Un inverter è un dispositivo di elettronica di potenza che converte la corrente continua (DC) in corrente alternata (AC). In un sistema a energia solare, trasforma la corrente continua prodotta dai pannelli nella corrente alternata utilizzata nelle abitazioni e negli stabilimenti industriali, consentendo all’energia elettrica di essere immessa in rete oppure consumata sul posto. Nelle fonti turche lo stesso dispositivo può essere indicato anche come invertör; il termine raccomandato dall’Associazione della Lingua Turca è invece evirici. Tutti e tre i termini descrivono la stessa apparecchiatura. Anche se il pannello è la parte più visibile del sistema, rendere utilizzabile l’energia prodotta dipende interamente da questo dispositivo. In questo articolo esamineremo il ruolo dell’inverter, la differenza tra DC e AC, i diversi tipi di inverter e il reale significato dei valori di efficienza.

Che cos’è un inverter?

Un inverter è un dispositivo che trasforma l’elettricità che scorre in una direzione fissa al suo ingresso in un’elettricità alternata che cambia direzione un determinato numero di volte al secondo. Questa operazione non viene eseguita tramite parti meccaniche, ma mediante elementi di commutazione a semiconduttore. I transistor di potenza presenti nel dispositivo (generalmente IGBT o MOSFET) si accendono e si spengono nell’ordine dei microsecondi; quando questi rapidi impulsi di commutazione passano attraverso i filtri, si ottiene un’onda sinusoidale regolare simile a quella della rete.

Per usare un paragone semplice: il pannello produce energia come un ruscello che scorre in una sola direzione, mentre la rete richiede un’onda che oscilla avanti e indietro. L’inverter è il traduttore tra questi due linguaggi.

I modelli utilizzati negli impianti fotovoltaici non sono semplici dispositivi che effettuano soltanto la conversione. Un moderno inverter solare integra nello stesso involucro le seguenti unità:

• Stadio di potenza: circuito di commutazione e filtri che convertono la DC in AC.
• Ingresso MPPT: canale di ingresso che ricerca continuamente il punto di funzionamento in cui la stringa di pannelli produce la massima potenza. Nei sistemi di grandi dimensioni sono presenti più ingressi MPPT indipendenti.
• Scheda di controllo e comunicazione: unità che gestisce la sincronizzazione con la rete, registra i dati di produzione e consente il monitoraggio da remoto.
• Circuiti di protezione: hardware che porta il sistema in condizioni di sicurezza in caso di sovratensione, sovracorrente, guasto di isolamento o funzionamento in isola.

Qual è il ruolo dell’inverter in un sistema a energia solare?

Non è possibile ridurre il ruolo dell’inverter a una sola frase, perché svolge più funzioni all’interno del sistema. Considerando nel complesso come funzionano i sistemi a energia solare, l’inverter rappresenta sia l’elemento di conversione sia quello di gestione della catena energetica.

Conversione. È la funzione principale. La corrente continua prodotta dalle celle fotovoltaiche del pannello solare viene convertita in corrente alternata da 230 V / 400 V e 50 Hz.

Sincronizzazione con la rete. Perché l’AC prodotta possa essere immessa nella rete, tensione, frequenza e angolo di fase devono coincidere perfettamente con quelli della rete. Anche uno scostamento di pochi millisecondi può impedire il trasferimento dell’energia. L’inverter campiona continuamente la rete e sincronizza la propria uscita con questi valori.

Inseguimento del punto di massima potenza. La tensione di ingresso viene regolata continuamente per ottenere la massima potenza disponibile dalla stringa di pannelli. In presenza di passaggi nuvolosi, variazioni di temperatura o ombreggiamenti, questo punto si sposta; l’inverter continua a inseguirlo.

Monitoraggio e reportistica. Potenza istantanea, produzione giornaliera e cumulativa e registri di errore possono essere letti tramite l’inverter. In un impianto, uno dei modi più pratici per verificare se i pannelli stanno funzionando consiste spesso nell’osservare i dati sul display dell’inverter.

Sicurezza. In caso di interruzione della rete, l’inverter interrompe la produzione. Questo comportamento, chiamato protezione anti-islanding, è obbligatorio per la sicurezza del personale di manutenzione che lavora sulla linea.

Differenza tra corrente DC e AC

I pannelli solari possono fisicamente produrre soltanto corrente continua, mentre la rete elettrica è basata sulla corrente alternata. Questa incompatibilità è esattamente il motivo per cui esiste l’inverter.

Il motivo per cui l’infrastruttura di distribuzione elettrica è basata sull’AC è racchiuso anche nelle ultime due righe della tabella: poiché la tensione alternata può essere facilmente elevata tramite trasformatori, può essere trasportata per centinaia di chilometri con perdite ridotte.

Quali sono i tipi di inverter?

