Inversores de conexión a red: Guía de sus componentes principales

El "cerebro" de su sistema de energía solar

El mundo de la energía solar. Aunque los paneles solares son el componente más visible de un sistema, que toma la energía solar pura, es el sistema inversor solar el que es el cerebro. Este es un componente muy esencial de la tecnología que es el control real y el centro de mando, y las decisiones inteligentes tomadas cada milisegundo a través de su control, la conversión y el uso óptimo de la energía que impulsa su hogar, negocio, o incluso una planta de energía de escala utilitaria.

Un sistema inversor de alta calidad no sólo convierte la electricidad en electricidad, sino que también aprovecha al máximo su cosecha de energía, hace que la red sea segura y estable, además de proporcionarle la información esencial que necesita para supervisar su sistema de energía solar y el rendimiento del sistema. En su ausencia, esta energía generada por sus células solares no puede utilizarse.

En esta guía exhaustiva abriremos la caja para ver más de cerca este sistema. Veremos en qué consiste, los cuatro tipos más comunes que se pueden encontrar, los elementos de hardware clave que contiene y cómo se comunica con las baterías y la red. Y lo que es más importante, descubriremos uno de los elementos fundamentales que se suelen ignorar, pero que es esencial para el rendimiento y la longevidad: el sistema de refrigeración.

¿Qué es un sistema de inversor solar y cómo funciona?

En su forma más simple, un sistema inversor solar sólo tiene una tarea principal, mágica y aparente: convierte la electricidad de corriente continua (CC) en electricidad de corriente alterna (CA).

Los paneles solares producen corriente continua, es decir, un flujo de electricidad en un sentido. Pero la corriente alterna es la que se utiliza en la red eléctrica y en la mayoría de los aparatos de tu edificio (luces, frigorífico, máquina industrial, etc.), es como la corriente que cambia rápidamente de dirección.

Considere el inversor como un sofisticado traductor de alta velocidad. Obtiene el lenguaje de la corriente continua utilizado por el sistema de paneles solares y lo convierte en el lenguaje de la corriente alterna que tu edificio puede entender y utilizar.

El proceso es el siguiente:

1. Los paneles solares captan la luz del sol y generan electricidad de corriente continua.
2. Esta electricidad de CC se introduce en el sistema del inversor solar.
3. El inversor, mediante complejos conmutadores electrónicos, "trocea" la señal de CC y la recompone en una señal de CA de onda sinusoidal pura.
4. Esta corriente alterna es entonces:
   • Se envía directamente a su casa o negocio para alimentar los electrodomésticos.
   • Alimentado a un sistema de baterías para su almacenamiento.
   • Se exporta a la red pública, a menudo para obtener crédito.

4 tipos principales de sistemas de inversores solares

El inversor no es un producto de talla única. Los tipos de inversores que necesita vienen determinados en gran medida por el tamaño de su proyecto, su presupuesto y la finalidad del mismo (como el respaldo de la batería o el control de la sombra de su tejado).

Sistemas String Inverter

Un inversor de cadena es el tipo clásico y más común de inversor para proyectos residenciales y comerciales pequeños. El sistema funciona conectando varios paneles solares en serie, lo que se conoce como "cadena". La corriente continua combinada generada por toda la cadena se introduce en un inversor centralizado de un solo panel para su conversión.

• Lo mejor para: Tejados sencillos, sin sombra, en los que todos los paneles están orientados en la misma dirección. Son rentables, fiables y fáciles de mantener.
• Consideración clave: El rendimiento de la cadena lo vende el panel de mayor rendimiento. Cuando un panel está punteado o sucio, el rendimiento de todos los demás paneles de esa cadena disminuye.

Sistemas de microinversores

Un microinversor es un desarrollo más reciente, que descentraliza la inversión. No hay inversor central, sino un pequeño microinversor instalado directamente en la parte trasera de cada panel. El diseño implica que cada panel es un único generador de corriente alterna.

• Lo mejor para: Cubiertas complejas con múltiples ángulos, buhardillas o sombreado intermitente (por ejemplo, de árboles o chimeneas).
• Consideración clave: Como todos los paneles actúan por separado, la sombra proyectada por un panel no tiene ningún efecto sobre la sombra de ningún otro panel, con lo que se maximiza la potencia total. También pueden controlarse a nivel de panel, pero suelen ser los más caros inicialmente.

   

Sistemas de inversores híbridos

Los sistemas de inversores híbridos suelen denominarse inversores listos para batería, y son la solución integral en la era energética contemporánea. Una unidad de inversor híbrido se creará para funcionar como un inversor de cadena típico (transformando la salida de CC en una salida de CA) y como un inversor de batería (controlando el flujo de energía dentro y fuera de una batería).

