Inversor solar

La corriente alterna convencional presenta un patrón de voltaje sinusoidal que se repite durante un período definido. Esto significa que, durante un ciclo, el voltaje pasa por cero dos veces. En los sistemas europeos, el voltaje en el enchufe tiene un máximo de 230  V y se repite 50 veces por segundo, lo que implica que hay 100 veces por segundo en las que el voltaje es cero. En cambio, los sistemas derivados de Norteamérica funcionan a 120  V y 60  Hz, es decir, con 120 ciclos de voltaje cero por segundo.

Los inversores económicos pueden convertir corriente continua (CC ) en corriente alterna (CA) simplemente encendiendo y apagando el lado de CC 120 veces por segundo, invirtiendo el voltaje en cada ciclo alterno. El resultado es una onda cuadrada lo suficientemente cercana a la corriente alterna para muchos dispositivos. Sin embargo, este tipo de solución no es útil en el caso de la energía solar, donde el objetivo es convertir la mayor cantidad posible de energía solar en CA. Si se utilizan estos inversores económicos, toda la energía generada durante el tiempo en que el lado de CC está apagado se pierde, lo que representa una cantidad significativa en cada ciclo.

Para solucionar esto, los inversores solares utilizan algún tipo de almacenamiento de energía para amortiguar la potencia del panel durante los periodos de cruce por cero. Cuando la tensión de la corriente alterna supera la tensión almacenada, esta se descarga en la salida junto con la energía que el panel esté generando en ese instante. De esta forma, la energía producida por el panel durante todo el ciclo se envía finalmente a la salida.

El problema de este enfoque radica en que la cantidad de energía almacenada necesaria al conectarse a un panel solar moderno típico solo puede proporcionarse de forma económica mediante el uso de condensadores electrolíticos . Estos son relativamente económicos, pero presentan modos de degradación bien conocidos que limitan su vida útil a aproximadamente una década. Esto ha generado un intenso debate en el sector sobre la conveniencia de los microinversores, ya que cuando estos condensadores comienzan a fallar al final de su vida útil prevista, su reemplazo requiere la retirada de los paneles, a menudo ubicados en el tejado.

En comparación con la corriente doméstica normal de dos cables, la corriente en el lado de distribución de la red eléctrica utiliza tres cables y fases. En cualquier instante dado, la suma de estos tres es siempre positiva (o negativa). Por lo tanto, si bien cualquier cable en un sistema trifásico experimenta cruces por cero exactamente de la misma manera que la corriente doméstica, el sistema en su conjunto no; simplemente fluctúa entre el valor máximo y uno ligeramente inferior.

Un microinversor diseñado específicamente para alimentación trifásica puede eliminar gran parte del almacenamiento necesario simplemente seleccionando el cable más cercano a su voltaje de operación en cada instante. Un sistema sencillo podría seleccionar el cable más cercano al voltaje máximo y cambiar a la siguiente línea cuando esta comience a aproximarse al máximo. En este caso, el sistema solo necesita almacenar la cantidad de energía desde el pico hasta el mínimo del ciclo completo, lo cual es mucho menor tanto en términos de diferencia de voltaje como de tiempo.

Esto se puede mejorar aún más seleccionando el cable que esté más cerca de su propio voltaje de CC en un instante dado, en lugar de cambiar de uno a otro simplemente mediante un temporizador. En cualquier instante dado, dos de los tres cables tendrán un voltaje positivo (o negativo), y usar el que esté más cerca del lado de CC permitirá aprovechar pequeñas mejoras en la eficiencia del hardware de conversión.

La reducción, o incluso la eliminación total, de los requisitos de almacenamiento de energía simplifica el dispositivo y elimina el componente que, en teoría, determinaría su vida útil. En lugar de una década, se podría diseñar un microinversor trifásico con una vida útil equivalente a la del panel. Este dispositivo también sería menos costoso y menos complejo, aunque implicaría que cada inversor deba conectarse a las tres líneas, lo que posiblemente conllevaría un mayor cableado.

