¿Qué es y cómo funciona un inversor fotovoltaico?

Hoy vamos a analizar y describir qué es un un inversor solar fotovoltaico y que aplicaciones tienen dentro de una instalación solar fotovoltaica.

Funcionamiento de un inversor de corriente para paneles solares(convertidor):

Inversores estáticos:

Como concepto básico inicial debemos saber que los inversores estáticos se usan para efectuar la conmutación, con ayuda de dispositivos semiconductores de potencia, los cuales funcionan únicamente de dos modos:

  • modo corte (off)
  • modo saturación (on).

Por ello, la señal alterna de salida que se obtiene es cuadrada para ese tipo de conversión.

Posteriormente, hay que saber que la señal cuadrada puede convertirse en sinusoidal mediante filtros de potencia. El proceso de filtrado de los armónicos más cercano al fundamental requiere voluminosos condensadores y bobinas que reducirán el rendimiento del sistema, así como dispositivos de conexión / desconexión de los mismos.

Por esto, un objetivo a tener en cuenta cuando se diseñan inversores fotovoltaicos en fase de fabricación, es obtener señales de salida, en las cuales los armónicos que aparezcan sean de pequeño valor. Esto se conseguirá aumentando la frecuencia de conmutación de los semiconductores y filtrando adecuadamente la señal obtenida.

Una de las funciones que debe cumplir cualquier inversor solar es la de regular el valor de la tensión de salida. Esto se consigue básicamente de tres distintas formas:

  • regulando la tensión antes del inversor (convertidores DC/DC)
  • regulando la tensión en el propio inversor mediante un sistema de control (variando el ángulo de fase, mediante modulación de ancho de pulso (PWM))
  • o regulando a la salida del inversor (mediante un auto-transformador)

Especificaciones básicas de los inversores fotovoltaicos:

Antes de afrontar el diseño de una instalación fotovoltaica de autoconsumo, debemos tener en cuenta que en el mercado podemos encontrar, fundamentalmente, dos tipos de inversores solares.

Hablamos de inversores fotovoltaicos para instalaciones aisladas (es decir, con baterías) e inversores para conexión a red o autoconsumo. Este último tipo de inversor, el de instalaciones de autoconsumo y conexión a red, es al que hacemos referencia en esta sección de nuestra web.

Las especificaciones eléctricas fundamentales para cualquier instalación inversor fotovoltaico existentes en el mercado son:

  • Tensión Nominal.– Es la tensión que se debe aplicar a los terminales de entrada del inversor.
  • Potencia Nominal.– Es la potencia que puede suministrar el inversor de forma continuada.
  • Capacidad de sobrecarga.– Se refiere a la capacidad del inversor para suministrar una potencia considerablemente superior a la nominal, así como el tiempo que puede mantener esta situación.
  • Tensión de entrada de arranque: Tensión de entrada a partir de la cual el inversor empieza a verter energía a la red.
  • Tensión máxima del MPP: tensión máxima de seguimiento de máxima potencia.
  • Tensión mínima del MPP: tensión mínima de seguimiento de máxima potencia.
  • Corriente máxima de entrada: máxima corriente a la cual puede funcionar el inversor. Si el inversor tiene múltiples MPPT (seguimientos del punto de máxima potencia), Iccmáx se relaciona con cada una de las entradas individuales.
  • Eficiencia (ó rendimiento).– Es la relación, expresada en tanto por ciento, entre las potencias presentes a la salida y a la entrada del inversor. Su valor depende de las condiciones de carga del mismo, es decir de la potencia total de los aparatos de consumo alimentados por el inversor en relación con su potencia nominal.

Tipos de inversores fotovoltaicos:

El tipo de inversor solar se clasifica generalmente atendiendo a dos criterios:

  • su aplicación
  • su forma de onda.

Y más ampliamente, podemos hablar de dos grupos:

  • el inversor fotovoltaico de conexión a red, como por ejemplo, los SMA Sunny Boy.
  • el inversor fotovoltaico para sistemas de 12V, 24V.. con baterías.

