Inversores

La función principal de los inversores solares u onduladores es la de transformar la corriente continua CC (DC) generada por los paneles solares en corriente alterna CA (AC), que es la que utilizan la mayoría de los dispositivos eléctricos en nuestros hogares y negocios.

Para ello, el inversor ajusta la tensión y la frecuencia de la corriente alterna para que sean adecuadas para su consumo.

Un inversor solar funciona mediante una serie de etapas:

1º) Rectificación: la corriente continua pulsante proveniente de los paneles solares se rectifica para obtener una corriente continua constante de valor medio.

2º) Inversor: a través de complejos circuitos electrónicos, se genera una onda senoidal de corriente alterna a partir de la corriente continua. Esta onda senoidal debe cumplir con los estándares de calidad de la red eléctrica para poder inyectarla en ella o alimentar cargas directamente.

3º) Filtrado: la señal de salida del inversor se filtra para eliminar armónicos y ruido, asegurando una onda senoidal limpia y estable.

4º) Control: el inversor cuenta con sistemas de control que regulan la frecuencia y la tensión de salida, adaptándose a las condiciones de la red eléctrica y a las demandas de la carga.

En el procedimiento de cálculo de instalaciones fotovoltaicas, los inversores desempeñan un papel fundamental, ya que, al convertir la corriente continua en corriente alterna, hacen posible utilizar la energía solar para alimentar equipos electrónicos, electrodomésticos y otros dispositivos.

La elección del tipo de inversor depende en gran medida de la aplicación específica, la potencia requerida y la calidad de la onda de salida deseada.

Además, las protecciones integradas en los inversores ayudan a prolongar la vida útil de varios componentes del sistema como los paneles solares o las baterías.

Inversores según la Forma de Onda Generada

Los inversores solares se clasifican principalmente según la forma de onda de la corriente alterna (CA) que generan a partir de la corriente continua (CC) proveniente de los paneles solares. Esta característica determina en gran medida la compatibilidad del inversor con diferentes tipos de cargas y su impacto en la calidad de la energía suministrada.

La forma de onda que generan los inversores en su salida puede ser de 3 tipos: onda sinusoidal pura, onda modificada o cuasi-sinusoidal y onda cuadrada.

Inversores de Onda Sinusoidal Pura

Los inversores de Onda Sinusoidal Pura (PSW - Pure Sine Wave) generan una onda senoidal prácticamente idéntica a la de la red eléctrica, convirtiéndolos en la opción más versátil y compatible.

Al carecer de armónicos, minimizan las interferencias electromagnéticas y son ideales para alimentar cualquier tipo de carga, incluyendo equipos electrónicos sensibles como ordenadores, equipos de audio y electrodomésticos que requieren una alta calidad de energía.

Inversores de Onda Modificada

La forma de onda de los inversores de Onda Modificada (MSW - Modified Sine Wave) se aproxima a una onda senoidal, pero presenta una forma más cuadrada y contiene una mayor cantidad de armónicos.

Aunque son más económicos que los inversores de onda pura, su calidad de energía es inferior y pueden provocar problemas de funcionamiento en cargas inductivas tales como motores y transformadores. Además, pueden generar interferencias en equipos electrónicos sensibles.

Inversores de Onda Cuadrada

La forma de onda de salida de los inversores de onda cuadrada es una secuencia de pulsos cuadrados de corriente alterna, resultando en una calidad de energía muy baja.

Son los más económicos, pero también los menos eficientes y los que generan más interferencias electromagnéticas.

Debido a su alta distorsión armónica total (THD), solo son adecuados para alimentar cargas resistivas simples como lámparas incandescentes o calentadores eléctricos. No se recomiendan para equipos electrónicos sensibles ni para cargas inductivas.

Inversores según la Conexión a la Red

Los inversores también se pueden clasificar en función de su conexión a la red eléctrica en: off-grid y on-grid.

Inversores Off Grid

Los inversores off-grid son dispositivos diseñados para operar en sistemas fotovoltaicos aislados de la red eléctrica. Estos sistemas dependen exclusivamente de la energía solar capturada por los paneles fotovoltaicos y almacenada en baterías.

