太陽光発電用インバーター

従来の交流電力は、一定期間にわたって繰り返される正弦波電圧パターンです。つまり、1サイクル中に電圧がゼロになるのは2回です。ヨーロッパのシステムでは、プラグの電圧は最大230Vで 、1秒間に50回サイクルします。これは、1秒間に電圧がゼロになる時間が100回あることを意味します。一方、北米由来のシステムは120V  60Hzで 、1秒間に120回ゼロ電圧になります。

安価なインバーターは、直流電源を交流電源に変換する際、直流側を1秒間に120回オンオフし、2サイクルごとに電圧を反転させるだけで済みます。その結果得られる方形波は、多くの機器にとって交流電源に十分近いものです。しかし、この種のソリューションは、太陽光発電の場合には適していません。太陽光発電の目的は、太陽光発電から得られる電力をできるだけ多く交流に変換することだからです。このような安価なインバーターを使用すると、直流側がオフになっている間に生成された電力はすべて失われてしまい、これは各サイクルのかなりの部分を占めます。

この問題を解決するため、太陽光発電用インバーターは、ゼロクロス期間中にパネルの電力をバッファリングする何らかのエネルギー貯蔵装置を使用します。交流電圧が貯蔵装置の電圧を超えると、その瞬間にパネルで発生しているエネルギーとともに、超過分が出力に放出されます。このようにして、サイクル全体を通してパネルで生成されたエネルギーが最終的に出力に送られます。

このアプローチの問題点は、一般的な最新のソーラーパネルに接続した場合に必要となるエネルギー貯蔵量を経済的に実現するには、電解コンデンサを使用するしかないという点です。電解コンデンサは比較的安価ですが、劣化の仕方が明確で、寿命は10年程度です。そのため、マイクロインバータが本当に良いアイデアなのかどうか、業界では大きな議論が巻き起こっています。なぜなら、これらのコンデンサが寿命を迎えて故障し始めると、交換には屋根の上にあるパネルを取り外す必要があるからです。

家庭用の通常の電流は2本の電線で流れますが、電力網の送電側では3本の電線と3つの相が使用されます。どの瞬間においても、これら3つの相の合計は常に正（または負）の値をとります。そのため、三相システム内の個々の電線は家庭用電流と全く同じようにゼロクロス現象を起こしますが、システム全体としてはゼロクロス現象は起こらず、最大値とそれよりわずかに低い値の間で変動するだけです。

三相電源専用に設計されたマイクロインバータは、任意の瞬間において自身の動作電圧に最も近い電線を選択するだけで、必要な蓄電量を大幅に削減できます。シンプルなシステムでは、最大電圧に最も近い電線を選択し、その電圧が最大値に近づき始めたら次の電線に切り替えるだけで済みます。この場合、システムはサイクル全体のピークから最小値までのエネルギー量だけを蓄電すればよく、これは電圧差と時間の両方において非常に小さくなります。

タイマーのみで切り替えるのではなく、任意の瞬間にそのワイヤの直流電圧に最も近いワイヤを選択することで、この効率をさらに向上させることができます。任意の瞬間において、3本のワイヤのうち2本は正（または負）の電圧を持ち、直流側に近いワイヤを使用することで、変換ハードウェアのわずかな効率向上を活用できます。

エネルギー貯蔵要件の削減、あるいは完全排除によって、装置が簡素化され、寿命を左右すると考えられていた唯一の部品が不要になります。10年ではなく、パネルの寿命と同じ期間使用できる三相マイクロインバータを構築することが可能になります。このような装置は、各インバータを3つのラインすべてに接続する必要があるため、配線が増える可能性があるものの、コストと複雑さは軽減されます。

三相インバータ方式の主な欠点は、三相電源が利用可能な施設でしかこのシステムを利用できない点です。三相電源は大規模発電所や商業施設では容易に利用できるため、このシステムはこれらの市場をターゲットに開発されました。一方、マイクロインバータ方式の主な利点は、日陰やパネルの向きといった問題への対応であり、大規模システムの場合はパネルの位置を移動させるだけで簡単に解決できます。住宅用システムの場合、設置スペースが限られるため、三相マイクロインバータの利点は非常に限定的です。

2014年時点では、三相マイクロインバーターは、その利点が価格に見合うだけの水準に達していないと、専門家は考えていた。さらに、三相マイクロインバーターの配線コストは高くなると予想されていた。