Inversores para instalaciones aisladas y con baterías:

Son los utilizados en los sistemas fotovoltaicos autónomos o aislados de la red eléctrica externa. Entre las variantes de este tipo de inversores de 12V 220V para sistemas fotovoltaicos aislados existentes en el mercado destacan:

  • Entrada de Batería.- Es el más común, en el que la entrada del inversor se conecta única y directamente a la batería solar. Este tipo de inversores suelen disponer de la función de protección contra la sobredescarga de la batería, ya que esta conexión directa constituye una línea de consumo no controlada por el regulador.
  • Entradas de Batería y Campo Fotovoltaico.- Este tipo incluye un regulador de carga interno que posibilita la conexión directa del campo FV y hace innecesario el uso de un regulador externo.
  • Entradas de Batería y Generador Auxiliar.- Permite la conexión directa de un grupo electrógeno auxiliar, posibilitando la carga de las baterías mediante una fuente distinta a la solar (función de cargador), y la alimentación directa del consumo mediante dicho grupo (función generador).
  • Salida alterna y continua.- Hay inversores que disponen de doble salida, alterna y continua, diseñados especialmente para su utilización en sistemas que precisan estos dos tipos de alimentación.

Inversores fotovoltaicos para conexión a red:

Son los utilizados en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica externa, bien para venta de energía o bien para autoconsumo. Este tipo de inversor, llamado habitualmente inversor solar para conexión a red , debe disponer de unas característica y cumplir unos requisitos reglamentarios específicos.

Clasificación según su forma de onda:

  • De onda cuadrada.- Característica de algunos inversores económicos de baja potencia, aptos para la alimentación exclusiva de aparatos puramente resistivos, como elementos de iluminación y otros.
  • De onda cuadrada modulada.- También característica de inversores de baja potencia, pero con un espectro de posibles elementos de consumo más amplio que el tipo anterior, que incluye alumbrado, pequeños motores y equipos electrónicos no muy sensibles a la señal de alimentación.
  • De onda senoidal pura.- Este tipo de inversores proporciona una forma de onda a su salida que, a efectos prácticos, se puede considerar idéntica a la de la red eléctrica general, permitiendo así la alimentación de cualquier aparato de consumo o, en su caso la conexión a red.
  • De onda senoidal modificada (o trapezoidal).- Intermedio entre los dos anteriores, permite ampliar el espectro de elementos de consumo y de potencia, limitado en el de onda cuadrada modulada.

Rendimiento de un inversor fotovoltaico:

La eficiencia de todos los inversores se ve afectada no sólo por las pérdidas producidas por la conmutación, sino también por las pérdidas debidas a elementos pasivos, como son los transformadores, filtros, condensadores, etc....

Así el término eficiencia de la conversión del sistema completo, el cual incluye filtros de entrada, dispositivos de conmutación, filtros de salida y transformador es más apropiado que únicamente la eficiencia del inversor.

Los inversores generalmente tienen una eficiencia a plena carga de entre el 90 y 94% para sistemas de baja tensión de entrada (400 V), e incluso superiores como en casos de fabricantes de inversor SMA o de los modelos de inversor Fronius.

En general la eficiencia de un inversor es mayor en los inversores con bajas pérdidas en vacío, y la eficiencia crece si la tensión continua de entrada de los paneles fotovoltaicos crece.

Conexionado a la red eléctrica:

El flujo de energía eléctrica normalmente siempre va en el sentido de las cargas, cuando se produce un corte en la red eléctricael inversor se tiene que parar y dejar de inyectar a la red eléctrica.

Esquema eléctrico de un sistema de autoconsumo con inversores solares

Los requerimientos básicos exigidos a los inversores solares para autoconsumo y conexión a red son, entre otros:

  • La instalación fotovoltaica debe considerarse como parte de un componente de la red eléctrica.
  • El inversor debe cumplir las especificaciones exigidas de la red eléctrica.
  • La seguridad de los operadores debe tenerse siempre en cuenta (pueden existir partes activas desconocidas).
  • Las instalaciones fotovoltaicas no deberán entregar energía a una línea eléctrica sin protecciones.
  • La desconexión del inversor debe ser automática en cuanto aparezca un fallo.
  • Deberá existir un punto de fácil desconexión (interruptor frontera) que sea accesible a los empleados de la compañía eléctrica en cualquier momento.
  • Los inversores deberán operar con factor de potencia igual a uno.
  • Se deberá efectuar aislamiento eléctrico entre la instalación fotovoltaica y la red.
  • Si la señal de salida del inversor excede de las condiciones predefinidas para la operación (sobre/subtensión, sobre/subfrecuencia) el inversor debe desconectarse automáticamente de la red.
  • Se posibilitará la nueva conexión después de un cierto tiempo (3 minutos normalmente), tiempo que el sistema de control y protección de red espera para intentar una nueva conexión.

