Inversor solar

Un inversor solar o inversor fotovoltaico es un tipo de convertidor eléctrico que convierte la salida de corriente continua (CC) de un panel solar fotovoltaico (PV) en una corriente alterna de frecuencia de servicio público (CA) que puede alimentarse a una red eléctrica comercial o utilizado por una red eléctrica local fuera de la red. Es un componente crítico del equilibrio del sistema (BOS) en un sistema fotovoltaico, lo que permite el uso de equipos ordinarios alimentados por CA. Los inversores de energía solar tienen funciones especiales adaptadas para su uso con matrices fotovoltaicas, incluido el seguimiento del punto de máxima potencia y la protección contra la isla.

Clasificación
Los inversores solares se pueden clasificar en tres grandes tipos:

Inversores autónomos, utilizados en sistemas aislados en los que el inversor extrae su energía de CC de baterías cargadas por redes fotovoltaicas. Muchos inversores autónomos también incorporan cargadores de batería integrales para reponer la batería de una fuente de CA, cuando esté disponible. Normalmente, estos no se interconectan de ninguna manera con la red pública, y como tales, no se requiere que tengan protección anti-isla.
Inversores de conexión a red, que combinan la fase con una onda sinusoidal suministrada por la red. Los inversores de conexión a red están diseñados para apagarse automáticamente ante la pérdida del suministro de la red pública, por razones de seguridad. No proporcionan energía de respaldo durante interrupciones en los servicios públicos.
Los inversores de reserva de batería son inversores especiales que están diseñados para extraer energía de una batería, administrar la carga de la batería a través de un cargador a bordo y exportar el exceso de energía a la red eléctrica. Estos inversores son capaces de suministrar energía de CA a las cargas seleccionadas durante una interrupción del servicio público, y se requiere que tengan protección contra la isla.

Tipos de dispositivos
Inversor modular (microinversor)
Cada módulo solar tiene su propio inversor monofásico, que se puede integrar en la caja de conexiones.
Este es un convertidor de CC-CC cuyo propósito es establecer la tensión para que el módulo conectado funcione en su punto de máxima potencia (MPP).
Esto puede ser útil en sistemas fotovoltaicos, que consisten en subcampos con diferentes orientaciones o diferentes sombreados, por ejemplo, recubiertos con módulos solares, automóviles o aviones.

Inversores de cadena (English String Inverter)
Un inversor principalmente monofásico que alimenta la energía de un filamento o pocos filamentos de módulos solares en una red eléctrica.

Inversores multicadena
Inversor monofásico o trifásico equipado con más de un seguidor MPP para múltiples cadenas (incluso diferentes) de paneles solares.

Inversores centrales
Un sistema eléctrico grande, a menudo en el formato de un gabinete de control, pero también como una estación en el diseño de contenedores, que generalmente se utiliza con una potencia máxima de más de 100 kW. El diseño modular simplifica las reparaciones necesarias.

Inversor híbrido
Combinación de inversor y acumuladores internos o externos. Esto da como resultado las posibilidades de suministro de energía ininterrumpible, así como la optimización del autoconsumo en el modo de alimentación.

Circuitos y eficiencia
Básicamente, puede distinguir dos tipos de inversores solares:

Dispositivos con transformador
Aquí, un transformador se encarga del aislamiento galvánico entre el lado de CC y el de CA. Debido al aislamiento galvánico, el generador FV puede estar conectado a tierra en un polo; no hay potenciales CA en el sistema. También es obligatorio en algunos países.

Dispositivos sin transformador
Aquí, el lado de entrada y el lado de salida están conectados eléctricamente entre sí. En este diseño de circuito, no se usa transformador, por lo tanto, estos dispositivos generalmente tienen una mayor eficiencia. La falta de aislamiento eléctrico, sin embargo, requiere un concepto diferente de seguridad eléctrica. En parte, tensiones alternas de los módulos solares a tierra, que pueden conducir a pérdidas y con módulos de película delgada para la degradación. Para aumentar aún más la eficiencia y evitar las corrientes de fuga, se han desarrollado la designación de tecnología de circuitos H5 o topología Heric.
En la entrada de CC del inversor solar suele ser un convertidor de entrada. Este convertidor suele ser un convertidor ascendente con una eficiencia muy alta. El circuito de salida también debe tener una alta eficiencia en un amplio rango de carga.

Para optimizar los inversores con transformadores, el inversor a menudo asume la función del transformador de entrada, de modo que se elimina el circuito intermedio. Esto se llama alimentación directa o convertidor directo. La eficiencia mejora, ya que solo se necesita un convertidor. Dichos dispositivos, sin embargo, tienen un rango más pequeño con una eficiencia óptima, por lo que se relativizan especialmente en sistemas con sombreado parcial que aprovechan rápidamente.

La eficiencia de los inversores solares es comparable con la eficiencia del euro, que evalúa particularmente los casos de carga parcial.

