¿Qué es un inversor solar?

A medida que el mundo avanza en la búsqueda de soluciones energéticas sostenibles y limpias, la energía solar se ha consolidado como pionera en la carrera hacia un futuro más verde. Aprovechando la abundante energía renovable del sol, los sistemas solares fotovoltaicos (FV) han ganado una gran popularidad, allanando el camino para una transformación notable en la generación de electricidad. En el corazón de cada sistema solar fotovoltaico se encuentra un componente crucial que permite la conversión de la luz solar en energía utilizable: elinversor solarAl actuar como puente entre los paneles solares y la red eléctrica, los inversores solares desempeñan un papel vital en el uso eficiente de la energía solar. Comprender su principio de funcionamiento y explorar sus diversos tipos es clave para comprender la fascinante mecánica de la conversión de la energía solar. H¿Cómo funciona A?SsolarIinversorWorco? Un inversor solar es un dispositivo electrónico que convierte la corriente continua (CC) producida por los paneles solares en corriente alterna (CA), la cual puede utilizarse para alimentar electrodomésticos e inyectarse a la red eléctrica. El principio de funcionamiento de un inversor solar se divide en tres etapas principales: conversión, control y salida. Conversión: El inversor solar recibe primero la corriente continua (CC) generada por los paneles solares. Esta CC suele presentarse en forma de voltaje fluctuante que varía con la intensidad de la luz solar. La función principal del inversor es convertir este voltaje CC variable en un voltaje CA estable y adecuado para el consumo. El proceso de conversión implica dos componentes clave: un conjunto de interruptores electrónicos de potencia (generalmente transistores bipolares de puerta aislada o IGBT) y un transformador de alta frecuencia. Los interruptores se encargan de activar y desactivar rápidamente la tensión de CC, creando una señal de pulso de alta frecuencia. A continuación, el transformador eleva la tensión al nivel de tensión de CA deseado. Control: La etapa de control de un inversor solar garantiza que el proceso de conversión funcione de forma eficiente y segura. Implica el uso de sofisticados algoritmos de control y sensores para monitorizar y regular diversos parámetros. Algunas funciones de control importantes incluyen: a. Seguimiento del Punto de Máxima Potencia (MPPT): Los paneles solares tienen un punto de funcionamiento óptimo, llamado punto de máxima potencia (MPP), donde producen la máxima potencia para una intensidad de luz solar dada. El algoritmo MPPT ajusta continuamente el punto de funcionamiento de los paneles solares para maximizar la potencia de salida mediante el seguimiento del MPP. b. Regulación de voltaje y frecuencia: El sistema de control del inversor mantiene un voltaje y una frecuencia de salida de CA estables, generalmente conforme a los estándares de la red eléctrica. Esto garantiza la compatibilidad con otros dispositivos eléctricos y permite una integración fluida con la red. c. Sincronización con la red: Los inversores solares conectados a la red sincronizan la fase y la frecuencia de la salida de CA con la red eléctrica. Esta sincronización permite al inversor devolver el exceso de energía a la red o extraer energía de ella cuando la producción solar es insuficiente. Producción: En la etapa final, el inversor solar suministra la electricidad CA convertida a las cargas eléctricas o a la red eléctrica. La salida se puede utilizar de dos maneras: a. Sistemas conectados a la red eléctrica: En los sistemas conectados a la red eléctrica, el inversor solar alimenta la electricidad de CA directamente a la red eléctrica. Esto reduce la dependencia de las centrales eléctricas basadas en combustibles fósiles y permite la medición neta, donde el exceso de electricidad generada durante el día se puede acreditar y utilizar durante los períodos de baja producción solar. b. Sistemas aislados: En estos sistemas, el inversor solar carga un banco de baterías además de suministrar energía a las cargas eléctricas. Las baterías almacenan el exceso de energía solar, que puede utilizarse durante periodos de baja producción solar o por la noche, cuando los paneles solares no generan electricidad. Características de los inversores solares: Eficiencia: Los inversores solares están diseñados para funcionar con alta eficiencia y maximizar el rendimiento energético del sistema fotovoltaico. Una mayor eficiencia se traduce en una menor pérdida de energía durante el proceso de conversión, lo que garantiza un mayor aprovechamiento de la energía solar. Potencia