La principal desventaja del concepto de inversor trifásico es que solo las instalaciones con suministro trifásico pueden beneficiarse de estos sistemas. El suministro trifásico es fácilmente accesible en instalaciones comerciales y de servicios públicos , y estos mercados fueron los que se diseñaron. Sin embargo, las principales ventajas del concepto de microinversor radican en la gestión del sombreado y la orientación de los paneles, problemas que, en el caso de sistemas grandes, se solucionan fácilmente reubicando los paneles. Los beneficios del microinversor trifásico son muy limitados en comparación con el caso residencial, donde el espacio disponible es reducido.

En 2014, los expertos consideraban que los microinversores trifásicos aún no habían alcanzado un precio que justificara sus ventajas. Además, se preveía que los costes de cableado para los microinversores trifásicos serían más elevados.

Es importante contrastar un inversor trifásico nativo con tres microinversores monofásicos conectados para generar energía trifásica. Esta última configuración es relativamente común en la mayoría de los diseños de inversores, ya que permite conectar tres inversores idénticos entre sí, cada uno a través de un par de cables en un circuito trifásico. El resultado es energía trifásica, pero cada inversor del sistema genera energía monofásica. Este tipo de soluciones no aprovechan la reducción de las necesidades de almacenamiento de energía descritas anteriormente.

Los paneles solares producen corriente continua a un voltaje que depende del diseño del módulo y de las condiciones de iluminación. Los módulos modernos que utilizan celdas de 6 pulgadas suelen contener 60 celdas y producen un voltaje nominal de 24-30 V. ^{[ 17 ]} (por lo que los inversores están preparados para 24-50 V).

Para la conversión a CA, los paneles se pueden conectar en serie para producir un conjunto que es, en efecto, un único panel grande con una clasificación nominal de 300 a 600 VCC. ^{[ a ]}La energía luego pasa a un inversor, que la convierte en voltaje CA estándar, normalmente 230 VCA / 50  Hz o 240 VCA / 60  Hz. ^{[ 18 ]}

El principal problema del enfoque de inversor de cadena es que la cadena de paneles actúa como si fuera un solo panel más grande con una corriente máxima equivalente a la del panel con peor rendimiento de la cadena. Por ejemplo, si un panel de una cadena tiene un 5 % más de resistencia debido a un pequeño defecto de fabricación, toda la cadena sufre una pérdida de rendimiento del 5 %. Esta situación es dinámica. Si un panel está a la sombra, su salida cae drásticamente, afectando la salida de la cadena, incluso si los demás paneles no están a la sombra. Incluso pequeños cambios en la orientación pueden causar una pérdida de salida de esta manera. En la industria, esto se conoce como el "efecto luces de Navidad", en referencia a cómo fallará toda una cadena de luces de árbol de Navidad conectadas en serie si falla una sola bombilla. ^{[ 19 ]} Sin embargo, este efecto no es del todo preciso e ignora la compleja interacción entre el seguimiento del punto de máxima potencia del inversor de cadena moderno e incluso los diodos de derivación del módulo . Los estudios de sombreado realizados por las principales empresas de microinversores y optimizadores de CC muestran pequeñas ganancias anuales en condiciones de sombreado ligero, medio y fuerte (2%, 5% y 8% respectivamente) en comparación con un inversor de cadena más antiguo ^{[ 20 ].}

Además, la eficiencia de la salida de un panel se ve fuertemente afectada por la carga que el inversor le impone. Para maximizar la producción, los inversores utilizan una técnica llamada seguimiento del punto de máxima potencia ( MPPT) para asegurar una óptima captación de energía ajustando la carga aplicada. Sin embargo, los mismos problemas que causan que la salida varíe de un panel a otro afectan la carga adecuada que el sistema MPPT debe aplicar. Si un solo panel opera en un punto diferente, un inversor de cadena solo puede ver el cambio general y mueve el punto MPPT para que coincida. Esto resulta en pérdidas no solo del panel sombreado, sino también de los demás paneles. El sombreado de tan solo el 9 % de la superficie de un conjunto puede, en algunas circunstancias, reducir la potencia de todo el sistema hasta en un 54 %. ^{[ 21 ] [ 22 ]} Sin embargo, como se indicó anteriormente, estas pérdidas de rendimiento anuales son relativamente pequeñas y las tecnologías más recientes permiten que algunos inversores de cadena reduzcan significativamente los efectos del sombreado parcial. ^{[ 23 ]}

