Il ritorno dei micro (inverter)

ENERGIE RINNOVABILI –

Equipaggiando ogni singolo modulo con un microinverter, si beneficia di un Mppt ottimale in base alle condizioni di insolazione e ambientali, minimizzando le perdite d’efficienza in presenza di condizioni sfavorevoli, ma anche dimensionando l’impianto.

Individuare i materiali con la massima efficienza di conversione e produrre pannelli affidabili, più efficienti e meno costosi sono sicuramente due fattori importanti nel rendere la generazione di energia da fonte solare più competitiva. Ma sono solo un aspetto del quadro complessivo, cioè del raggiungimento dell'equilibrio del sistema: vari altri componenti, tra cui inverter, convertitori e tutto il materiale relativo, nonché il costo della manodopera per l'installazione, possono rappresentare una percentuale non trascurabile del costo complessivo di un impianto e dare un contributo altrettanto importante al valore reale e percepito. Produttori e installatori sanno fin troppo bene che anche questi elementi devono essere resi più semplici, più intelligenti, più integrati, più efficienti e più affidabili: ebbene, alcuni dei recenti progressi tecnologici più significativi sono apparsi proprio in tema di inverter, con diverse aziende che hanno proposto microinverter, cioè soluzioni di conversione in corrente continua (CC) a corrente alternata (CA) a livello del singolo modulo, in alternativa alle classiche soluzioni con inverter centralizzati, a livello di impianto o almeno di stringa. Utilizzando i microinverter, ogni singolo pannello ha in uscita direttamente la tensione alternata a 220 V, mentre la potenza è dimensionata in base a quella tipica del pannello stesso; il principale vantaggio è quello di ottimizzare la resa del singolo pannello, con un sistema di Mppt dedicato, evitando che una riduzione di resa di un modulo vada a penalizzare un'intera stringa (caso tipico quello di ombreggiamento parziale, oppure accumuli di sporcizia o variazione nel tempo delle differenze di rendimento tra i moduli). Ulteriore vantaggio è la semplicità di progettazione (eliminando la rete in tensione continua) e di installazione. Inoltre, la pluralità delle unità, che è sicuramente un problema in termini di costi, è però un vantaggio in termini di gestione dell'impianto in caso di guasti, sia per l'individuazione che per la riparazione. Infine, poiché i microinverter non sono solo degli inverter di piccola potenza, offrono anche opportunità di maggiore controllo e di maggiore sicurezza (interruzione totale della corrente in caso di necessità, ad esempio per un intervento in caso di incendio).

Microinverter per la generazione energetica
L'approccio microinverter per la generazione energetica non è per nulla una novità: Uno dei pionieri di questo tipo di dispositivo, Ascension Technology, iniziò a sviluppare moduli CA nel 1991 negli Stati Uniti e realizzò il primo prototipo nel 1994, per poi proseguire con la produzione commerciale nel 1997. Nel frattempo la tedesca ZSW aveva realizzato un prototipo analogo nel 1992, e l'olandese OKE Services aveva proposto un microinverter ad altra frequenza nel 1995. Sul mercato vennero lanciati i microinverter Trace Microsine, i modelli OK4 di NKF Kabel ei prodotti di Evergreen Solar fino al 2000. L'entusiasmo però si esaurì rapidamente: Ascension venne ceduta ad Applied Power che decise di interrompere la produzione dei moduli nel 2001 mentre NFK interruppe la produzione nel 2003. Ragioni di costo e di affidabilità avevano impedito l'affermarsi della tecnologia. Il fatto che si stia tornando a parlare di queste soluzioni, e che sul mercato siano comparse di recente varie proposte, dipende essenzialmente dai progressi della ricerca nella componentistica elettronica, che hanno reso possibile proporre microinverter stavolta veramente concorrenziali.

La soluzione Enphase
Enphase è il produttore arrivato per primo sul mercato (ma in Europa da pochissimo e in Italia ancora da meno) con una proposta che comprende un microinverter collegato a ciascun modulo solare, che converte corrente continua in corrente alternata, un gateway di comunicazione Envoy collegato in rete con ciascun microinverter, che trasmette informazioni sulle prestazioni via Internet e un sito Web (Enlighten), con il quale i clienti Enphase possono monitorare e gestire i loro sistemi fotovoltaici 24 ore su 24. La tecnologia dei microinverter è concentrata in un singolo chip full custom (ma la prossima generazione passerà a tre chip) che fornisce sia la conversione che le funzioni di monitoraggio e di networking. L'ultimo arrivato in ordine di tempo è invece Enecsys che però propone un approccio innovativo sviluppato dall’università di Cambridge basato su una topologia che elimina le componenti meno affidabili e più soggette a guasti tipiche degli altri micro inverter, in particolare i condensatori elettrolitici e gli optoisolatori. I condensatori elettrolitici sono stati sostituiti dai ben più affidabili condensatori a film plastico. Grazie all’eliminazione delle componenti dalla durata più breve, i microinverter Enecsys godono di una durata di oltre 25 anni, analoga a quella dei moduli solari, e sono provvisti di una garanzia di 20 anni. Il sistema di monitoraggio Enecsys integra un sistema senza fili ZigBee nei microinverter e si connette a internet tramite il gateway Enecsys. I dati delle prestazioni dei singoli moduli solari, tra cui i dati di produzione energetica attuale e storica, sono accessibili dalla sede dell’installazione e da qualsiasi altro luogo in cui sia possibile connettersi a internet.