de salida: Los inversores solares están disponibles en diversas potencias, desde pequeños sistemas residenciales hasta grandes instalaciones comerciales. La potencia de salida de un inversor debe ser proporcional a la capacidad de los paneles solares para lograr un rendimiento óptimo. Durabilidad y confiabilidad: Los inversores solares están expuestos a condiciones ambientales variables, como fluctuaciones de temperatura, humedad y posibles sobretensiones. Por lo tanto, deben fabricarse con materiales robustos y diseñarse para soportar estas condiciones, garantizando así una fiabilidad a largo plazo. Monitoreo y Comunicación: Muchos inversores solares modernos incorporan sistemas de monitorización que permiten a los usuarios supervisar el rendimiento de su sistema solar fotovoltaico. Algunos inversores también pueden comunicarse con dispositivos externos y plataformas de software, proporcionando datos en tiempo real y permitiendo la monitorización y el control remotos. Características de seguridad: Los inversores solares incorporan diversas funciones de seguridad para proteger tanto al sistema como a quienes lo utilizan. Estas funciones incluyen protección contra sobretensión, sobrecorriente, detección de falla a tierra y protección contra el efecto isla, que impide que el inversor alimente la red durante cortes de suministro eléctrico. Clasificación de inversores solares por potencia nominal Los inversores fotovoltaicos, también conocidos como inversores solares, se pueden clasificar en diferentes tipos según su diseño, funcionalidad y aplicación. Comprender estas clasificaciones puede ayudar a seleccionar el inversor más adecuado para un sistema solar fotovoltaico específico. A continuación, se presentan los principales tipos de inversores fotovoltaicos clasificados por nivel de potencia: Inversor según nivel de potencia: dividido principalmente en inversor distribuido (inversor de cadena y microinversor), inversor centralizado Inversión de cadenaers: Los inversores de cadena son el tipo de inversor fotovoltaico más utilizado en instalaciones solares residenciales y comerciales. Están diseñados para gestionar múltiples paneles solares conectados en serie, formando una "cadena". El inversor de cadena fotovoltaica (1-5 kW) se ha convertido en el más popular en el mercado internacional gracias a su capacidad de seguimiento de picos de máxima potencia en el lado de CC y conexión a red en paralelo en el lado de CA. La electricidad de CC generada por los paneles solares se alimenta al inversor de cadena, que la convierte en electricidad de CA para su uso inmediato o para su exportación a la red eléctrica. Los inversores de cadena son conocidos por su simplicidad, rentabilidad y facilidad de instalación. Sin embargo, el rendimiento de toda la cadena depende del panel con menor rendimiento, lo que puede afectar la eficiencia general del sistema. Micro inversores: Los microinversores son pequeños inversores que se instalan en cada panel solar de un sistema fotovoltaico. A diferencia de los inversores de cadena, los microinversores convierten la corriente continua (CC) en corriente alterna (CA) directamente en el panel. Este diseño permite que cada panel funcione de forma independiente, optimizando así la producción total de energía del sistema. Los microinversores ofrecen varias ventajas, como el seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) a nivel de panel, un mejor rendimiento del sistema en paneles sombreados o desacoplados, mayor seguridad gracias a menores voltajes de CC y una monitorización detallada del rendimiento de cada panel. Sin embargo, el mayor coste inicial y la posible complejidad de la instalación son factores a considerar. Inversores centralizados: Los inversores centralizados, también conocidos como inversores de gran tamaño o de escala comercial (>10 kW), se utilizan comúnmente en instalaciones solares fotovoltaicas a gran escala, como parques solares o proyectos solares comerciales. Estos inversores están diseñados para gestionar altas entradas de CC de múltiples cadenas o conjuntos de paneles solares y convertirlas en CA para su conexión a la red eléctrica. La característica más importante es la alta potencia y el bajo costo del sistema, pero como el voltaje de salida y la corriente de diferentes cadenas fotovoltaicas a menudo no coinciden exactamente (especialmente cuando las cadenas fotovoltaicas están parcialmente sombreadas debido a la nubosidad, sombra, manchas, etc.), el uso de un inversor centralizado conducirá a una menor eficiencia del proceso de inversión y a un menor consumo de energía eléctrica del hogar. Los