• Lo mejor para: Propietarios de viviendas y empresas que deseen almacenar energía (una batería solar) ahora o tiene previsto añadir uno en el futuro.
• Consideración clave: Es el cerebro para lograr la independencia energética. Es capaz de controlar de forma inteligente el sistema solar, la batería y la red eléctrica al mismo tiempo. Puede enviar el excedente solar a la batería y, a continuación, liberar la batería para dar servicio a la vivienda durante las horas sin sol (por la noche o cuando se va la luz).

Inversores centrales

Este es el monstruo de la industria de los inversores, cuyo objetivo son las grandes huertas solares comerciales y de servicios públicos (los grandes campos de paneles solares que se ven). Cientos de paneles pueden conectarse a un inversor central que gestiona megavatios (MW) de potencia.

• Lo mejor para: Centrales solares, grandes instalaciones industriales y proyectos solares comunitarios.
• Consideración clave: No son cajas pequeñas y suelen tener el tamaño de un contenedor de transporte. Su densidad de potencia es gigantesca y su rendimiento no puede comprometerse. Su fallo puede dejar fuera de servicio una parte importante de una central eléctrica, por lo que la fiabilidad de sus componentes internos, en particular la gestión térmica, es un problema multimillonario.

He aquí una sencilla tabla que le ayudará a comparar estos distintos tipos:

Dentro de la "caja": Los componentes de hardware que alimentan su sistema

Ahora, echemos un vistazo bajo el capó. Aunque el diseño exacto puede cambiar, casi todos los inversores actuales utilizan tres grupos principales de componentes de hardware para funcionar.

El módulo de conversión (IGBT/MOSFET): El "motor

Es el motor del inversor. Se trata de un conjunto de interruptores de estado sólido de alta resistencia y rápida respuesta conocidos como IGBT (transistores bipolares de puerta aislada) o MOSFET (transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico).

Estos interruptores hacen el trabajo necesario de cambiar la corriente continua variable a una onda sinusoidal constante utilizable de corriente continua. Responden a variaciones continuas para garantizar que tienen la cantidad adecuada de salida de energía y pueden dispararse miles de veces por segundo. Es un proceso muy eficaz, pero genera un subproducto importante, a saber, una gran cantidad de calor residual.

Seguidores del punto de máxima potencia (MPPT): El "optimizador

La tecnología crítica es el Optimizador que maximiza su producción de energía. La producción en un panel solar está siempre en estado de flujo, dependiendo de los rayos del sol, la temperatura y otras condiciones. El MPPT se encarga de escanear constantemente la corriente continua entrante para localizar el punto óptimo de potencia, el llamado Punto de Máxima Potencia, una combinación de tensión y corriente, para extraer el máximo absoluto de vatios de los paneles en cualquier momento.

El controlador del sistema (MCU): La "CPU

Es el cerebro o la CPU real de la operación. La unidad de microcontrolador (MCU) es un procesador complejo que controla todas las demás partes. Acciona los IGBT para que conmuten y cuándo y cómo deben hacerlo, lee los datos de los MPPT, comprueba la estabilidad de las redes eléctricas, controla los sistemas de almacenamiento de la batería (en los sistemas híbridos) e informa de todos los datos operativos que deben supervisarse. También se comunica con el regulador de carga o el regulador de carga solar para controlar las cargas de la batería y proporcionar la máxima seguridad y funcionalidad posibles del sistema.

Comprender la integración de sistemas: Red, baterías y cargas

Un sistema de inversores solares no es simplemente un inversor. Se caracteriza por su combinación con los tres actores más importantes de su ecosistema energético:

1. La Red: La red eléctrica, que realiza el intercambio de electricidad solar.
2. Las pilas: Sus sistemas locales de almacenamiento de baterías que garantizan energía constante en ausencia de sol.
3. Las cargas: El botín de tu edificio que necesita energía: los electrodomésticos y la maquinaria, e incluso las tecnologías del futuro impulsadas por electricidad, como los vehículos eléctricos.

Un inversor híbrido moderno toma una decisión inteligente en tiempo real en función de la programación y las condiciones. Por ejemplo, en un día soleado, a las 2 de la tarde, puede generar 4 kW de energía solar para dar servicio a la casa (la carga), 3 kW para cargar la batería y exportar los 2 kW restantes a la red. A las 8 de la tarde, se apagará con la batería y se utilizará para hacer funcionar la casa sin prestar atención a la red, con el fin de ahorrar dinero.

