energia. La produzione di un pannello solare è sempre in continuo movimento, a seconda dei raggi solari, della temperatura e di altre condizioni. L'MPPT ha il compito di scansionare costantemente la corrente continua in ingresso per individuare il punto ottimale di potenza, il cosiddetto Punto di Massima Potenza, una combinazione di tensione e corrente, per estrarre il massimo assoluto di watt dai pannelli in qualsiasi momento.

Il controllore di sistema (MCU): La "CPU

È il cervello o la CPU vera e propria dell'operazione. L'unità microcontrollore (MCU) è un processore complesso che controlla tutte le altre parti. Comanda la commutazione degli IGBT, quando e come devono commutare, legge i dati degli MPPT, controlla la stabilità delle reti elettriche, controlla i sistemi di accumulo della batteria (nei sistemi ibridi) e riporta tutti i dati operativi da monitorare. Comunica inoltre con il regolatore di carica o il regolatore di carica solare per controllare le cariche della batteria e garantire la massima sicurezza e funzionalità del sistema.

Capire l'integrazione del sistema: Rete, batterie e carichi

Un sistema di inverter solare non è semplicemente un inverter. È caratterizzato dalla combinazione con i tre attori più importanti del vostro ecosistema energetico:

1. La griglia: La rete elettrica, che effettua lo scambio di elettricità solare.
2. Le batterie: I vostri sistemi di accumulo di batterie locali che garantiscono un'alimentazione costante in assenza di sole.
3. I carichi: I beni presenti nell'edificio che necessitano di energia: elettrodomestici e macchinari, e persino le tecnologie del futuro alimentate a elettricità, come i veicoli elettrici.

Un moderno inverter ibrido prende una decisione intelligente e in tempo reale che dipende dalla programmazione e dalle condizioni. A titolo di esempio, in una giornata di sole, alle 14 può generare 4 kW di energia solare per servire la casa (il carico), 3 kW per caricare la batteria ed esportare i restanti 2 kW alla rete. Alle ore 20.00 verrà quindi spento dalla batteria e utilizzato per far funzionare l'abitazione senza prestare attenzione alla rete, in modo da risparmiare denaro.

Integrazione del sistema di inverter solari con la rete elettrica

La relazione della maggior parte degli impianti fotovoltaici è la più significativa con la rete elettrica. Questa integrazione non solo definisce l'efficienza energetica, ma anche la potenza complessiva prodotta ed è regolata da determinate norme e incentivi finanziari.

Net Metering e vendita di energia in eccesso

La misurazione netta è un metodo di fatturazione che rappresenta una motivazione finanziaria per l'energia solare sulla rete, che è la motivazione principale dell'energia solare collegata alla rete. Una volta che il vostro sistema genera elettricità solare in eccesso rispetto a quella che state utilizzando, l'elettricità solare in più viene esportata alla rete e il vostro contatore si ribalta. Per questa produzione di energia si ottiene un credito, che può essere utilizzato di notte o durante le giornate nuvolose, quando si acquista energia dalla rete.

Un'illustrazione diretta del lavoro dell'inverter solare è che garantisce che il flusso di energia tra la casa e la rete di distribuzione sia efficiente.

Conformità alle normative sulle utenze negli Stati Uniti

Un sistema di inverter solari non può essere inserito nella rete. Gli inverter sono anche di natura potente e, pertanto, devono essere progettati in modo appropriato e con elevati standard di sicurezza, necessari per garantire la sicurezza degli operatori e della rete. Questo, soprattutto negli Stati Uniti, significa conformità a:

• UL 1741: Questo standard di certificazione e sicurezza degli inverter e delle apparecchiature che interagiscono con la rete.
• IEEE 1547: Standard tecnico che descrive il comportamento richiesto alle risorse energetiche distribuite (come l'inverter) quando sono collegate alla rete, compreso il cosiddetto anti-islanding, ovvero lo spegnimento automatico quando manca la corrente.