inversores centralizados suelen tener una mayor capacidad de potencia en comparación con otros tipos, desde varios kilovatios hasta varios megavatios. Se instalan en una ubicación central o estación inversora, y se conectan a ellos varias cadenas o conjuntos de paneles solares en paralelo. ¿Qué hace un inversor solar? Los inversores fotovoltaicos cumplen múltiples funciones, como la conversión de CA, la optimización del rendimiento de las células solares y la protección del sistema. Estas funciones incluyen el funcionamiento y apagado automáticos, el control de seguimiento de potencia máxima, la prevención del efecto isla (para sistemas conectados a la red eléctrica), el ajuste automático de tensión (para sistemas conectados a la red eléctrica), la detección de CC (para sistemas conectados a la red eléctrica) y la detección de CC a tierra (para sistemas conectados a la red eléctrica). Analicemos brevemente las funciones de funcionamiento y apagado automáticos y el control de seguimiento de potencia máxima. 1) Función de funcionamiento y apagado automático. Tras el amanecer, la intensidad de la radiación solar aumenta gradualmente, lo que se traduce en un aumento de la potencia de las células solares. Cuando se alcanza la potencia de salida requerida por el inversor, este se pone en funcionamiento automáticamente. Tras entrar en funcionamiento, el inversor monitoriza constantemente la potencia de salida de los componentes de la célula solar. Si la potencia de salida de los componentes de la célula solar es mayor que la potencia de salida requerida por el inversor, este continúa funcionando hasta que se detiene el sol, incluso si llueve. Cuando la potencia de salida del módulo de células solares disminuye y la del inversor se acerca a cero, el inversor entra en estado de espera. 2) Función de control de seguimiento de potencia máxima La salida del módulo de células solares varía con la intensidad de la radiación solar y la temperatura del propio módulo (temperatura del chip). Además, dado que el módulo solar tiene la característica de que el voltaje disminuye con el aumento de la corriente, existe un punto de funcionamiento óptimo que permite obtener la máxima potencia. La intensidad de la radiación solar cambia, por lo que obviamente el punto de funcionamiento óptimo también cambia. En relación con estos cambios, el punto de funcionamiento del módulo solar siempre se encuentra en el punto de máxima potencia, y el sistema siempre obtiene la máxima potencia de salida del módulo solar. Este tipo de control es el control de seguimiento de máxima potencia. La característica más importante del inversor utilizado en el sistema de generación de energía solar es la función de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT). Los principales indicadores técnicos del inversor fotovoltaico 1. Estabilidad del voltaje de salida En el sistema fotovoltaico, la energía eléctrica generada por la célula solar se almacena primero en la batería y luego se convierte en corriente alterna de 220 V o 380 V a través del inversor. Sin embargo, la batería se ve afectada por su propia carga y descarga, y su tensión de salida varía en un amplio rango. Por ejemplo, una batería de 12 V nominal tiene un valor de tensión que puede variar entre 10,8 y 14,4 V (más allá de este rango puede causar daños a la batería). Para un inversor calificado, cuando la tensión del terminal de entrada cambia dentro de este rango, la variación de su tensión de salida en estado estacionario no debe superar el ±5 % del valor nominal. Al mismo tiempo, cuando la carga cambia repentinamente, su desviación de la tensión de salida no debe superar el ±10 % del valor nominal. 2. Distorsión de la forma de onda del voltaje de salida Para inversores de onda sinusoidal, se debe especificar la distorsión de forma de onda (o contenido armónico) máxima admisible. Esta se expresa generalmente como la distorsión total de la forma de onda de la tensión de salida, y su valor no debe superar el 5 % (se permite el 10 % para la salida monofásica). Dado que la corriente armónica de alto orden emitida por el inversor generará pérdidas adicionales, como corrientes parásitas, en la carga inductiva, si la distorsión de forma de onda del inversor es demasiado grande, provocará un calentamiento importante de los componentes de la carga, lo que perjudica la seguridad de los equipos eléctricos y afecta gravemente la eficiencia operativa del sistema. 