Funcionamiento de inversores fotovoltaicos

Los inversores fotovoltaicos funcionan convirtiendo la corriente continua (CC) de los paneles solares en corriente alterna (CA) utilizada por los dispositivos eléctricos. En un sistema solar, gestionan y optimizan el flujo de energía, asegurando eficiencia y protección.

Las características básicas de los inversores incluyen alta eficiencia de conversión, resistencia a sobrecargas y condiciones ambientales, y protecciones eléctricas. Los inversores modernos tienen seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para maximizar la producción de energía.

Cuando se va la luz, los inversores solares en sistemas conectados a la red se apagan para evitar riesgos, mientras que los que tienen baterías pueden seguir suministrando energía a dispositivos esenciales. La calidad de la señal de los inversores fotovoltaicos determina si puede utilizarse con aparatos electrónicos sensibles. Los mejores inversores producen una onda sinusoidal pura y baja distorsión armónica total (THD), y garantizan una corriente alterna limpia y eficiente.

¿Cómo funciona un inversor solar?

El inversor solar funciona cuando recibe la energía fotovoltaica generada por los paneles solares en forma corriente continua. Luego el inversor transforma la corriente continua en corriente alterna con la frecuencia que utilizan los aparatos eléctricos de la vivienda.

El funcionamiento eléctrico de los inversores consiste en realizar una conmutación eléctrica con la ayuda de dispositivos semiconductores de potencia, que funcionan sólo en dos modos: modo de corte (apagado) y modo de saturación (encendido).

Inicialmente la señal de salida alterna obtenida en el inversor es cuadrada para este tipo de conversión. Esta señal cuadrada se convierte en una señal sinusoidal mediante filtros de potencia. El requiere condensadores y bobinas que reducen el rendimiento del sistema, así como dispositivos para conectarlos/desconectarlos.

Los inversores fotovoltaicos obtienen señales de salida con una distorsión armónica mínima para no tener problemas con la red. Esto se consigue aumentando la frecuencia de conmutación de los semiconductores y filtrando la señal adecuadamente.

Los inversores fotovoltaicos regulan el valor de la tensión de salida. Esto se consigue de 3 formas diferentes.

• Regulando la tensión antes del inversor (convertidores CC/CC): Este método consiste en ajustar la tensión CC antes de que llegue al inversor.
• Regulación de la tensión en el inversor: mediante un sistema de control, como la variación del ángulo de fase o la modulación por ancho de pulsos (PWM), el inversor ajusta directamente la tensión de salida.
• Regulación a la salida del inversor (mediante un autotransformador): Este método utiliza un autotransformador para ajustar la tensión de salida después del proceso de inversión.

¿Qué función cumple un inversor en una sistema fotovoltaico?

La función principal de un inversor en un sistema fotovoltaico es convertir la electricidad de corriente continua (CC) generada por los paneles solares en electricidad de corriente alterna (CA), que puede ser utilizada por los electrodomésticos e inyectada en la red eléctrica.

8 funciones adicionales de un inversor en un sistema fotovoltaico se listan a continuación.

• Seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT): el inversor optimiza la potencia de salida de los paneles solares ajustando continuamente la carga eléctrica para garantizar que los paneles funcionen con la máxima eficiencia (tensión y corriente). La tecnología MPPT garantiza que los paneles solares produzcan la máxima potencia posible en condiciones variables, como cambios en la intensidad de la luz solar y la temperatura.
• Sincronización con la red: El inversor fotovoltaico garantiza que la salida de electricidad de alterna coincida con la frecuencia y la tensión de la red de suministro. Esta sincronización es necesaria para que los sistemas conectados a la red integren la energía solar sin problemas con la red, evitando cualquier interrupción en el suministro eléctrico.
• Seguridad y protección: El inversor dispone de mecanismos de protección como la protección anti isla, la protección contra sobretensión y la protección contra cortocircuitos. La función antiisla impide que el inversor siga suministrando energía a la red durante un corte de suministro, protegiendo así a los trabajadores de la compañía eléctrica que puedan estar realizando tareas de mantenimiento en la red de suministro. Las protecciones contra sobretensiones y cortocircuitos protegen el sistema de fallos eléctricos.
• Monitorización de la energía: El inversor controla el rendimiento de la instalación fotovoltaica en tiempo real. Muchos inversores modernos incorporan funciones de monitorización que permiten a los usuarios consultar la producción de energía, el consumo y el rendimiento del sistema a través de aplicaciones móviles o páginas web.
• Regulación de la tensión: El inversor mantiene una tensión de salida estable para garantizar que la potencia suministrada a los aparatos y a la red esté dentro de unos límites aceptables, lo que es esencial para el funcionamiento seguro de los dispositivos eléctricos.
• Filtrado de armónicos: El inversor reduce los armónicos de la señal de salida para producir una forma de onda de alterna más limpia. Los inversores utilizan técnicas de filtrado para minimizar la distorsión armónica, que puede afectar al rendimiento y la vida útil de los dispositivos eléctricos.
• Gestión de la batería (en sistemas híbridos y aislados): El inversor gestiona la carga y descarga de las baterías en los sistemas fotovoltaicos híbridos y aislados. De este modo controlan la forma en que la energía generada se almacena en las baterías y se utiliza posteriormente, optimizando el uso de la energía y mejorando la fiabilidad del sistema.
• Comunicación e integración: Los inversores pueden integrarse con sistemas domésticos inteligentes, sistemas de gestión de la energía y redes eléctricas para optimizar la eficiencia energética global y proporcionar un mejor control sobre el uso de la energía.