ネイティブな三相インバータと、三相出力用に配線された3つの単相マイクロインバータを比較することが重要です。後者はほとんどのインバータ設計で比較的よく見られる機能で、3つの同一のインバータをそれぞれ2本のワイヤを介して三相回路に接続することができます。結果として三相電力が得られますが、システム内の各インバータは単相を出力します。このようなソリューションでは、前述のエネルギー貯蔵ニーズの削減という利点を活かすことができません。

太陽光パネルは、モジュールの設計と照明条件に応じて電圧の直流電流を生成します。6インチセルを使用する最新のモジュールは通常60個のセルを含み、公称24～30Vを生成します。 ^{[ 17 ]}（インバータは24～50Vに対応しています）。

交流に変換する場合、パネルを直列に接続して、実質的に単一の大型パネルとなるアレイを形成することができ、その定格電圧は300～600VDCである。^{[ a ]}電力はインバータに送られ、そこで標準的な交流電圧（通常は230 VAC / 50  Hzまたは240 VAC / 60  Hz）に変換されます。^{[ 18 ]}

ストリングインバータ方式の主な問題点は、パネルのストリングが、ストリング内で最も性能の低いパネルの最大電流定格に相当する単一の大きなパネルであるかのように動作することです。たとえば、ストリング内の1つのパネルの抵抗が製造上の軽微な欠陥により5%高い場合、ストリング全体の性能が5%低下します。この状況は動的です。パネルが日陰になると、他のパネルが日陰になっていなくても、その出力は劇的に低下し、ストリングの出力に影響します。わずかな向きの変化でも、このように出力低下を引き起こす可能性があります。業界では、これは「クリスマスライト効果」として知られており、直列接続されたクリスマスツリーのライトのストリング全体が、電球1個が故障すると機能しなくなる様子を指しています。^{[ 19 ]}ただし、この効果は完全に正確ではなく、最新のストリングインバータの最大電力点追従とモジュールバイパスダイオード間の複雑な相互作用を無視しています。主要なマイクロインバータおよびDCオプティマイザ企業による日陰に関する研究では、軽度、中度、重度の日陰条件下で、旧型のストリングインバータと比較して年間わずか2%、5%、8%の増加が示されています^{[ 20 ]。}

さらに、パネルの出力効率は、インバータがパネルにかける負荷に大きく影響されます。発電量を最大化するために、インバータは最大電力点追従（ MPPT）と呼ばれる技術を使用して、印加される負荷を調整することで最適なエネルギー収穫を確保します。しかし、パネルごとに出力が変動する原因となるのと同じ問題が、MPPTシステムが適用すべき適切な負荷にも影響します。1枚のパネルが異なる点で動作している場合、ストリングインバータは全体の変化しか認識できず、それに合わせてMPPTポイントを移動します。その結果、影になったパネルだけでなく、他のパネルからも損失が発生します。アレイの表面のわずか9%が影になるだけでも、状況によってはシステム全体の電力が最大54%減少する可能性があります。^{[ 21 ] [ 22 ]}ただし、前述のように、これらの年間発電量の損失は比較的小さく、新しい技術では、一部のストリングインバータで部分的な影の影響を大幅に軽減できます。^{[ 23 ]}

もう一つ、些細な問題ではありますが、ストリングインバーターは出力定格の選択肢が限られているという点があります。つまり、通常、特定のアレイでは、パネルアレイの定格よりも一回り大きいインバーターを選択することになります。例えば、2300Wの10枚のパネルで構成されるアレイでは、 2500Wまたは3000Wのインバーターを使用する必要があり 、使用できない変換能力に対して料金を支払うことになります。この問題は、資金に余裕ができた際に出力を追加していくなど、時間の経過とともにアレイのサイズを変更することを困難にしています（モジュール性）。顧客が当初2300Wのパネル 用に2500Wのインバーターを購入した場合 、インバーターを過負荷にすることなくパネルを1枚追加することさえできません。しかし、このような過剰設計は、モジュールの劣化、冬季の性能向上、または電力会社への売電価格の上昇に対応するため、今日の業界では一般的な慣行とされています（インバーターの銘板定格よりも最大20%も大きい場合もあります）。