3. Frecuencia de salida nominal Para cargas que incluyen motores, como lavadoras, refrigeradores, etc., dado que el punto de funcionamiento de frecuencia óptimo de los motores es de 50 Hz, las frecuencias demasiado altas o demasiado bajas harán que el equipo se caliente, reduciendo la eficiencia operativa y la vida útil del sistema, por lo que la frecuencia de salida del inversor debe ser un valor relativamente estable, generalmente la frecuencia de potencia de 50 Hz, y su desviación debe estar dentro del ±1 % en condiciones normales de funcionamiento. 4. Factor de potencia de carga Caracterice la capacidad del inversor con carga inductiva o capacitiva. El factor de potencia de carga del inversor sinusoidal es de 0,7 a 0,9, y su valor nominal es 0,9. Para una determinada potencia de carga, si el factor de potencia del inversor es bajo, la capacidad requerida aumentará. Por un lado, aumentará el coste y, al mismo tiempo, la potencia aparente del circuito de CA del sistema fotovoltaico. A medida que aumenta la corriente, las pérdidas aumentan inevitablemente y la eficiencia del sistema disminuye. 5. Eficiencia del inversor La eficiencia del inversor se refiere a la relación entre su potencia de salida y la potencia de entrada en condiciones de trabajo específicas, expresada como un porcentaje. En general, la eficiencia nominal de un inversor fotovoltaico se refiere a una carga de resistencia pura. Bajo la condición de una eficiencia de carga del 80%. Dado que el coste total del sistema fotovoltaico es alto, la eficiencia del inversor fotovoltaico debe maximizarse para reducir el coste del sistema y mejorar la relación coste-beneficio del mismo. En la actualidad, la eficiencia nominal de los inversores convencionales está entre el 80% y el 95%, y se requiere que la eficiencia de los inversores de baja potencia no sea inferior al 85%. En el proceso de diseño real de un sistema fotovoltaico, no solo se debe seleccionar un inversor de alta eficiencia, sino que también se debe utilizar una configuración razonable del sistema para que la carga del sistema fotovoltaico funcione cerca del punto de mejor eficiencia tanto como sea posible. 6. Corriente de salida nominal (o capacidad de salida nominal) Indica la corriente de salida nominal del inversor dentro del rango de factor de potencia de carga especificado. Algunos inversores indican la capacidad de salida nominal, expresada en VA o kVA. La capacidad nominal del inversor es el producto de la tensión de salida nominal y la corriente de salida nominal cuando el factor de potencia de salida es 1 (es decir, carga puramente resistiva). 7. Medidas de protección Un inversor con un rendimiento excelente también debe tener funciones de protección completas o medidas para lidiar con diversas situaciones anormales que ocurren durante el uso real, a fin de proteger al inversor en sí y a otros componentes del sistema contra daños. 1) Ingrese a la cuenta del seguro de subtensión: Cuando el voltaje del terminal de entrada es inferior al 85% del voltaje nominal, el inversor debe tener protección y pantalla. 2) Protector de sobretensión de entrada: Cuando el voltaje del terminal de entrada es superior al 130% del voltaje nominal, el inversor debe tener protección y pantalla. 3) Protección contra sobrecorriente: La protección contra sobrecorriente del inversor debe garantizar una acción oportuna cuando la carga se cortocircuita o la corriente excede el valor admisible, para evitar daños por sobrecorriente. Cuando la corriente de trabajo supera el 150 % del valor nominal, el inversor debe poder protegerse automáticamente. 4) protección contra cortocircuitos de salida El tiempo de acción de protección contra cortocircuitos del inversor no debe superar los 0,5 s. 5) Protección contra polaridad inversa de entrada: Cuando los polos positivo y negativo del terminal de entrada se invierten, el inversor debe tener función de protección y pantalla. 6) Protección contra rayos: El inversor debe tener protección contra rayos. 7) Protección contra sobretemperatura, etc. Además, para los inversores sin medidas de estabilización de voltaje, el inversor también debe tener medidas de protección contra sobretensión de salida para proteger la carga contra daños por sobretensión. 8. Características iniciales Para caracterizar la capacidad del inversor para arrancar con carga y su rendimiento durante el funcionamiento dinámico, el inversor debe garantizar un arranque fiable con carga nominal. 9. Ruido Componentes como transformadores, inductores de filtro, interruptores electromagnéticos y ventiladores en equipos electrónicos de potencia generan ruido. Cuando el inversor funciona normalmente, su ruido no debe superar los 80 dB, y el de un inversor pequeño no debe superar los 65 dB. Habilidades de selección de inversores solares