Otro problema, aunque menor, es que los inversores de cadena están disponibles en una selección limitada de potencias. Esto significa que, normalmente, un conjunto de paneles solares requiere un inversor de mayor potencia que la potencia nominal del conjunto. Por ejemplo, un conjunto de 10 paneles de 2300  W podría necesitar un  inversor de 2500 o incluso 3000 W, pagando por una capacidad de conversión que no utiliza. Este mismo problema dificulta la modificación del tamaño del conjunto con el tiempo, permitiendo añadir potencia cuando se dispone de fondos (modularidad). Si el cliente adquirió inicialmente un  inversor de 2500 W para sus  paneles de 2300 W, no podrá añadir ni un solo panel sin sobrecargar el inversor. Sin embargo, esta sobredimensionación se considera una práctica común en la industria actual (a veces hasta un 20 % por encima de la potencia nominal del inversor) para compensar la degradación de los módulos, obtener un mayor rendimiento durante los meses de invierno o lograr una mayor venta a la compañía eléctrica.

Otros desafíos asociados con los inversores centralizados incluyen el espacio necesario para ubicar el dispositivo, así como los requisitos de disipación de calor. Los inversores centrales grandes suelen tener refrigeración activa. Los ventiladores de refrigeración generan ruido, por lo que debe considerarse la ubicación del inversor con respecto a oficinas y áreas ocupadas. Además, debido a que los ventiladores de refrigeración tienen partes móviles, la suciedad, el polvo y la humedad pueden afectar negativamente su rendimiento con el tiempo. Los inversores de cadena son más silenciosos, pero pueden producir un zumbido al final de la tarde cuando la potencia del inversor es baja.

Los microinversores son inversores pequeños diseñados para gestionar la potencia de un solo panel o de un par de paneles. Los paneles conectados a la red suelen tener una potencia nominal de entre 225 y 275 W, pero en la práctica rara vez alcanzan esta potencia, por lo que los microinversores suelen tener una potencia nominal de entre 190 y 220  W (a veces, 100 W).Debido a que opera a esta potencia más baja, muchos problemas de diseño inherentes a diseños más grandes simplemente desaparecen; generalmente se elimina la necesidad de un transformador grande, los condensadores electrolíticos grandes se pueden reemplazar por condensadores de película delgada más confiables y las cargas de refrigeración se reducen, por lo que no se necesitan ventiladores. El tiempo medio entre fallos (MTBF) se expresa en cientos de años. ^{[ 24 ]}

Un microinversor conectado a un solo panel permite aislar y ajustar la salida de ese panel. Cualquier panel con un rendimiento inferior no afecta a los paneles circundantes. En ese caso, el conjunto produce hasta un 5 % más de potencia que con un inversor de cadena. Si se tiene en cuenta el efecto de sombreado, estas ganancias pueden ser considerables; los fabricantes suelen afirmar una mejora mínima del 5 % en la salida, y hasta un 25 % en algunos casos. ^{[ 24 ]} Además, un solo modelo puede utilizarse con una amplia variedad de paneles, se pueden añadir nuevos paneles a un conjunto en cualquier momento y no es necesario que tengan la misma potencia que los paneles existentes.

