L’inverter fotovoltaico è l’elemento che permette a qualsiasi impianto di funzionare, trasformando l’energia continua [DC] prodotta dai pannelli solari in energia alternata [AC] pronta per l’immissione nella rete elettrica in Media Tensione [MT].

Spesso definito il cuore pulsante del sistema, l’inverter è un componente always on, ossia sempre in funzione.

Un inverter fotovoltaico non si limita solo alla conversione dell’energia; è un dispositivo intelligente che monitora e ottimizza costantemente le prestazioni dell’impianto, garantendo efficienza, sicurezza e massimizzazione della produzione energetica, che si tratti di un piccolo impianto domestico o di un vasto parco solare industriale.

Il concetto di FASE

In un sistema elettrico, una “fase” si riferisce a un filo conduttore che trasporta corrente alternata [AC]. La corrente alternata cambia direzione periodicamente e la tensione varia nel tempo seguendo una forma d’onda sinusoidale. Ogni fase rappresenta una sinusoide di tensione e corrente.

Una sinusoide è una curva matematica che descrive un’onda continua e periodica. Nel contesto della corrente alternata [AC], una sinusoide rappresenta come la tensione o la corrente varia nel tempo. La forma d’onda sinusoidale è caratterizzata da un andamento armonico che passa per zero e raggiunge valori massimi e minimi positivi e negativi.

In ogni istante di tempo, le tre onde sinusoidali sono in diverse fasi del loro ciclo.

La sinusoide della fase 1 inizia da zero e raggiunge il suo picco positivo a 90 gradi, il picco negativo a 270 gradi, completando un ciclo a 360 gradi.

La sinusoide della fase 2 è sfasata di 120 gradi rispetto alla fase 1, iniziando a -120 gradi, raggiungendo il picco positivo a -30 gradi e il picco negativo a 150 gradi.

La sinusoide della fase 3 è sfasata di 120 gradi rispetto alla fase 2, iniziando a -240 gradi [o 120 gradi in anticipo sulla fase 1], con il picco positivo a -150 gradi e il picco negativo a 30 gradi.

Lo sfasamento di 120 gradi crea un sistema in cui, in ogni istante, la somma delle tensioni delle tre fasi è zero, assicurando un flusso di potenza costante e stabile.

Gli inverter fotovoltaici si dividono in due tipologie principali: monofase e trifase.

Inverter monofase

• Unico ciclo sinusoidale: la corrente alternata varia seguendo un solo ciclo sinusoidale.
• Tensione: tipicamente 230V.
• Due fili: un filo è il conduttore della fase [linea], e l’altro è il neutro. Talvolta c’è anche un terzo filo di terra per la sicurezza.

Inverter trifase

• Tre cicli sinusoidali: La corrente alternata varia seguendo tre cicli sinusoidali sfasati di 120°.
• Tensione: tipicamente 400V tra le fasi.
• Quattro fili: tre fili di fase [linea] e un neutro. Talvolta c’è anche un filo di terra per la sicurezza.

Il sistema elettrico trifase è uno dei più utilizzati al mondo per la distribuzione di energia elettrica, soprattutto nelle applicazioni industriali e commerciali. Questo sistema offre numerosi vantaggi in termini di efficienza, stabilità e capacità di gestire carichi elevati.

Caratteristiche delle sinusoidi trifase

• Ampiezza [A]
  Valore massimo [positivo o negativo] della tensione o corrente.
• Periodo [T]
  Tempo necessario per completare un ciclo completo.
• Frequenza [f]
  Numero di cicli completati in un secondo, misurata in Hz. In Europa, la frequenza standard è 50 Hz.
• Sfasamento
  Ciascuna sinusoide è sfasata di 120 gradi [o 2π/3 radianti] rispetto alle altre due.

Vantaggi del sistema trifase

• Equilibrio e stabilità
  Le tre sinusoidi sfasate di 120 gradi permettono una distribuzione uniforme del carico. Questo equilibrio riduce le vibrazioni e migliora la stabilità del sistema elettrico.
• Maggiore efficienza
  Un sistema trifase è più efficiente nel trasporto di energia rispetto a un sistema monofase. Questo perché la potenza media trasportata è costante e non varia nel tempo, riducendo le perdite energetiche.
• Capacità di gestire carichi elevati
  Le tre fasi possono fornire più potenza rispetto a una singola fase, rendendo il sistema trifase ideale per grandi impianti industriali e commerciali.
• Riduzione delle dimensioni dei cavi
  Per una stessa potenza trasportata, i cavi trifase possono essere più sottili rispetto a quelli necessari per un sistema monofase, grazie alla distribuzione uniforme della corrente.

Altre tipologie di inverter

1. Inverter di stringa

Gli inverter di stringa sono tra i più comuni nelle installazioni industriali di medie dimensioni. Questi dispositivi collegano una serie di pannelli solari [stringa] in un unico sistema di conversione.

Caratteristiche tecniche

• Efficienza: generalmente superiore al 98%.
• Capacità: variano tipicamente da 1 kW a 80 kW.
• Gestione delle ombre: alcuni modelli avanzati includono ottimizzatori di potenza per mitigare l’effetto delle ombre.
• Monitoraggio: spesso dotati di sistemi di monitoraggio integrati per il controllo delle prestazioni.

Vantaggi

• Facilità di installazione: Design compatto e modulare.
• Costi ridotti: investimento iniziale più basso rispetto ad altre soluzioni.

2. Inverter centralizzati

Gli inverter centralizzati sono ideali per impianti fotovoltaici di grandi dimensioni, come quelli utilizzati in ambito industriale o in parchi solari.