Estos inversores tienen entradas de corriente continua CC para permitir la conexión a las placas solares y a las baterías.

Algunos modelos también incorporan entradas de corriente alterna CA para conectar un generador autónomo. La principal razón es contar con una fuente de energía alternativa en caso de que la batería se agote o la producción de energía solar sea insuficiente.

Además de poder cargar las baterías, un generador autónomo conectado a la entrada de CA permite alimentar directamente las cargas cuando sea necesario. De esta manera, se evita la posibilidad de desabastecimiento.

Además de los generadores autónomos, algunos inversores off-grid pueden aceptar energía de otras fuentes renovables como pequeñas turbinas hidroeléctricas o aerogeneradores.

Las aplicaciones típicas de los inversores off-grid son: viviendas aisladas (casas de campo, cabañas, refugios de montaña), aplicaciones móviles (caravanas, barcos, vehículos eléctricos) o sistemas de respaldo (fuente de alimentación de emergencia en caso de cortes de suministro eléctrico), etc.

Inversores On Grid

Los inversores on-grid son dispositivos diseñados para operar en sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica de distribución. Estos sistemas aprovechan la energía solar para generar electricidad y, en general, pueden verter el exceso de energía producido a la red.

Como están diseñados para trabajar en conjunto con la red eléctrica, no necesitan baterías para almacenar energía, aunque son opcionales. El inversor que tiene la capacidad de configurarse para trabajar también con baterías, se denomina inversor híbrido.

Por tanto, los inversores on-grid se pueden configurar de múltiples formas. Aquí se muestran algunas de las más comunes:

Inversores On Grid con Vertido a Red sin Baterías

Se conectan directamente a la red eléctrica y tienen la capacidad de verter el excedente de energía. Cuando no se produce energía solar suficiente, se consume directamente de la red pública de suministro eléctrico.

Para ello, la compañía eléctrica instala un contador bidireccional que mide la cantidad de energía que fluye desde y hacia la red eléctrica.

Inversores On Grid con Vertido Cero sin Baterías

Controla la demanda instantánea del consumo energético y produce solo lo que se está consumiendo, evitando así la inyección de excedente a la red pública.

El sistema antivertido o de vertido cero, se puede implementar de 2 formas, siendo la primera forma la más frecuente:

1º) Mediante un mecanismo de regulación que lleva incorporado el propio inversor, que adapte en tiempo real la demanda con la producción.

2º) Mediante la instalación de un dispositivo adicional que se encargue de realizar la medición de la producción y consumo de energía que corte la corriente excedente hacia la red pública.

Inversores On Grid con Vertido Cero con Baterías

También se denomina inversor híbrido. Combina las funciones de un inversor on-grid y un inversor off-grid. El inversor híbrido es totalmente configurable para funcionar en el modo deseado, aunque normalmente se configura para funcionar como on grid con baterías.

Este inversor dispone de diversas entradas que le permite conectarse a fuentes de CC, como a las placas solares o a las baterías, y también conectarse a fuentes de CA, como a la red eléctrica e incluso a cualquier generador autónomo (grupo electrógeno, generador eólico, etc.), etc.

Si la cantidad de energía generada es suficiente para cubrir la demanda de la vivienda, se utiliza la energía directamente desde los paneles solares. Cuando no sea suficiente para cubrir la demanda, se utilizará la energía almacenada en las baterías solares para cubrir la diferencia.

Si la cantidad de energía almacenada en las baterías tampoco fuera suficiente, entonces se recurre a la red eléctrica o a cualquier otra fuente de energía alternativa, como el suministro de un generador diésel.

Características de los Inversores

Estos son los parámetros técnicos más importantes que se deben tener en cuenta al seleccionar los inversores para placas solares:

Potencia Nominal

Indica la máxima potencia que el inversor puede suministrar a una carga en condiciones normales de funcionamiento. Se mide en vatios (W) y varía desde unos pocos cientos de vatios hasta varios miles de vatios.