Los microinversores generan energía de CA adaptada a la red directamente en la parte posterior de cada panel solar. Las salidas de CA de los conjuntos de paneles equipados con microinversores se conectan en paralelo entre sí y luego a la red. Esto tiene la gran ventaja de que un solo panel o inversor defectuoso no puede desconectar toda la cadena. Combinado con las menores cargas de potencia y calor y el MTBF mejorado, algunos sugieren que la fiabilidad general de un sistema basado en microinversores es significativamente mayor que la de uno basado en inversores de cadena. ^{[ 25 ]} Esta afirmación está respaldada por garantías más largas, generalmente de 15 a 25 años, en comparación con las garantías de 5 o 10 años que son más típicas para los inversores de cadena. Además, cuando ocurren fallas, se pueden identificar en un solo punto, en lugar de en toda la cadena. Esto no solo facilita el aislamiento de fallas, sino que también revela problemas menores que de otro modo podrían pasar desapercibidos: un solo panel con bajo rendimiento puede no afectar la producción de una cadena larga lo suficiente como para notarse.

Hasta hace poco, la principal desventaja del concepto de microinversor era su coste. Dado que cada microinversor debe replicar gran parte de la complejidad de un inversor de cadena, pero distribuyéndola en una potencia nominal menor, los costes por vatio son mayores. Esto contrarresta cualquier ventaja en términos de simplificación de los componentes individuales. En febrero de 2018, un inversor central costaba aproximadamente 0,13 $ por vatio, mientras que un microinversor costaba aproximadamente 0,34 $ por vatio. ^{[ 26 ]} Al igual que con los inversores de cadena, las consideraciones económicas obligan a los fabricantes a limitar el número de modelos que producen. La mayoría produce un único modelo que puede ser sobredimensionado o subdimensionado al combinarse con un panel específico.

En muchos casos, el embalaje puede influir significativamente en el precio. Con un inversor central, es posible que solo se disponga de un conjunto de conexiones para docenas de paneles, una única salida de CA y una sola caja. Las instalaciones de microinversores con más de 15 paneles pueden requerir, además, una caja de disyuntores combinada montada en el tejado. Esto puede incrementar el precio por vatio.

Para reducir aún más los costos, algunos modelos controlan dos o tres paneles desde un inversor, lo que reduce el empaquetado y los costos asociados. Algunos sistemas colocan dos microinversores completos en una sola caja, mientras que otros duplican solo la sección MPPT del sistema y utilizan una sola etapa de CC a CA para reducir aún más los costos. Algunos han sugerido que este enfoque hará que los microinversores sean comparables en costo con los que utilizan inversores de cadena. ^{[ 27 ]} Con la constante disminución de los precios, la introducción de microinversores duales y la aparición de una selección de modelos más amplia ^{[ 28 ]} para ajustarse mejor a la salida del módulo fotovoltaico, el costo es un obstáculo menor.

Los microinversores se han popularizado en aplicaciones donde el tamaño de los paneles es reducido y maximizar el rendimiento de cada uno es fundamental. En estos casos, la diferencia en el precio por vatio se minimiza debido al pequeño número de paneles y tiene poco impacto en el costo total del sistema. La mejora en la captación de energía con un conjunto de paneles de tamaño fijo puede compensar esta diferencia de costo. Por esta razón, los microinversores han tenido mayor éxito en el mercado residencial, donde el espacio limitado para los paneles restringe el tamaño del conjunto y la sombra de árboles u otros objetos cercanos suele ser un problema. Los fabricantes de microinversores ofrecen numerosas instalaciones, algunas con un solo panel y la mayoría con menos de 50. ^{[ 29 ]}

Una desventaja de los microinversores que a menudo se pasa por alto son los costos futuros de operación y mantenimiento. Si bien la tecnología ha mejorado con el tiempo, es inevitable que estos dispositivos fallen o se desgasten . El instalador debe sopesar estos costos de reemplazo (alrededor de $400 por visita del técnico), los mayores riesgos para la seguridad del personal, los equipos y la estructura de los módulos, frente a los márgenes de ganancia de la instalación. Para los propietarios, el desgaste o las fallas prematuras de los dispositivos pueden ocasionar daños a las tejas o pizarras del techo, daños a la propiedad y otras molestias.