Integración del sistema de inversores de conexión a red con la red eléctrica

La relación de la mayoría de los sistemas fotovoltaicos es la más significativa con la red eléctrica. Esta integración no sólo define la eficiencia energética, sino también la producción total de energía, y está regulada por determinadas normas e incentivos económicos.

Medición neta y venta del excedente de energía

La medición neta es un método de facturación que constituye una motivación financiera en la energía solar conectada a la red, que es la principal motivación en la energía solar conectada a la red. Una vez que su sistema genera electricidad solar en exceso de lo que está utilizando, entonces la electricidad solar extra se exporta a la red, y su contador de servicios públicos se vuelve hacia atrás. Se obtiene un crédito por esta producción de energía, que se puede utilizar por la noche o durante los días nublados cuando se compra energía de la red.

Una ilustración directa del trabajo de los inversores solares es que garantizan que el flujo de energía entre su casa y la red pública sea eficiente.

Cumplimiento de la normativa sobre servicios públicos en EE.UU.

Un sistema de inversores solares no puede insertarse en la red. Los inversores también son potentes y, por lo tanto, deben estar bien diseñados y cumplir las estrictas normas de seguridad necesarias para garantizar la seguridad del trabajador y de la red. Esto, principalmente en EE.UU., significa conformidad con:

• UL 1741: Esta norma de certificación y seguridad de inversores y equipos que interactúan con la red.
• IEEE 1547: Norma técnica que describe el comportamiento exigido a los recursos energéticos distribuidos (como su inversor) cuando se conectan a la red, incluido el llamado anti-islanding, que significa apagarse automáticamente cuando se va la luz.

El cumplimiento correcto es importante porque no sólo ayuda a mantener la seguridad de la red eléctrica, sino que también garantiza que su sistema fotovoltaico sea estable y eficaz a pesar del número de paneles interconectados y de la carga final.

Por qué la refrigeración activa es un componente esencial del rendimiento

Ya hemos hablado del gran motor (IGBT) y el cerebro (MCU) dentro del inversor. Colocados en una disposición tan densa, todos estos componentes electrónicos de alto rendimiento producen un enorme volumen de calor residual.

Aquí deberíamos hablar de uno de los elementos que se ignora con demasiada facilidad, el sistema de gestión térmica. La capacidad de un inversor para controlar el calor determina su rendimiento, fiabilidad y vida útil en general.

Una regla general de la electrónica de potencia, que se basa en la ley de Arrhenius, es que la vida útil a largo plazo de los elementos eléctricos se reduce a la mitad cada 10 °C (18 °F) de aumento de la temperatura de funcionamiento. En este caso, la optimización del trabajo del inversor solar genera una potencia estable y estabilidad del sistema.

Refrigeración pasiva frente a activa: Por qué los sistemas de alta potencia necesitan ventiladores

1. Refrigeración pasiva: No utiliza ninguna pieza móvil. Depende exclusivamente de enormes disipadores de calor metálicos con aletas para enfriarse al aire. Esto es típico de los microinversores más pequeños y de los inversores de cadenas residenciales de algunos otros modelos. Es a la vez silencioso y tiene un límite corporal.
2. Refrigeración activa: Emplea ventiladores para empujar una gran cantidad de aire sobre los disipadores de calor y elimina activamente el calor de los componentes.

La refrigeración pasiva puede ser suficiente en sistemas residenciales pequeños. Sin embargo, la refrigeración activa no es una opción; es imprescindible en inversores híbridos de alta potencia (sobre todo al cargar/descargar baterías) y en todos los grandes inversores centrales. Las densidades y los requisitos de gestión de la energía de los sistemas fotovoltaicos modernos han hecho que la refrigeración eficiente del sistema fotovoltaico sea muy esencial para garantizar un rendimiento fiable y seguro en la red.

La ventaja ACDCFAN: Refrigeración fiable para una inversión más inteligente

Un sistema inversor es un sistema solar de 10-15 años. Pero su componente más delicado tiene una vida tan corta. Incluso en un sistema con refrigeración forzada, un ventilador de cojinetes de manguito barato y de baja calidad, que se agarrota por el polvo o falla por el rodamiento de los cojinetes, es el punto número 1 de fallo mecánico.

Por ello, la especificación de un solución de gestión térmica de grado industrial no es un añadido; es un enfoque fundamental para salvaguardar su inversión. En ACDCFAN, estamos especializados en la fabricación de componentes de refrigeración destinados a ser utilizados en condiciones de extrema fiabilidad con sistemas de alta potencia.