Microinverter innovativi
Oltre a Enecsys e a Enphase sono sul mercato i prodotti di Petra Solar (moduli CA SunWave) i cui prodotti verranno presto integrati anche nei moduli BP Solar, e poi Involar (cinesi, ma già approvati Enel e disponibili sul mercato italiano), e molti altri, tra cui Green Ray, Exeltech, SolarBridge, Solaredge, Power One. Quest'ultima ha recentemente proposto l'inverter Aurora Micro proposto in abbinamento all'ottimizzatore Opti-0.3 per la massimizzazione dell’energia in uscita. Il micro-inverter Aurora presenta un tasso di efficienza superiore al 95,5 %, una robusta custodia per esterni e isolamento HF; ciò consente di adattarlo a ogni applicazione che richieda la messa a terra di almeno una delle terminazioni d'ingresso. Il microinverter è privo di elettrolitici, al fine di aumentarne ulteriormente la vita utile e l'affidabilità a lungo termine. Il prodotto può essere facilmente installato grazie alla presenza di un hub di comunicazione wireless proprietario e all'interfaccia di rete inclusa. È possibile collegare fino a dieci microinverter a stringa. Interessante anche il recente annuncio di Direct Grid Technologies, che ha realizzato un famiglia di microinverter in grado di far lavorare insieme moduli di silicio monocristallino e policristallino. L'inverter DGM-S250 ha un potenza di 250 W, mentre il DGM-S460 arriva a 460 W; entrambi sono basati su un'architettura Mpsfet planare che garantisce anche una buona risposta termica (a ulteriore beneficio dell'efficienza).

Gli ottimizzatori
Parlando di ottimizzatori si arriva all'altra tipologia di prodotti pensati per contribuire allo sviluppo della conversione distribuita come alternativa alla classica configurazione a inverter centralizzato. In questo caso i dispositivi sono finalizzati o alla conversione CC-CC o alla realizzazione di una soluzione Mppt per singolo modulo, allo scopo di ottimizzare l'efficienza. I produttori più noti sono SolarEdge, Tigo Energy (Tigo Energy Maximizer per la conversione cc-cc, e l'ottimizzazione Mppt per singolo modulo), National Semiconductor (SolarMagic SM3320, un chipset per la gestione della potenza con monitoraggio e ottimizzazione dell’accumulo di energia), Xandex (SunMizer, ottimizzatore di energia cc-cc basato sulla tecnologia Optimum I-V assimilabile alla funzione di un diodo di bypass ottimizzato) e con un recentissimo annuncio anche STMicroelectronics. Il nuovo chip SPV1020 di ST permette di applicare individualmente a ogni singolo pannello la funzione di regolazione Dmppt (Distributed Mppt), con un chip singolo che integra anche il convertitore CC/CC per innalzare il livello della tensione CC del pannello portandolo a un valore da cui è possibile produrre una potenza CA di qualità adeguata alle esigenze della rete. Il chip è basato sulla tecnologia di processo multi-potenza BCD8 da 0,18 µm che permette di minimizzare le dimensioni e il numero dei componenti passivi esterni.

Diversità di approcci
Riuscirà questa nuova generazione di dispositivi a guadagnarsi spazio sufficiente per sopravvivere e svilupparsi? I pareri sono ancora contrastanti: dato per scontato che efficienza e affidabilità hanno raggiunto quelle dei grandi inverter, con tanto di garanzie, il problema può ancora essere quello dei costi che al momento rimangono del 30-50% superiori, e che sono forse giustificabili da ragionamenti di medio lungo periodo, ma che indubbiamente rendono difficile l'accettazione del grande pubblico. Probabilmente ad adottare l'approccio micro saranno gli impianti di taglia piccola o media (sostanzialmente gli impianti residenziali) mentre gli impianti fotovoltaici di grandi dimensioni continueranno a seguire l'approccio più tradizionale.

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