La corretta conformità è importante perché non solo contribuisce a mantenere la sicurezza della rete elettrica, ma assicura anche che l'impianto fotovoltaico sia stabile ed efficace nonostante il numero di pannelli interconnessi e il carico finale.

Perché il raffreddamento attivo è un componente fondamentale delle prestazioni

Abbiamo già parlato del grande motore (IGBT) e del cervello (MCU) dell'inverter. In una struttura così densa, tutta questa elettronica ad alte prestazioni produce un'enorme quantità di calore di scarto.

In questa sede dovremmo parlare di uno degli elementi che viene troppo facilmente ignorato, il sistema di gestione termica. La capacità di un inverter di controllare il calore ne determina le prestazioni, l'affidabilità e la durata complessiva.

Una regola generale dell'elettronica di potenza, che si basa sulla legge di Arrhenius, è che la durata di vita a lungo termine degli elementi elettrici si dimezza ogni 10 °C (18°F) di aumento della temperatura di esercizio. In questo caso, l'ottimizzazione del lavoro dell'inverter solare genera una produzione di energia stabile e la stabilità del sistema.

Raffreddamento passivo e attivo: Perché i sistemi ad alta potenza hanno bisogno di ventole

1. Raffreddamento passivo: Non c'è movimento con nessuna parte mobile. Dipende esclusivamente da enormi dissipatori di calore metallici alettati per raffreddarsi ad aria. Questo è tipico dei microinverter più piccoli e degli inverter di stringa residenziali di alcuni altri modelli. È silenzioso e ha un corpo delimitato.
2. Raffreddamento attivo: Utilizza ventole per spingere una grande quantità d'aria sui dissipatori di calore e rimuovere attivamente il calore dai componenti.

Il raffreddamento passivo può essere sufficiente per i piccoli sistemi residenziali. Tuttavia, il raffreddamento attivo non è un'opzione; è un must negli inverter ibridi ad alta potenza (in particolare quando si caricano/scaricano le batterie) e in tutti gli inverter centrali di grandi dimensioni. Le densità e i requisiti di gestione dell'energia dei moderni impianti fotovoltaici hanno reso essenziale un raffreddamento efficiente del sistema fotovoltaico per garantire prestazioni affidabili e sicure per la rete.

Il vantaggio ACDCFAN: Raffreddamento affidabile per un investimento più intelligente

Un sistema di inverter è un sistema solare di 10-15 anni. Ma il suo componente più delicato ha una vita così breve. Anche in un sistema raffreddato a forza, una ventola con cuscinetto a manicotto, economica e di bassa qualità, che si blocca a causa della polvere o si guasta a causa del cuscinetto dei cuscinetti, è il primo punto di guasto meccanico.

Per questo motivo la specifica di un soluzione di gestione termica di qualità industriale non è un'aggiunta, ma un approccio fondamentale per salvaguardare il vostro investimento. Noi di ACDCFAN siamo specializzati nella produzione di componenti di raffreddamento destinati a essere utilizzati in condizioni di estrema affidabilità con sistemi ad alta potenza.

• Progettato per durare a lungo: I ventilatori standard sono una delle principali aree di debolezza. Le nostre soluzioni impiegano cuscinetti a sfera ad alta tecnologia per rendere la soluzione MTBF (tempo medio tra i guasti) di oltre 70.000 ore. Si tratta di quasi 8 anni di utilizzo 24 ore su 24, 7 giorni su 7, il che garantisce che la ventola durerà quanto l'inverter stesso.
• Prestazioni intelligenti e istantanee: PWM (modulazione di larghezza di impulso) Il controllo intelligente è supportato dai nostri ventilatori. Sono direttamente collegate alla MCU (la CPU di cui abbiamo parlato) dell'inverter per fornire una reazione termica intelligente e su richiesta. Il loro funzionamento è silenzioso e consuma poca energia al minimo, mentre aumentano alla massima potenza per salvaguardare le parti quando la produzione è al massimo o durante la ricarica delle batterie.
• Ambienti del mondo reale: Resilienza Gli inverter centrali di grandi dimensioni non funzionano in ambienti puliti e climatizzati. Si trovano in zone desertiche, in alta montagna o in regioni costiere dove c'è molta umidità. Il nostro Grado di protezione IP68 Le ventole sono completamente sigillate per evitare l'ingresso di polvere e acqua e offrono quindi prestazioni di raffreddamento ottimali e una lunga durata anche in condizioni estreme.