• Diseñado para durar mucho tiempo: Los ventiladores estándar son uno de los principales puntos débiles. Nuestras soluciones emplean rodamientos de bolas de alta tecnología para que la solución tenga una MTBF (tiempo medio entre fallos) de más de 70.000 horas. Son casi 8 años de uso 24/7, lo que garantiza que el ventilador durará tanto como el propio inversor.
• Rendimiento inteligente e instantáneo: PWM (modulación por ancho de pulsos) El control inteligente es compatible con nuestros ventiladores. Están directamente vinculados a la MCU (la CPU que hemos mencionado) del inversor para ofrecer una reacción térmica inteligente y a demanda. Su funcionamiento es silencioso y consume poca energía en el punto muerto, y aumentan a plena potencia para salvaguardar las piezas cuando la producción está en su punto álgido, o al cargar las baterías.
• Entornos reales: Resistencia Los grandes inversores centrales no funcionan en espacios limpios y con aire acondicionado. Se ubican en desiertos, campos altos o regiones costeras donde hay mucha humedad. Nuestra Clasificación IP68 Los ventiladores están completamente sellados para evitar la entrada de polvo y agua, por lo que ofrecen un rendimiento de refrigeración óptimo y una larga vida útil incluso en condiciones extremas.

La gestión térmica es lo más importante para los ingenieros de sistemas y responsables de compras que desarrollan la próxima generación de inversores. Nuestros productos son completamente RoHS 2.0 y certificación UL, CE y TUVEsto facilita enormemente el diseño y la conformidad de nuestros productos. Incluso somos capaces de ayudar a los equipos de I+D con una propuesta inicial de diseño térmico en 12 horas.

Métricas clave del rendimiento de los inversores de conexión a red: ¿Qué significan la eficiencia y las clasificaciones?

Al comparar sistemas de inversores, se perderá en las especificaciones técnicas. Estas son las dos más significativas a las que hay que prestar atención.

Cómo elegir el sistema inversor de conexión a red adecuado

La elección más crucial que marca la diferencia en el rendimiento a largo plazo de su proyecto es la elección del sistema inversor solar. Hay que empezar por determinar de qué escala se dispone porque determina lo que se puede hacer.

• En proyectos residencialesHay tres tipos para elegir. Un String Inverter es la mejor opción cuando se trata de tejados sencillos y sin sombra. Cuando tenga ángulos o sombras más complicados en su tejado, los microinversores podrán extraer la máxima cantidad de energía, con un mayor gasto. Un Inversor Híbrido es la solución ideal si desea ser energéticamente independiente, incluyendo una batería de reserva.
• En el caso de Comercial (C&I) y de servicios públicosla elección pasa a los grandes inversores de cadenas trifásicos o a los grandes inversores centrales. En este caso, no se presta atención al primer coste, sino al coste total de propiedad (TCO). En estos sistemas de alta potencia, la fiabilidad es el factor más importante. Examine la clasificación de eficiencia CEC del inversor, su clasificación IP para proteger el medio ambiente y su sistema de tratamiento térmico. Se está desarrollando un potente mecanismo de refrigeración activa que puede soportar años de condiciones de carga elevada para que su inversión a largo plazo no se vea comprometida.

¿Cuál es la eficiencia CEC (no pico) de su proveedor? Dos preguntas que hay que hacerles antes de comprar son "¿Cuál es la garantía y, bajo carga máxima, la vida útil prevista de los componentes?

Conclusión

El sistema de inversores solares no es una mera caja de conversión; es el cerebro vivo y palpitante de todo el plan energético. Determina el nivel de potencia que se extrae, cómo se utiliza esa potencia y la longevidad de los inversores de energía solar durante los próximos 20 años.

Usted es un propietario que se decidió por un microinversor o una empresa que instaló un sistema híbrido con bancos de baterías, o es un ingeniero que decidió diseñar un sistema fotovoltaico con megavatios. Ahora ya sabe que el rendimiento del sistema es tan fuerte como sus componentes principales.

Todas las piezas deben estar bien sincronizadas entre sí, empezando por el complicado "motor" de sus IGBT hasta el "cerebro" de su MCU. Y el llamado héroe anónimo es el sistema de gestión térmica para protegerlos a todos. La mejor inversión que puede hacer en un futuro sólido y lucrativo de energía limpia es elegir un sistema con componentes de alta calidad y duraderos, hasta los rodamientos de bolas de sus ventiladores de refrigeración.