集中型インバータに関連するその他の課題としては、設置に必要なスペースや放熱要件などが挙げられます。大型の集中型インバータは通常、能動冷却方式を採用しています。冷却ファンは騒音を発するため、オフィスや人が居住するエリアとの位置関係を考慮する必要があります。また、冷却ファンには可動部品があるため、汚れ、ほこり、湿気などが時間の経過とともに性能に悪影響を与える可能性があります。ストリング型インバータは静音性に優れていますが、インバータの出力が低い午後遅くには、かすかな唸り音が発生する場合があります。

マイクロインバーターは、1枚のパネルまたは2枚のパネルの出力を処理できる小型インバーターです。系統連系型パネルの定格出力は通常225～275Wですが、実際にはこの出力に達することは稀であるため、マイクロインバーターの定格出力は通常190～220W  （場合によっては100W）となっています。この低電力点で動作するため、大型設計に内在する多くの設計上の問題が解消されます。大型トランスの必要性は一般的になくなり、大型電解コンデンサはより信頼性の高い薄膜コンデンサに置き換えることができ、冷却負荷が軽減されるためファンは不要になります。平均故障間隔 (MTBF) は数百年単位で示されます。^{[ 24 ]}

1枚のパネルに取り付けられたマイクロインバーターは、そのパネルの出力を分離して調整することができます。性能の低いパネルがあっても、周囲のパネルには影響しません。この場合、アレイ全体としては、ストリングインバーターを使用した場合よりも最大5%多くの電力を生成します。影の影響が考慮されている場合、これらの利得は相当なものになり、メーカーは一般的に最低でも5%、場合によっては最大25%の出力向上を主張しています。^{[ 24 ]}さらに、1つのモデルでさまざまなパネルを使用でき、新しいパネルはいつでもアレイに追加でき、既存のパネルと同じ定格である必要はありません。

マイクロインバータは、各ソーラーパネルの背面でグリッドマッチングされた交流電力を直接生成します。マイクロインバータを搭載したパネルアレイの交流出力は互いに並列に接続され、その後グリッドに接続されます。これにより、1つのパネルまたはインバータの故障によってストリング全体が停止することはないという大きな利点があります。電力と熱負荷が低く、MTBFが向上していることと相まって、マイクロインバータベースのシステムの全体的なアレイの信頼性は、ストリングインバータベースのシステムよりも大幅に高いと示唆する人もいます。^{[ 25 ]}この主張は、ストリングインバータで一般的な5年または10年の保証と比較して、通常15年から25年の長い保証によって裏付けられています。さらに、故障が発生した場合、ストリング全体ではなく、単一のポイントで特定できます。これにより、故障の分離が容易になるだけでなく、そうでなければ目立たない可能性のある小さな問題も明らかになります。1つの性能の低いパネルは、長いストリングの出力に気づかれるほど影響を与えない可能性があります。

マイクロインバーターの概念の主な欠点は、最近までコストでした。各マイクロインバーターはストリングインバーターの複雑さの多くを複製する必要がありますが、それをより小さな電力定格に分散させるため、ワットあたりのコストが高くなります。これは、個々のコンポーネントの簡素化という利点を相殺します。2018 年 2 月現在、中央インバーターのコストは約 $0.13/ワットであるのに対し、マイクロインバーターのコストは約 $0.34/ワットです。^{[ 26 ]}ストリングインバーターと同様に、経済的な考慮事項により、メーカーは生産するモデルの数を制限せざるを得ません。ほとんどのメーカーは、特定のパネルと組み合わせるとサイズが大きすぎたり小さすぎたりする可能性のある単一のモデルを生産しています。

多くの場合、パッケージングは​​価格に大きな影響を与えます。中央集中型インバーターの場合、数十枚のパネルに対してパネル接続部は1セット、AC出力は1つ、ボックスも1つだけで済みます。一方、約15枚以上のパネルを使用するマイクロインバーター設置では、屋根に取り付けるコンバイナーブレーカーボックスが必要になる場合もあります。これにより、ワットあたりの価格が上昇する可能性があります。

コストをさらに削減するために、一部のモデルではインバータから 2 つまたは 3 つのパネルを制御し、パッケージングと関連コストを削減しています。一部のシステムでは、2 つのマイクロインバータ全体を 1 つのボックスに配置していますが、他のシステムでは、システムの MPPT セクションのみを複製し、単一の DC-AC ステージを使用してさらにコストを削減しています。このアプローチにより、マイクロインバータのコストがストリングインバータを使用するものと同等になると示唆する人もいます。^{[ 27 ]}着実に価格が下がり、デュアルマイクロインバータが導入され、PV モジュールの出力により近いモデル選択の幅広い^{[ 28 ]}が登場したことで、コストは障害ではなくなりました。