La potencia nominal del inversor siempre deberá ser mayor o igual a la potencia de la instalación receptora:

Para que el inversor no trabaje a máxima potencia, se aconseja elegir una potencia P_inversor ligeramente superior a la potencia de la instalación P_instalación. Suele ser aconsejable un margen de entre un 10% y un 20%.

Tampoco se debe sobredimensionar el inversor, puesto que los inversores alcanzan su máxima eficiencia cuando trabajan cerca de su potencia nominal. Además, un inversor más grande implica un mayor coste inicial.

Por otro lado, la potencia de la instalación P_instalación será la potencia total de todos los aparatos que pueden conectarse simultáneamente:

siendo:

P_receptor = potencia de un solo aparato

Cantidad = número de aparatos iguales

Tensión nominal de Entrada

Indica el rango de voltaje de entrada o cantidad de voltaje V que puede aceptar el inversor de las células solares. Este rango varía desde unos pocos voltios hasta varios cientos de voltios, y dependerá del tipo de inversor para panel solar utilizado y del diseño del sistema fotovoltaico.

Es importante que el rango de voltaje de entrada del inversor coincida con el rango de voltaje del sistema de placas.

Tensión de Salida y Frecuencia

Los inversores que se utilizan en las instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red eléctrica no son compatibles con los utilizados en las instalaciones fotovoltaicas aisladas.

Los conectados a la red eléctrica disponen de un control que verifica el sincronismo entre la tensión de salida del inversor y la tensión de la red eléctrica, de forma que el voltaje del inversor debe ser ligeramente mayor para poder verter energía a la red.

Eficiencia o Rendimiento

Es una medida que relaciona la potencia de salida (en CA) con la potencia de entrada (en CC), ya que se producen pérdidas durante la conversión. La eficiencia se mide en porcentaje (%) y varía entre el 80% y el 95%.

Protección del Inversor

Los inversores tienen varias características de protección que ayudan a garantizar su correcto funcionamiento y prolongar su vida útil.

Estas características incluyen protección contra sobrecarga, protección contra cortocircuitos, protección contra sobretensión, protección contra sobrecalentamiento y protección contra fallo de tierra.

Además, los inversores con batería (híbridos), actúan como reguladores, protegiéndola contra sobrecarga o sobredescarga.

Conexión del Inversor

El inversor dispone de conexiones de entrada de corriente continua, positivo (+) y negativo (-), y conexiones de salida de corriente alterna, L-N para inversores monofásicos y L1-L2-L3 para inversores trifásicos.

La forma de conectar el inversor a la instalación fotovoltaica depende del tipo de inversor y de la potencia que maneja. De forma general podemos decir que:

– Para instalaciones con potencias pequeñas: la entrada de corriente continua CC del inversor se puede conectar a la salida del regulador, siempre que disponga de terminales de salida LOAD+ y LOAD- y proporcione corriente máxima de salida suficiente. En caso contrario, se conecta directamente a la batería.

– Para instalaciones con potencias grandes: la entrada de corriente continua CC del inversor se conecta directamente al banco de baterías. Si el sistema carece de baterías, la entrada se conecta entonces a las placas solares. No obstante, dependiendo del modelo de inversor, puede disponer de entrada de CC para placas solares, entrada de CC para baterías, entrada de CA para red eléctrica, entrada de CA para grupo electrógeno, etc.

Ejercicios Resueltos de Inversores

A continuación, se presentan 2 ejercicios resueltos sobre el dimensionamiento de los inversores en las instalaciones solares fotovoltaicas.

Microinversores

Los microinversores, a diferencia de los inversores convencionales que procesan la energía de múltiples paneles, se encargan de un panel o un pequeño grupo de paneles de manera independiente.

Se colocan directamente detrás de cada panel para convertir la corriente continua CC de este en corriente alterna CA.

Para garantizar un rendimiento óptimo y la máxima extracción de energía de los paneles solares, es fundamental dimensionar correctamente los microinversores.

● Potencia nominal: la potencia nominal del microinversor debe ser igual o superior a la potencia nominal total del panel o los paneles conectados a él.