Si bien los microinversores suelen tener una eficiencia menor que los inversores de cadena, la eficiencia general aumenta debido a que cada unidad inversora funciona de forma independiente. En una configuración de cadena, cuando un panel queda sombreado, la producción de toda la cadena se reduce a la del panel con menor producción. Esto no ocurre con los microinversores.

Otra ventaja reside en la calidad de la salida del panel. La salida nominal de dos paneles cualesquiera de la misma serie de producción puede variar hasta en un 10 % o más. Esto se mitiga con una configuración de microinversores, pero no con una configuración en cadena. El resultado es la máxima captación de energía de un conjunto de microinversores.

Los sistemas con microinversores se pueden modificar con mayor facilidad cuando la demanda de energía aumenta o disminuye con el tiempo. Dado que cada panel solar y microinversor constituye un pequeño sistema independiente, funciona hasta cierto punto de forma autónoma. Esto significa que añadir uno o más paneles simplemente proporcionará más energía, siempre que el grupo eléctrico de la vivienda o edificio no supere sus límites. En cambio, con los inversores de cadena, el tamaño del inversor debe ajustarse al número de paneles o a la potencia máxima. Si bien es posible elegir un inversor de cadena sobredimensionado cuando se prevé una futura ampliación, esta previsión para un futuro incierto incrementa los costes en cualquier caso.

La monitorización y el mantenimiento también son más sencillos, ya que muchos fabricantes de microinversores ofrecen aplicaciones o sitios web para supervisar la potencia de salida de sus unidades. En muchos casos, estas aplicaciones son de propiedad privada; sin embargo, no siempre es así. Tras la desaparición de Enecsys y el posterior cierre de su sitio web, surgieron varios sitios privados, como Enecsys-Monitoring ^{[ 30 ]} , que permiten a los usuarios seguir monitorizando sus sistemas.

La conversión eficiente de corriente continua (CC) a corriente alterna (CA) requiere que el inversor almacene energía del panel cuando la tensión de CA de la red es cercana a cero y la libere cuando esta aumenta. Esto exige una capacidad de almacenamiento considerable en un dispositivo compacto. La opción más económica para la cantidad de almacenamiento requerida es el condensador electrolítico, pero estos tienen una vida útil relativamente corta, que normalmente se mide en años, y esta vida útil se reduce aún más cuando se utilizan a altas temperaturas, como en un panel solar en un tejado. Esto ha impulsado un considerable esfuerzo de desarrollo por parte de los fabricantes de microinversores, quienes han introducido diversas topologías de conversión con menores requisitos de almacenamiento, algunas de las cuales utilizan, siempre que es posible, condensadores de película delgada, mucho menos capaces pero con una vida útil mucho mayor .

La energía eléctrica trifásica representa otra solución al problema. En un circuito trifásico, la potencia no varía entre (por ejemplo) +120 y -120  V entre dos líneas, sino que varía entre 60 y +120 o entre -60 y -120 V, y los periodos de variación son mucho más cortos. Los inversores diseñados para operar en sistemas trifásicos requieren mucho menos almacenamiento. ^{[ 31 ] [ 32 ]} Un microinversor trifásico, que utiliza conmutación de voltaje cero, también puede ofrecer una mayor densidad de circuito y componentes de menor costo, al tiempo que mejora la eficiencia de conversión a más del 98 %, mejor que el pico típico monofásico de alrededor del 96 %. ^{[ 33 ]}

Sin embargo, los sistemas trifásicos generalmente solo se ven en entornos industriales y comerciales. En estos mercados, normalmente se instalan sistemas de mayor tamaño, donde la sensibilidad al precio es máxima. La adopción de microsistemas trifásicos, a pesar de sus posibles ventajas teóricas, parece ser muy baja.