Caratteristiche tecniche

• Efficienza: può superare il 98.5%.
• Capacità: variano da 100 kW fino a diversi MW.
• Raffreddamento: sistemi di raffreddamento avanzati per operazioni in ambienti estremi.
• Ridondanza: spesso dotati di sistemi ridondanti per garantire continuità operativa.

Vantaggi

• Economia di scala: costi per watt ridotti su larga scala.
• Affidabilità: robusti e adatti a condizioni operative severe.

3. Microinverter

I microinverter sono una soluzione innovativa che vede un inverter installato su ciascun pannello solare.

Caratteristiche tecniche

• Efficienza: efficienza del 95-97%.
• Capacità: tipicamente tra 250 W e 1 kW per pannello.
• Gestione delle ombre: ottima gestione delle ombre, in quanto ogni pannello opera indipendentemente.
• Scalabilità: facile aggiungere nuovi pannelli senza necessità di modifiche al sistema.

Vantaggi

• Ottimizzazione individuale: Massimizzazione della produzione di ciascun pannello.
• Monitoraggio dettagliato: Controllo preciso delle prestazioni di ogni modulo.

4. Inverter Ibridi

Gli inverter ibridi sono progettati per combinare l’energia solare con altre fonti di energia, come le batterie o la rete elettrica, offrendo una soluzione flessibile e resiliente.

Caratteristiche tecniche

• Efficienza: efficienza complessiva fino al 97%.
• Capacità: varia in base alla combinazione di fonti di energia.
• Gestione energetica: funzioni avanzate di gestione dell’energia per l’ottimizzazione tra solare, batteria e rete.
• Compatibilità: supporto per una varietà di tipi di batterie, come agli ioni di litio o al piombo-acido.

Vantaggi

• Flessibilità energetica: utilizzo ottimale delle risorse energetiche disponibili.
• Indipendenza dalla rete: maggiore autonomia in caso di interruzioni di corrente.

5. Inverter multi-MPPT

Gli inverter con più Maximum Power Point Tracker [MPPT] sono ideali per impianti complessi con pannelli orientati in diverse direzioni.

Caratteristiche tecniche

• Efficienza: alta efficienza, generalmente intorno al 98%.
• Capacità: variano da pochi kW a centinaia di kW.
• Gestione delle ombre: ogni MPPT ottimizza una stringa di pannelli separatamente.
• Versatilità: ideali per tetti complessi e installazioni su più superfici.

Vantaggi

• Ottimizzazione delle prestazioni: massimizzazione dell’output in condizioni di illuminazione variabili.
• Adattabilità: miglioramento delle prestazioni in impianti con configurazioni complesse.

Il processo di conversione DC/AC

1. Raccolta dell’ernergia continua [DC]

I pannelli solari catturano la luce solare attraverso le celle fotovoltaiche, che convertono l’energia solare in corrente continua [DC]. Questa corrente continua viene poi inviata all’inverter per il processo di conversione.

2. Regolazione della tensione DC

Prima di iniziare la conversione, la tensione DC può essere regolata tramite un convertitore DC/DC. Questo componente stabilizza la tensione a un livello ottimale, assicurando che il processo di inversione avvenga con la massima efficienza.

3. Circuito di inversione

• Oscillatori: gli inverter utilizzano un circuito di oscillatori per trasformare la corrente continua in una serie di impulsi elettrici. Questi impulsi creano una forma d’onda pulsante che, pur essendo ancora DC, inizia a simulare la forma d’onda della corrente alternata [AC].
• Trasformatori: gli impulsi elettrici vengono inviati a un trasformatore. Questo dispositivo modula la tensione e separa galvanicamente i circuiti di ingresso e uscita, garantendo sicurezza e adattando la tensione alle esigenze della rete elettrica o dei dispositivi alimentati.

4. Modulazione della larghezza di impulso [PWM]

La modulazione della larghezza di impulso [PWM] è una tecnica chiave utilizzata per creare una forma d’onda AC da una serie di impulsi DC. Variando la larghezza degli impulsi, si approssima la forma d’onda sinusoidale della corrente alternata. Successivamente, i segnali pulsati generati dal PWM passano attraverso filtri [tipicamente condensatori e induttori], che smussano le onde pulsanti, creando una forma d’onda sinusoidale pulita, simile alla corrente alternata fornita dalla rete elettrica.

5. Sincronizzazione con la Rete

Per immettere l’energia AC prodotta nella rete elettrica, è necessario che la forma d’onda sinusoidale sia perfettamente sincronizzata in termini di frequenza e fase con quella della rete. Gli inverter fotovoltaici sono dotati di circuiti di sincronizzazione che regolano continuamente questi parametri, garantendo una corrispondenza perfetta con la rete elettrica.

6. Protezione e sicurezza

Gli inverter fotovoltaici sono dotati di sistemi di protezione per prevenire sovratensioni, sovraccarichi e cortocircuiti. Inoltre, dispongono di dispositivi di sicurezza che disconnettono l’inverter dalla rete in caso di anomalie, proteggendo sia l’impianto fotovoltaico che la rete elettrica.

Componenti chiave dell’inverter fotovoltaico

• Microcontrollori: gestiscono il processo di inversione e monitorano le condizioni operative.
• Condensatori e induttori: utilizzati nei circuiti di filtraggio per smussare la forma d’onda AC.
• Diodi e transistor di potenza [IGBT]: componenti essenziali per il controllo dei flussi di corrente e per la modulazione della larghezza di impulso.
• Sensori di tensione e corrente: monitorano continuamente i livelli di tensione e corrente per garantire un funzionamento sicuro ed efficiente.