En la industria solar, el término kWp se ha utilizado para indicar potencia máxima en lugar de kW.Sin embargo, esto no se ajusta a las reglas del Sistema Internacional de Unidades según el cual las designaciones de las unidades no se complementan. Ver también: ortografía de los caracteres de la unidad.

Maximo poder punto
Los inversores solares utilizan el seguimiento máximo del punto de potencia (MPPT) para obtener la máxima potencia posible de la matriz FV. Las células solares tienen una relación compleja entre la irradiación solar, la temperatura y la resistencia total que produce una eficiencia de salida no lineal conocida como curva IV. El propósito del sistema MPPT es muestrear la salida de las celdas y determinar una resistencia (carga) para obtener la máxima potencia para cualquier condición ambiental dada.

El factor de llenado, más conocido por su abreviatura FF, es un parámetro que, junto con la tensión de circuito abierto (Voc) y la corriente de cortocircuito (Isc) del panel, determina la potencia máxima de una célula solar. El factor de llenado se define como la relación entre la potencia máxima de la célula solar y el producto de Voc e Isc.

Hay tres tipos principales de algoritmos MPPT: perturb-and-observe, conductancia incremental y voltaje constante. Los dos primeros métodos a menudo se conocen como métodos de alpinismo; se basan en la curva de potencia trazada contra el voltaje que sube a la izquierda del punto de máxima potencia y que cae a la derecha.

Operación
En algunos países europeos, se requiere un dispositivo de monitoreo de red con dispositivos de conmutación asociados (ENS) en el lado de la red, que apaga el inversor en caso de isla no deseada. Para sistemas con una potencia instalada de más de 30 kW, se puede prescindir de ENS.Hay suficiente monitoreo de frecuencia y voltaje con apagado de todos los polos para un aislamiento seguro de la red, si se apaga o falla.

A menudo se anuncia con una alta eficiencia del inversor. En el rango de carga parcial, es un poco más bajo y, por lo tanto, se promedia y luego se denomina «eficiencia europea». Sin embargo, la eficiencia del inversor no es la única que determina la eficiencia general de un sistema fotovoltaico.

Desde enero de 2009, los sistemas fotovoltaicos en Alemania con una capacidad instalada de más de 100 kW deben tener la opción de ser reducidos por el operador de la red en la potencia activa inyectada (§ 6.1 EEG). Además, existe la posibilidad de que se proporcione una cierta cantidad de potencia reactiva. En la práctica, estas especificaciones se realizan dinámicamente a través del receptor de control de ondulación, que puede indicar una reducción de potencia activa de cuatro etapas o especificar un desvío de 1 factor efectivo de, por ejemplo, cos φ = 0,95 (inductivo). Al proporcionar energía reactiva inductiva se pueden evitar sobretensiones capacitivas.

A partir de julio de 2011, los sistemas más pequeños en la red de baja tensión tendrán que ofrecer funciones de control comparables. Las reglamentaciones adicionales específicas de cada país provocan cuellos de botella en el suministro y mayores costos de producción. Los conceptos contrarios, como la medición neta, persiguen un enfoque más directo y trasladan el problema al operador de red.

En el caso de sistemas más grandes, que, entre otras cosas, cumplen con la Directiva de Media Tensión, se requieren medidas adicionales para la estabilización de red dinámica, como la capacidad de paso de baja tensión. Las medidas están destinadas a evitar el apagado no deseado y simultáneo de muchos sistemas con bajo voltaje local a corto plazo, ya que ocurren en el contexto de cortocircuitos u otros errores en los sistemas trifásicos.

Los sistemas monofásicos solo pueden alimentar a la red eléctrica en Alemania hasta una potencia máxima de 5 kW (potencia continua de 4,6 kW). Esta restricción es la estabilidad de la red y evita cargas desequilibradas. Además de la función básica de la conversión de energía, un inversor solar tiene una amplia adquisición de datos y, en algunos casos, opciones de mantenimiento remoto.

Frecuencia de red
La energía eléctrica en la red eléctrica no puede almacenarse en grandes cantidades a corto plazo.Por lo tanto, siempre es necesario establecer un equilibrio energético entre la producción y el consumo. Para asegurar que esta es la frecuencia de la red como una variable de control en las redes eléctricas alimentadas con voltaje CA utilizadas. En Europa esto se define como 50.0 Hz. La desviación del valor nominal indica un excedente de energía (frecuencia de red aumentada) o una escasez de energía (frecuencia de red reducida). Para evitar una sobreoferta de energía en la red eléctrica, los inversores deben monitorear constantemente la frecuencia de la red y desconectarse de la red cuando exceden un límite específico del país (en Alemania 50,2 Hz). Dado que, mientras tanto, una parte predominante de la energía eléctrica generada proviene de los sistemas fotovoltaicos en Alemania, un apagado de todos los sistemas provocaría un efecto contrario con este valor límite y a su vez causaría una inestabilidad de la red. Por lo tanto, para instalaciones superiores a 10 kW, este límite se aumentó posteriormente a un valor aleatorio. Las plantas más nuevas deben tener gradientes de Potencia entre 50.2 y 51.5 Hz, lo que reduce o aumenta la potencia de entrada dependiendo de la frecuencia de la red actual y, por lo tanto, contribuye activamente a la estabilización de la red.