Si necesita precio de inversores solares para conexión a red o autoconsumo, o soporte técnico, no dude en ponerse en contacto con nosotros. Estaremos encantados de atenderle y hacerle llegar nuestra propuesta de suministro sin compromiso.

Calidad de la señal:

Las dos principales cuestiones técnicas a tener en cuenta en un inversor desde el punto de vista de calidad de la señal son: el factor de potencia y la distorsión armónica. El contenido armónico en la señal de salida de un inversor para uso fotovoltaico es difícil de fijar debido a que no hay mucha información disponible.

Los efectos de la distorsión armónica en la propia red eléctrica y en las cargas conectadas a ella no están suficientemente estudiados y además existen múltiples dificultades para medir la distorsión obtenida.

Dentro de todas las especificaciones, las de la corriente se deben tener mas en cuenta que las de voltaje, ya que los armónicos de corriente son los que más problemas causan y porque es más fácil para el fabricante de equipos demostrar el total cumplimiento de la especificación de inyección de corriente.

Esta especificación normalmente se da en términos de distorsión armónica total (THD). La magnitud que representa a cualquiera de los armónicos por separado se denomina distorsión armónica simple (SHD) y es igualmente interesante para las compañías eléctricas.

Los valores normalmente utilizados para ambas distorsiones son el 5% y el 3% respectivamente.

Aislamiento eléctrico de un inversor:

Otra necesidad de considerable importancia en la conexión con la red eléctrica es la obtención de un adecuado aislamiento. Este se puede obtener mediante un transformador situado entre la red y el inversor (aunque algunos ya lo incorporan de serie). El aislamiento galvánico es obligado por motivos de seguridad.

Tensión de voltaje en bornes inversores solares con y sin transformador

En principio, varios reglamentos de países de la UE indican que no se puede conectar inversores a la red a menos que se prevea alguna forma de aislamiento. La instalación fotovoltaica y la compañía eléctrica deberán utilizar protecciones que logren interrumpir corrientes de fallo en continua. Un fallo en el inversor con niveles de continua puede saturar el transformador de distribución de la compañía eléctrica y causar mal funcionamiento del servicio a otros abonados.

Protecciones:

Los inversores actuales suelen incluir el control de todo el sistema. Esto incluye detectar que el campo fotovoltaico tenga suficiente potencia como para poder conectarse a la red, cerrando en ese momento un contactor y comenzando a operar tan pronto como haya luz solar. Por la noche el inversor deberá estar totalmente desconectado.

La lógica de control del inversor fotovoltaico incluirá un sistema de protección que detecte situaciones de funcionamiento anormales como son:

  • Falta a tierra en continua.
  • Condiciones anormales en la red eléctrica (tensión, frecuencia, etc..)
  • Pérdidas en una fase.
  • Parada del inversor solar.

El inversor solar deberá estar protegido contra transitorios de tensión mediante varistores en el lado de continua y alterna. Si desea presupuesto y precio de inversor solar para su proyecto fotovoltaico, no dude en ponerse en contacto con nosotros. Somos distribuidores desde el año 2007.

Norma IP para Inversores:

La norma IP indica el nivel de protección que tienen los equipos eléctricos ante agentes exteriores (intemperie), como el polvo y el agua.

Para saber interpretarla, basta con saber que el Grado IP posee dos cifras, la primera se refiere al grado de protección del equipo frente al polvo y la segunda cifra hace referencia a la protección frente al agua.