Si el microinversor tiene poca potencia en comparación con la potencia del panel o paneles conectados, parte de la energía producida por estos se perderá, traduciéndose en un menor rendimiento del sistema.

Por ejemplo, si al microinversor se conectan 2 paneles de 300 W cada uno, se necesitará un microinversor con una potencia nominal de al menos 600 W.

● Corriente máxima de entrada: además de la potencia, es importante verificar que la corriente máxima de entrada del microinversor sea suficiente para soportar la corriente generada por los paneles en condiciones de máxima irradiación.

Ventajas y Características de los Microinversores

Entre las principales ventajas y características de los microinversores se encuentran las siguientes:

– Optimización MPPT individual: cada microinversor incorpora un algoritmo MPPT (Maximum Power Point Tracking) que maximiza la extracción de energía de cada panel solar, independientemente de las condiciones de irradiación o temperatura.

– Minimización de pérdidas por sombreado: como los microinversores operan de forma independiente, minimizan el impacto del sombreado en el rendimiento general del sistema.

– Alto rendimiento: gracias a la optimización MPPT y a la reducción de pérdidas, los microinversores ofrecen un mayor rendimiento energético en comparación con los inversores convencionales.

– Flexibilidad de instalación: permiten la instalación de paneles solares con diferentes características y orientaciones, adaptándose a las condiciones específicas de cada sitio.

– Monitoreo individual: facilitan el monitoreo del rendimiento de cada panel, permitiendo identificar y solucionar problemas de forma rápida y eficiente.

– Escalabilidad: los sistemas basados en microinversores pueden ampliarse fácilmente añadiendo nuevos paneles y microinversores.

– Mayor vida útil: al operar a menor temperatura, los microinversores tienen una vida útil más larga.

Entradas de CC del Microinversor

Cada microinversor se conecta directamente a uno o varios paneles solares, transformando la corriente continua en corriente alterna. Aunque fue inicialmente concebido para conectarse a un solo panel, actualmente existen modelos que se pueden conectar a 1, 2 o 4 placas solares.

Por tanto, al conectar paneles fotovoltaicos a microinversores, hay que tener en cuenta si están preparados para 1, 2 o 4 entradas.

A cualquiera de las entradas individuales se les puede conectar más de un panel solar, siempre que no se supere la máxima potencia que indiquen sus características para cada entrada. En cualquier caso, no todas las entradas deben necesariamente estar conectadas a paneles solares.

A continuación, se muestra la conexión de estos microinversores de 1, 2 y 4 entradas, con un panel por cada entrada disponible.

Conexiones de CA del Microinversor

Los microinversores suelen tener 2 bornes de CA para conectarlos entre sí y poder instalar varios microinversores en una misma configuración.

El número máximo de microinversores que se pueden interconectar está determinado por el fabricante.

Una de esas 2 conexiones de CA también puede servir para alimentar las cargas de la instalación, o bien, conectarlo a la red eléctrica y verter la energía en corriente alterna.

Además, podremos encontrarnos con múltiples configuraciones de conexión, dependiendo de la cantidad de paneles a conectar y de las entradas de cada microinversor.

A continuación, se muestran 3 ejemplos en los que vamos a conectar varios microinversores entre sí de 1, 2 o 4 entradas para paneles solares. En todos los casos, vamos a colocar un panel en cada una de sus entradas, de forma que todas queden ocupadas:

– Conexión de 4 paneles con microinversores de 1 entrada: serán necesarios 4 microinversores de 1 entrada cada uno:

– Conexión de 6 paneles con microinversores de 2 entradas: serán necesarios 3 microinversores de 2 entradas cada uno:

– Conexión de 8 paneles con microinversores de 4 entradas: serán necesarios 2 microinversores de 4 entradas.

Y por último, se muestra un ejemplo de microinversor on grid con vertido de excedentes compuesto por 4 paneles solares y 2 microinversores de 2 entradas.

En una de las conexiones de CA del segundo microinversor se ha dispuesto de una clavija para conectarlo directamente a un enchufe de la instalación receptora. El exceso de energía será vertido a la red eléctrica pública.

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