マイクロインバータは、アレイのサイズが小さく、各パネルの性能を最大化することが重要な場合に普及しています。このような場合、パネルの数が少ないため、ワットあたりの価格差は最小限に抑えられ、システム全体のコストへの影響はほとんどありません。固定サイズのアレイの場合、エネルギー収穫量の向上により、このコスト差を相殺することができます。このため、マイクロインバータは、パネルの設置スペースが限られているためアレイのサイズが制限され、近くの木やその他の物体による日陰が問題となることが多い住宅市場で最も成功しています。マイクロインバータメーカーは、1枚のパネルという小規模なものから、50枚未満が大半を占めるものまで、多くの設置例を挙げています。^{[ 29 ]}

マイクロインバーターの見落とされがちな欠点の一つは、将来的な運用・保守コストです。技術は年々向上していますが、いずれは故障したり摩耗したりするという事実は変わりません。設置業者は、交換費用（トラック1台あたり約400ドル）、作業員、機器、モジュールラックに対する安全リスクの増加、そして設置による利益率とのバランスを取らなければなりません。住宅所有者にとっては、機器の摩耗や早期故障によって、屋根瓦や屋根材の損傷、物的損害、その他の迷惑が生じる可能性があります。

マイクロインバーターは一般的にストリングインバーターよりも効率が低いものの、各インバーターユニットが独立して動作するため、全体の効率は向上します。ストリング構成では、ストリング上のパネルのいずれかが日陰になると、ストリング全体の出力は最も出力の低いパネルの出力に低下します。マイクロインバーターではこのようなことは起こりません。

もう一つの利点は、パネルの出力品質にあります。同じ製造ロットのパネルでも、定格出力は10%以上も異なる場合があります。マイクロインバータ構成ではこのばらつきは軽減されますが、ストリング構成では軽減されません。その結果、マイクロインバータアレイから最大限の電力を収穫することが可能になります。

マイクロインバーターを備えたシステムは、電力需要が時間とともに増減した場合でも、容易に変更できます。各ソーラーパネルとマイクロインバーターはそれぞれ独立した小さなシステムであるため、ある程度独立して動作します。つまり、住宅や建物の電力系統の定格容量を超えない限り、パネルを1枚または複数枚追加するだけで、より多くのエネルギーを供給できます。一方、ストリング型インバーターの場合、インバーターのサイズはパネルの枚数または最大電力に合わせて決定する必要があります。将来の拡張を見越して大きめのストリング型インバーターを選択することも可能ですが、不確実な将来に備えてこのような対策を講じると、いずれにしてもコストが増加します。

マイクロインバーターの多くのメーカーが、ユニットの出力電力を監視するためのアプリやウェブサイトを提供しているため、監視とメンテナンスも容易になっています。多くの場合、これらは独自仕様ですが、必ずしもそうとは限りません。Enecsysの倒産とそれに続くサイト閉鎖後、Enecsys-Monitoring ^{[ 30 ]}などの多くのプライベートサイトが出現し、所有者がシステムの監視を継続できるようになりました。

直流電力を交流電力に効率的に変換するには、インバータが電力系統の交流電圧がほぼゼロのときにパネルからエネルギーを蓄積し、電圧が上昇したときに再び放出する必要があります。そのためには、小型パッケージに相当量のエネルギーを蓄える必要があります。必要な蓄電量に対して最も低コストな選択肢は電解コンデンサですが、その寿命は比較的短く、通常は数年単位であり、屋上ソーラーパネルのように高温で動作するとさらに短くなります。このため、マイクロインバータの開発者は、蓄電要件を低減したさまざまな変換トポロジーを開発するために多大な努力を払ってきました。中には、性能は劣るものの寿命がはるかに長い薄膜コンデンサを可能な限り使用するものもあります。