Para poder identificarlos, estas son las tablas de referencia:

Grado de protección contra el polvo:

 

Grado de Protección Tamaño del objeto entrante Efectivo contra…
0 Sin protección
1 <50 mm El elemento que debe utilizarse para la prueba (esfera de 50 mm de diámetro) no debe llegar a entrar por completo.
2 <12.5 mm El elemento que debe utilizarse para la prueba (esfera de 12,5 mm de diámetro) no debe llegar a entrar por completo.
3 <2.5 mm El elemento que debe utilizarse para la prueba (esfera de 2,5 mm de 4
4 <1 mm El elemento que debe utilizarse para la prueba (esfera de 1 mm de diámetro) no debe llegar a entrar por completo.
5 Protección contra polvo La entrada de polvo no puede evitarse, pero el mismo no debe entrar en una cantidad tal que interfiera con el correcto funcionamiento del equipamiento.
6 Protección fuerte contra polvo El polvo no debe entrar bajo ninguna circunstancia.

Grado de protección contra el agua:

 

Nivel Protección frente a Método de prueba Resultados
0 Sin protección. Ninguno El agua entrará en el equipamiento en poco tiempo.
1 Goteo de agua Se coloca el equipamiento en su lugar de trabajo habitual. No debe entrar el agua cuando se la deja caer, desde 200 mm de altura respecto del equipo, durante 10 minutos (a razón de 3-5 mm³ por minuto)
2 Goteo de agua Se coloca el equipamiento en su lugar de trabajo habitual. No debe entrar el agua cuando se la deja caer, durante 10 minutos (a razón de 3-5 mm³ por minuto). Dicha prueba se realizará cuatro veces, a razón de una por cada giro de 15°, tanto en sentido vertical como horizontal, partiendo cada vez de la posición normal de trabajo.
3 Agua nebulizada. (spray) Se coloca el equipamiento en su lugar de trabajo habitual. No debe entrar el agua nebulizada en un ángulo de hasta 60° a derecha e izquierda de la vertical a un promedio de 11 litros por minuto y a una presión de 80-100 kN/m² durante un tiempo que no sea menor a 5 minutos.
4 Chorros de agua Se coloca el equipamiento en su lugar de trabajo habitual. No debe entrar el agua arrojada desde cualquier ángulo a un promedio de 10 litros por minuto y a una presión de 80-100 kN/m² durante un tiempo que no sea menor a 5 minutos.
5 Chorros de agua. Se coloca el equipamiento en su lugar de trabajo habitual. No debe entrar el agua arrojada a chorro (desde cualquier ángulo) por medio de una boquilla de 6,3 mm de diámetro, a un promedio de 12,5 litros por minuto y a una presión de 30 kN/m² durante un tiempo que no sea menor a 3 minutos y a una distancia no menor de 3 metros.
6 Chorros muy potentes de agua. Se coloca el equipamiento en su lugar de trabajo habitual. No debe entrar el agua arrojada a chorros (desde cualquier ángulo) por medio de una boquilla de 12,5 mm de diámetro, a un promedio de 100 litros por minuto y a una presión de 100 kN/m² durante no menos de 3 minutos y a una distancia que no sea menor de 3 metros.
7 Inmersión completa en agua. El objeto debe soportar sin filtración alguna la inmersión completa a 1 metro durante 30 minutos. No debe entrar agua.
8 Inmersión completa y continua en agua. El equipamiento eléctrico / electrónico debe soportar (sin filtración alguna) la inmersión completa y continua a la profundidad y durante el tiempo que especifique el fabricante del producto con el acuerdo del cliente, pero siempre que resulten condiciones más severas que las especificadas para el valor 7. No debe entrar agua
9K Potentes chorros de agua a alta temperatura Protegido en contra de chorros de corto alcance a alta presión y de alta temperatura. Duración del Test:

Volumen de agua: 14–16 litros por minuto
Presión: [8000–10000 kPa / 80–100 Bar] distancia de 0.1–0.15 m
Temperatura del agua: 80 °C

 

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Artículo elaborado por el departamento técnico de SunFields Europe: Proveedor de Equipos de Energía Solar

 

José Alfonso Alonso Lorenzo

José Alfonso Alonso Lorenzo

Profesional Fotovoltaico desde 2006.

  • Ingeniero técnico Industrial por la Escuela Politécnica de Ferrol.
  • Experto en Solar Fotovoltaica por el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas de Madrid en 2009-2010.
  • Experto Profesional en Energía Fotovoltaica, por la UNED 2010-2011.
  • Gerente y Responsable de Compras en SunFields Europe desde 2010.
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