Gli inverter si differenziano in base al numero di pannelli collegati, al rapporto con la rete e al supporto dell’accumulo. Sono inoltre diffuse architetture ibride in cui più tipi vengono utilizzati insieme nello stesso impianto.

Inverter di stringa

Il nome deriva da “string”, cioè una stringa di pannelli. Gruppi di pannelli collegati in serie confluiscono nell’ingresso di un singolo inverter. La maggior parte degli impianti residenziali e commerciali su tetto di medie dimensioni utilizza questa soluzione. Grazie all’installazione rapida e alla manutenzione concentrata in un unico punto, offre un buon equilibrio tra costi e prestazioni.

Il suo punto debole deriva dalla natura del collegamento in serie: se un pannello della stessa stringa viene ombreggiato o si sporca, l’intera stringa scende al livello di corrente del pannello più debole.

Microinverter

Dietro ogni pannello viene installato un inverter dedicato; la conversione avviene a livello del singolo pannello. L’ombreggiamento di un pannello non influenza gli altri, perché i pannelli funzionano in modo indipendente.

È particolarmente adatto a impianti irregolari con ombre da comignoli, più inclinazioni del tetto o superfici orientate in direzioni diverse. Tuttavia, poiché richiede un dispositivo per ogni pannello, non è normalmente preferito nei grandi impianti.

Inverter ibrido

Combina in un unico dispositivo il collegamento alla rete e la gestione della batteria. Durante il giorno la produzione in eccesso ricarica il banco batterie; la sera questa energia viene utilizzata per i consumi. In questo modo si riduce lo sfasamento temporale tra le curve di produzione e consumo.

Con la crescente importanza della compensazione oraria, le architetture ibride acquistano sempre più peso; per l’aspetto economico dell’argomento è possibile consultare i nostri articoli su come si calcola la compensazione oraria e come viene immagazzinata l’energia.

Inverter centralizzato

Si tratta di grandi unità in container o armadio utilizzate negli impianti fotovoltaici di scala megawatt. Numerose stringhe presenti sul campo vengono raccolte in quadri di combinazione DC e convogliate verso una singola unità centrale.

Il costo per unità di potenza è basso e la gestione è centralizzata. Di contro, in caso di guasto la capacità coinvolta è elevata; per questo la ridondanza e la pianificazione della manutenzione diventano fondamentali.

Inverter off-grid

È l’inverter utilizzato nei sistemi che funzionano completamente indipendenti dalla rete. Poiché non dispone di un riferimento di rete, genera autonomamente frequenza e tensione e deve quindi essere utilizzato insieme a un banco batterie. Poiché la chimica della batteria determina direttamente la durata del sistema, è opportuno valutare in anticipo i diversi tipi di batterie per energia solare.

Terreni agricoli senza rete elettrica, case di montagna, stazioni radio base e applicazioni di irrigazione solare sono gli impieghi tipici di questa tipologia.

Cosa significa l’efficienza dell’inverter?

L’efficienza dell’inverter indica quanta parte della potenza DC in ingresso viene trasferita all’uscita sotto forma di AC. Tutte le perdite si trasformano in calore. Sebbene i dispositivi moderni raggiungano valori elevati, una singola percentuale riportata a catalogo non descrive completamente il comportamento reale sul campo.

La differenza nasce dal fatto che un inverter non lavora alla potenza nominale per tutta la giornata. Al mattino e alla sera opera molto al di sotto della propria capacità, mentre a mezzogiorno si avvicina al carico di picco. Poiché l’efficienza diminuisce a carico parziale, l’efficienza europea, basata su una media ponderata, fornisce una stima più fedele della produzione reale.

Anche la temperatura incide. Quando la temperatura ambiente supera una determinata soglia, il dispositivo riduce la potenza di uscita per proteggersi; questo fenomeno è chiamato derating. Per questo motivo installare l’inverter in un punto ombreggiato e con ventilazione libera è importante quanto il valore di efficienza.

Un altro parametro è il rapporto DC/AC. Nella maggior parte dei progetti, la potenza installata dei pannelli viene scelta superiore alla potenza dell’inverter, perché per gran parte dell’anno i pannelli non funzionano alla potenza di picco. Se questo rapporto è troppo elevato, una parte della produzione viene tagliata nelle ore centrali della giornata. Nei siti dotati di sistema di inseguimento solare il calcolo cambia: poiché i pannelli seguono il sole durante il giorno, la curva di produzione assume un profilo più uniforme e ampio dal mattino alla sera, invece del picco stretto concentrato a mezzogiorno tipico dei sistemi fissi. Questo profilo aumenta il livello di carico dell’inverter durante la giornata e riduce il rischio di clipping; il rapporto DC/AC deve quindi essere valutato separatamente nei progetti con tracker. È possibile utilizzare il nostro calcolatore di energia solare per stimare la produzione del sistema e seguire la logica del calcolo nel nostro articolo che spiega come viene effettuato.