En 1991, la empresa estadounidense Ascension Technology comenzó a trabajar en lo que era esencialmente una versión reducida de un inversor tradicional, destinada a ser montada en un panel para formar un panel de CA. Este diseño se basaba en el regulador lineal convencional, que no es particularmente eficiente y disipa una cantidad considerable de calor. En 1994, enviaron un ejemplar a los laboratorios Sandia para su prueba. ^{[ 34 ]} En 1997, Ascension se asoció con la empresa estadounidense de paneles ASE Americas para presentar el  panel SunSine de 300 W. ^{[ 35 ]}

El diseño de lo que hoy se reconocería como un verdadero microinversor tiene sus orígenes en el trabajo de finales de la década de 1980 de Werner Kleinkauf en el ISET ( Institut für Solare Energieversorgungstechnik ), ahora Instituto Fraunhofer de Energía Eólica y Tecnología de Sistemas Energéticos. Estos diseños se basaban en la tecnología moderna de fuentes de alimentación conmutadas de alta frecuencia, que es mucho más eficiente. Su trabajo sobre "convertidores integrados en módulos" fue muy influyente, especialmente en Europa. ^{[ 36 ]}

En 1993, Mastervolt presentó su primer inversor conectado a la red , el Sunmaster 130S, fruto de la colaboración entre Shell Solar, Ecofys y ECN. El 130 se diseñó para montarse directamente en la parte posterior del panel, conectando las líneas de CA y CC mediante conectores de compresión . En 2000, el 130 fue sustituido por el Soladin 120, un microinversor con forma de adaptador de CA que permite conectar los paneles simplemente enchufándolos a cualquier toma de corriente . ^{[ 37 ]}

En 1995, OKE-Services diseñó una nueva versión de alta frecuencia con eficiencia mejorada, que fue introducida comercialmente como OK4-100 en 1995 por NKF Kabel y renombrada para ventas en EE. UU. como Trace Microsine. ^{[ 38 ]} Una nueva versión, la OK4All, mejoró la eficiencia y tenía rangos operativos más amplios. ^{[ 39 ]}

A pesar de este prometedor comienzo, para 2003 la mayoría de estos proyectos habían terminado. Ascension Technology fue adquirida por Applied Power Corporation, un gran integrador. APC, a su vez, fue adquirida por Schott en 2002, y la producción de SunSine se canceló en favor de los diseños existentes de Schott. ^{[ 40 ]} NKF finalizó la producción de la serie OK4 en 2003 cuando terminó un programa de subsidios. ^{[ 41 ]} Mastervolt ^{[ 42 ]} ha pasado a una línea de "mini-inversores" que combinan la facilidad de uso del 120 en un sistema diseñado para soportar hasta 600 W de paneles. ^{[ 43 ]}

Tras la crisis de las telecomunicaciones de 2001 , Martin Fornage, de Cerent Corporation, buscaba nuevos proyectos. Al observar el bajo rendimiento del inversor de cadena para el sistema solar de su rancho, encontró el proyecto que buscaba. En 2006, fundó Enphase Energy con otro ingeniero de Cerent, Raghu Belur, y dedicaron el año siguiente a aplicar su experiencia en diseño de telecomunicaciones al problema del inversor. ^{[ 44 ]}

Lanzado en 2008, el modelo Enphase M175 fue el primer microinversor de éxito comercial. Su sucesor, el M190, se presentó en 2009, y el último modelo, el M215, en 2011. Respaldada por 100 millones de dólares en capital privado, Enphase creció rápidamente hasta alcanzar una cuota de mercado del 13 % a mediados de 2010, con el objetivo de llegar al 20 % a finales de año. ^{[ 44 ]} Enviaron su inversor número 500 000 a principios de 2011, ^{[ 45 ]} y el número 1 000 000 en septiembre del mismo año. ^{[ 46 ]} A principios de 2011, anunciaron que Siemens vendería versiones con marca propia del nuevo diseño directamente a contratistas eléctricos para su distribución generalizada. ^{[ 47 ]}

Enphase ha firmado un acuerdo con EnergyAustralia para comercializar su tecnología de microinversores. ^{[ 48 ]}