三相電力は、この問題に対する別の解決策となる。三相回路では、電力は 2つの線間で（例えば）+120Vから-120Vの間で変化するのではなく、60Vから+120Vまたは-60Vから-120Vの間で変化し、変化の周期ははるかに短い。三相システムで動作するように設計されたインバータは、はるかに少ない蓄電容量を必要とする。^{[ 31 ] [ 32 ]}ゼロ電圧スイッチングを使用する三相マイクロインバータは、より高い回路密度とより低いコストの部品を提供すると同時に、変換効率を98%以上に向上させることができ、これは一般的な単相のピークである約96%よりも優れている。^{[ 33 ]}

しかしながら、三相システムは一般的に産業用および商業用環境でのみ見られます。これらの市場では通常、価格感度が最も高い大規模なシステムが設置されます。理論上の利点にもかかわらず、三相マイクロシステムの普及率は非常に低いようです。

1991年、米国企業のAscension Technologyは、ACパネルを形成するためにパネルに取り付けることを目的として、従来のインバーターを小型化したバージョンの開発に着手した。この設計は、効率があまり良くなく、かなりの熱を放散する従来の線形レギュレータに基づいていた。1994年、同社はサンディア研究所に試験用のサンプルを送った。 ^{[ 34 ]} 1997年、Ascensionは米国のパネル会社ASE Americasと提携し、300WのSunSineパネルを発表した 。^{[ 35 ]}

今日真のマイクロインバータとして認識されるものの設計の歴史は、1980年代後半にISET（Institut für Solare Energieversorgungstechnik、現在のフラウンホーファー風力エネルギー・エネルギーシステム技術研究所）のヴェルナー・クラインカウフが行った研究に遡ります。これらの設計は、はるかに効率的な最新の高周波スイッチング電源技術に基づいています。彼の「モジュール統合コンバータ」に関する研究は、特にヨーロッパで大きな影響力がありました。^{[ 36 ]}

1993年、MastervoltはShell Solar、Ecofys、ECNの共同開発に基づき、初のグリッド接続インバータであるSunmaster 130Sを発表しました。130はパネルの背面に直接取り付けるように設計されており、圧縮継手でACとDCの両方のラインを接続します。2000年には、130はSoladin 120に置き換えられました。これはACアダプターの形をしたマイクロインバータで、壁のコンセントに差し込むだけでパネルを接続できます。^{[ 37 ]}

1995年、OKE-Servicesは効率を向上させた新しい高周波バージョンを設計し、NKF Kabelによって1995年にOK4-100として市販され、米国での販売用にTrace Microsineとしてブランド名が変更されました。^{[ 38 ]}新しいバージョンであるOK4Allは、効率が向上し、動作範囲が広くなりました。^{[ 39 ]}

この有望なスタートにもかかわらず、2003 年までにこれらのプロジェクトのほとんどは終了しました。Ascension Technology は大手インテグレーターである Applied Power Corporation に買収されました。APC は2002 年にSchottに買収され、SunSine の生産は Schott の既存の設計を優先して中止されました。^{[ 40 ]} NKF は、補助金プログラムが終了した 2003 年に OK4 シリーズの生産を終了しました。^{[ 41 ]} Mastervolt ^{[ 42 ]}は、最大 600 W のパネルをサポートするように設計されたシステムに 120 の使いやすさを組み合わせた「ミニインバーター」のラインに移行しました。^{[ 43 ]}

2001年の通信業界の大暴落後、 Cerent CorporationのMartin Fornageは新しいプロジェクトを探していた。自分の牧場の太陽光発電アレイのストリングインバータの性能が低いことに気づいたとき、彼は探していたプロジェクトを見つけた。2006年、彼はCerentの別のエンジニアであるRaghu Belurと共にEnphase Energyを設立し、次の1年間をかけて通信設計の専門知識をインバータの問題に応用した。^{[ 44 ]}

2008年に発売されたEnphase M175モデルは、商業的に成功した最初のマイクロインバーターでした。後継機種のM190は2009年に、最新モデルのM215は2011年に発売されました。1億ドルのプライベートエクイティの支援を受けて、Enphaseは2010年半ばまでに市場シェア13%に急成長し、年末までに20%を目指しました。^{[ 44 ]} 2011年初頭に50万台目のインバーターを出荷し、^{[ 45 ]}同年9月には100万台目を出荷しました。^{[ 46 ]} 2011年初頭、同社は新設計のブランド変更版をシーメンスが電気工事業者に直接販売し、広く流通させることを発表しました。^{[ 47 ]}

Enphaseは、マイクロインバーター技術の販売に関してEnergyAustraliaと契約を締結した。 ^{[ 48 ]}