¿Qué características básicas tiene un inversor solar?

Las 9 características básicas de un inversor solar para cualquier instalación son las de la siguiente lista.

• 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.

¿Cuál es la eficiencia de un inversor solar?

Los inversores solares fotovoltaicos tienen una eficiencia de conversión de electricidad que varía entre el 90% y el 98%.

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 tienen una eficiencia a plena carga de entre el 90 y 94% para sistemas de baja tensión de entrada (400 V). La eficiencia es superior en el caso de de fabricantes de inversor SMA o de los modelos de inversor Fronius y aún más (97%) en el caso de los microinversores Enphase.

La eficiencia de un inversor solar 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.

¿Cuánto gasta un inversor sin carga?

El consumo de energía de un inversor sin carga, también conocido como consumo de energía en espera o en reposo, oscila entre el 1% y el 2% de su capacidad nominal. Por ejemplo, un inversor de 1.000 vatios consume entre 10 y 20 vatios en reposo, sin conectar ninguna carga.

Esto significa que incluso cuando el inversor fotovoltaico no está convirtiendo CC en CA, sigue utilizando una pequeña cantidad de electricidad para mantener sus componentes electrónicos internos listos para funcionar.

El consumo exacto sin carga varía en función del diseño y la eficiencia del inversor. Los inversores de alta calidad tienen un menor consumo en espera debido a que utilizan componentes más eficientes y a una mejor ingeniería.

¿Cómo funciona un inversor cuando se va la luz?

Cuando se va la luz, el funcionamiento de un inversor varía según el tipo de sistema del que forme parte: conectado a la red, aislado de la red o híbrido. En este sentido, el inversor puede apagarse automáticamente o continuar suministrando electricidad al sistema utilizando las baterías.

En un sistema conectado a la red, el inversor solar se apaga automáticamente durante un corte de electricidad para evitar inyectar electricidad a la red, una función de seguridad conocida como anti-isla. Este comportamiento es obligatorio (Norma UNE EN 50438, IEC 62116, UNE 206006:2011 IN y UNE 206007-1 IN:2013) para proteger a los trabajadores de la compañía eléctrica que puedan estar reparando líneas eléctricas.

Aunque los paneles solares generen electricidad, el hogar no tendrá electricidad a menos que haya una fuente alternativa, como una batería de reserva o un generador.

En cambio, los sistemas híbridos y aislados de la red pueden seguir funcionando durante un apagón.

En los sistemas aislados, el inversor extrae la energía del almacenamiento en baterías y la convierte de CC a CA para abastecer al hogar, garantizando una electricidad continua independiente de la red.

Los sistemas híbridos, que combinan características de conexión a la red y aislados, cambian a la energía de la batería cuando la red se cae. El inversor híbrido se desconecta de la red y utiliza la energía almacenada en las baterías para mantener el suministro eléctrico, proporcionando una transición fluida y electricidad ininterrumpida.

¿Cuánto dura un inversor durante un corte de luz con batería?

La duración durante la cual un inversor solar puede suministrar energía durante un corte en la batería depende de varios factores: la capacidad del banco de baterías, el consumo de energía de las cargas conectadas y la eficiencia del inversor.

Por ejemplo, una batería de 10 kWh puede proporcionar 1 kW de potencia durante 10 horas o 2 kW durante 5 horas. Si un hogar consume 2 kW por hora, una batería de 10 kWh duraría aproximadamente 5 horas. Añadiendo la eficiencia de un inversor del 85-95%, la duración del sistema funcionando será alrededor de 4 horas.

¿Cómo funciona la calidad de la señal de un inversor solar?

La calidad de la señal de un inversor solar es fundamental para el funcionamiento eficaz y seguro de los sistemas fotovoltaicos. Desde el punto de vista de la calidad de la señal, hay que tener en cuenta dos aspectos técnicos fundamentales: el factor de potencia y la distorsión armónica.

El factor de potencia mide la eficacia con la que el inversor fotovoltaico convierte la potencia de CC en potencia de CA, mientras que la distorsión armónica evalúa la pureza de la señal de salida de CA.

Factor de potencia

El factor de potencia es la relación entre la potencia real (utilizada para realizar trabajo) y la potencia aparente (potencia total dentro del circuito). Un factor de potencia cercano a 1 (100%) indica que el inversor está convirtiendo eficientemente casi toda la potencia en electricidad de CA utilizable con pérdidas mínimas. Los inversores suelen estar diseñados para mantener un factor de potencia alto (90-97%), lo que garantiza que la electricidad suministrada a la red o a los electrodomésticos sea eficiente y minimice el desperdicio de energía.