La gestione termica è il fattore più importante per gli ingegneri di sistema e i responsabili degli acquisti che sviluppano la prossima generazione di inverter. I nostri prodotti sono completamente RoHS 2.0 e certificazione UL, CE e TUVe questo rende molto semplice la progettazione e la conformità dei nostri prodotti. Siamo persino in grado di assistere i team di ricerca e sviluppo con una proposta iniziale di layout termico entro 12 ore.

Principali parametri di prestazione degli inverter solari: Cosa significano l'efficienza e le valutazioni?

Confrontando i sistemi di inverter, ci si perde nelle specifiche tecniche. Queste sono le due più importanti a cui prestare attenzione.

Come scegliere il giusto sistema di inverter solari

La scelta più cruciale, che fa la differenza nel rendimento a lungo termine del vostro progetto, è quella del sistema di inverter solari. È necessario iniziare a determinare la scala di cui si dispone, perché determina ciò che si può fare.

• In progetti residenzialiSono tre i tipi di inverter tra cui scegliere. Un inverter di stringa è la scelta migliore quando si tratta di tetti semplici e non ombreggiati. In presenza di angoli più complicati o di ombreggiature sul tetto, i microinverter saranno in grado di estrarre la massima quantità di energia, a fronte di una spesa maggiore. Un inverter ibrido è la soluzione unica nel caso in cui si voglia essere indipendenti dal punto di vista energetico, anche con una batteria di backup.
• Nel caso di Commerciale (C&I) e di pubblica utilitàla scelta passa a grandi inverter di stringa trifase o a grandi inverter centrali. In questo caso, l'attenzione non è rivolta al primo costo ma al costo totale di proprietà (TCO). In questi sistemi ad alta potenza, l'affidabilità è il fattore più importante. Esaminare il grado di efficienza CEC dell'inverter, il suo grado di protezione IP per proteggere l'ambiente e il suo sistema di gestione termica. È stato sviluppato un potente meccanismo di raffreddamento attivo, in grado di sostenere anni di condizioni di carico elevato, in modo da non compromettere l'investimento a lungo termine.

Qual è l'efficienza CEC (non di picco) del vostro fornitore? Due domande da porre prima dell'acquisto sono: "Qual è la garanzia e, in condizioni di carico di picco, la durata prevista dei componenti?

Conclusione

Il sistema di inverter solari non è una semplice scatola di conversione, ma è il cervello vivo e vegeto dell'intero piano energetico. Determina il livello di energia che si estrae, il modo in cui si utilizza tale energia e la longevità degli inverter solari nei prossimi 20 anni.

Siete un proprietario di casa che ha scelto un microinverter o un'azienda che ha installato un sistema ibrido con banchi di batterie, oppure siete un ingegnere che ha deciso di progettare un impianto fotovoltaico da megawatt. Ora sapete che le prestazioni del sistema sono tanto forti quanto lo sono i suoi componenti principali.

Tutte le parti devono essere ben sincronizzate tra loro, a partire dal complicato "motore" degli IGBT fino al "cervello" della MCU. E il cosiddetto eroe non celebrato è il sistema di gestione termica che li protegge tutti. Il miglior investimento che possiate fare per un futuro di energia pulita solido e redditizio è scegliere un sistema con componenti di alta qualità e di lunga durata, fino ai cuscinetti a sfera delle ventole di raffreddamento.