Operación de la isla
En los sistemas para operación aislada, los inversores isla especiales permiten el uso de consumidores convencionales para 230 V AC. El factor decisivo es la potencia máxima proporcionada. Para este fin, los inversores individuales se pueden conectar en paralelo, pero dependiendo del tamaño de la red, pero necesitan dispositivos de control adicionales para la coordinación con los otros generadores y el almacenamiento de energía. Los sistemas pequeños a veces se ofrecen con sistemas de batería integrados, pero no tienen sincronización de red porque falta el valor predeterminado de otros generadores de energía.

Microinversores solares
El microinversor solar es un inversor diseñado para funcionar con un único módulo fotovoltaico. El microinversor convierte la salida de corriente continua de cada panel en corriente alterna. Su diseño permite la conexión en paralelo de unidades múltiples e independientes de forma modular.

Las ventajas del microinversor incluyen la optimización de energía de un solo panel, el funcionamiento independiente de cada panel, la instalación plug-and-play, la instalación mejorada y la seguridad contra incendios, los costos minimizados con el diseño del sistema y la minimización de stock.

Un estudio de 2011 en Appalachian State University informa que la configuración del inversor integrado individual produjo aproximadamente un 20% más de potencia en condiciones sin sombreado y un 27% más de potencia en condiciones de sombra en comparación con la configuración de conexión de cuerda con un inversor. Ambas configuraciones usaron paneles solares idénticos.

Inversores solares conectados a la red
Los inversores solares de conexión a la red están diseñados para desconectarse rápidamente de la red si la red eléctrica se cae. Este es un requisito de NEC que garantiza que en caso de un apagón, el inversor de conexión a la red se apagará para evitar que la energía que produce perjudique a cualquier trabajador de línea que se envíe para reparar la red eléctrica.

Los inversores conectados a la red que están disponibles en el mercado hoy en día usan varias tecnologías diferentes. Los inversores pueden usar transformadores de alta frecuencia más nuevos, transformadores convencionales de baja frecuencia o ningún transformador. En lugar de convertir la corriente directa directamente a 120 o 240 voltios de CA, los transformadores de alta frecuencia emplean un proceso computarizado de múltiples pasos que implica convertir la energía a CA de alta frecuencia y luego volver a CC y luego a la tensión final de salida de CA.

Históricamente, ha habido preocupaciones sobre el hecho de que los sistemas eléctricos sin transformador se alimenten en la red de servicios públicos. Las preocupaciones surgen del hecho de que hay una falta de aislamiento galvánico entre los circuitos de CC y de CA, lo que podría permitir el paso de fallas de CC peligrosas hacia el lado de CA. Desde 2005, el NEC de NFPA permite inversores sin transformador (o no galvánicamente). El VDE 0126-1-1 y el IEC 6210 también se han modificado para permitir y definir los mecanismos de seguridad necesarios para dichos sistemas.Principalmente, la detección de corriente residual o de tierra se utiliza para detectar posibles condiciones de falla. También se realizan pruebas de aislamiento para garantizar la separación de CC a CA.

Muchos inversores solares están diseñados para conectarse a una red pública y no funcionarán cuando no detecten la presencia de la red. Contienen circuitos especiales para coincidir con precisión el voltaje, la frecuencia y la fase de la red.

Inversores de bombeo solar
Los inversores de bombeo solar avanzados convierten el voltaje de CC de la matriz solar en voltaje de CA para impulsar las bombas sumergibles directamente sin la necesidad de baterías u otros dispositivos de almacenamiento de energía. Al utilizar MPPT (seguimiento máximo del punto de potencia), los inversores de bombeo solar regulan la frecuencia de salida para controlar la velocidad de las bombas a fin de evitar daños al motor de la bomba.

Los inversores de bombeo solar generalmente tienen puertos múltiples para permitir la entrada de corriente continua generada por las matrices FV, ​​un puerto para permitir la salida de voltaje de CA y otro puerto para la entrada de un sensor de nivel de agua.

Mercado
A partir de 2014, la eficiencia de conversión de los convertidores solares de última generación alcanzó más del 98 por ciento. Mientras que los inversores string se utilizan en sistemas fotovoltaicos comerciales de tamaño medio o residencial, los inversores centrales cubren el gran mercado comercial y de servicios públicos. La cuota de mercado para los inversores centrales y de cadena es aproximadamente del 50 por ciento y 48 por ciento, respectivamente, dejando menos del 2 por ciento a los microinversores.

Inversor / mercado de convertidores en 2014