Distorsión armónica

La distorsión armónica, en particular la distorsión armónica total (THD), es una medida crítica de la calidad de la señal de un inversor. Los armónicos son desviaciones de la forma de onda sinusoidal ideal de la alimentación de CA, causadas por el proceso de conmutación del inversor. Estas distorsiones pueden causar diversos problemas en el sistema eléctrico, como el sobrecalentamiento de los equipos, problemas con la red de suministro, interferencias con las señales de comunicación y una menor eficiencia de los dispositivos eléctricos.

Para mitigar estos problemas, los fabricantes de inversores se centran en diseñar productos con distorsión armónica baja, incorporando a menudo técnicas avanzadas de filtrado electrónico para minimizar el contenido armónico.

¿Cómo funciona el aislamiento de un inversor?

El aislamiento de un inversor, especialmente en los sistemas conectados a la red, es crucial para garantizar la seguridad y la fiabilidad operativa. El aislamiento adecuado puede conseguirse por varios medios, siendo el más común el uso de transformadores.

Los inversores incorporan transformadores que proporcionan aislamiento galvánico entre el inversor y la red. El aislamiento galvánico es una medida de seguridad que garantiza que no haya conexión eléctrica directa entre el lado de CC (paneles solares) y el lado de CA (red), evitando así corrientes de fallo e interferencias eléctricas.

Los transformadores dentro del inversor sirven para evitar que las corrientes de fallo lleguen a la red, mejorar la seguridad reduciendo el riesgo de descargas eléctricas y daños en los equipos, y mejorar la fiabilidad del sistema manteniendo la estabilidad y evitando que los fallos se propaguen.

Los requisitos normativos de muchos países de la Unión Europea estipulan que los inversores no pueden conectarse a la red sin algún tipo de aislamiento. Estas normativas garantizan que las instalaciones fotovoltaicas cumplan las normas legales, protegen los transformadores de distribución de la red pública de la saturación debida a las corrientes de fallo de CC y mantienen unos altos niveles de seguridad tanto para los instaladores como para los usuarios finales.

El uso de un transformador dentro del inversor o como componente externo ayuda a igualar los niveles de tensión entre el sistema fotovoltaico y la red, a aislar los fallos para proteger el sistema fotovoltaico y la red, y a proporcionar protección contra picos de tensión y perturbaciones transitorias.

Existen inversores sin transformador, que utilizan técnicas electrónicas avanzadas para lograr el aislamiento sin un transformador físico que los hace más ligeros y más eficientes.

¿Qué protecciones tienen los inversores fotovoltaicos?

Los inversores fotovoltaicos están equipados con varios mecanismos de protección para garantizar un funcionamiento seguro, fiable y eficiente. Estas protecciones protegen al propio inversor, al sistema fotovoltaico y a la red.

Las 10 protecciones principales que tienen los inversores fotovoltaicos se resumen en la siguiente lista.

1. Protección contra sobretensiones: Protege contra picos de tensión desconectando o reduciendo la tensión de salida.
2. Protección contra baja tensión: Desconecta o reduce la salida si la tensión baja demasiado.
3. Protección contra sobrecorriente: Limita o desconecta el flujo de corriente cuando supera los niveles de seguridad.
4. Protección contra cortocircuitos: Desconecta el inversor en caso de cortocircuito para evitar daños.
5. Protección contra fallo a tierra: Detecta corrientes de fuga y desconecta para evitar descargas e incendios.
6. Protección anti-isla: Apaga el inversor durante los cortes de red para proteger a los trabajadores de la compañía eléctrica.
7. Protección contra sobrecalentamiento: Supervisa y controla la temperatura del inversor para evitar sobrecalentamientos.
8. Dispositivo de corriente residual (RCD): Desconecta el inversor cuando detecta corrientes de fuga.
9. Monitorización de cadenas: Detecta fallos a nivel de cadena para un rápido aislamiento y mantenimiento.
10. Protección IP: La clasificación IP indica el nivel de protección contra el polvo y el agua. Las clasificaciones superiores, como IP66 o IP67, ofrecen una protección aún mayor contra condiciones más duras.

¿Cómo se dimensiona un inversor solar?

El inversor solar se dimensiona con un 25% más de la potencia de los paneles, para un mejor aprovechamiento del inversor y para que funcione el mayor tiempo posible al 100% de su capacidad.

Por ejemplo, si tenemos 10kW de paneles solares instalados, la potencia seleccionada del inversor sería de 12,5kW. De este modo, se tienen en consideración las pérdidas de potencia de los paneles (temperatura, orientación, inclinación, envejecimiento, suciedad..) como las del propio sistema (protecciones, cableado…).

Sin embargo, todo cálculo y dimensionado de un inversor siempre debe ser realizado por un profesional así como su instalación.