¿Cómo funciona la selección de carga en sistemas fotovoltaicos híbridos?

¿Qué son los sistemas fotovoltaicos híbridos?

Los sistemas fotovoltaicos híbridos son aquellos que pueden funcionar en modo conectado a la red (grid-tie) y fuera de la red.

La principal aplicación de los sistemas híbridos son las instalaciones conectadas a la red donde se requiere un recurso de respaldo. Esta característica permite que parte de las cargas sigan alimentadas mediante baterías y módulos fotovoltaicos incluso en ausencia de red eléctrica.

En los sistemas híbridos, cuando ocurre una falla en la red eléctrica, el modo de conexión a la red se apaga y se activa el modo fuera de la red.

Los sistemas híbridos se pueden constituir de dos formas: con una combinación de inversores conectados y aislados o con un inversor híbrido (que tiene modos de funcionamiento encendido y apagado), como se muestra en la Figura 1.

Cargas prioritarias

Durante el funcionamiento del sistema híbrido en modo fuera de la red (de respaldo), es posible que solo una parte de las cargas reciba servicio mientras la red eléctrica no esté disponible.

Por lo general, resulta difícil dimensionar un sistema híbrido para alimentar todas las cargas de una instalación en modo de respaldo. Por ejemplo, en un edificio de oficinas podemos utilizar el modo fuera de la red para alimentar de emergencia los ordenadores y los circuitos de iluminación, mientras las unidades de aire acondicionado estarán fuera de funcionamiento.

El mismo razonamiento se aplica a los hogares, donde dejaremos apagados los electrodomésticos de mayor consumo o no esenciales (aires acondicionados, duchas, lavadoras) y solo alimentaremos los circuitos de iluminación, intercomunicación y portón electrónico en modo respaldo, por ejemplo.

La definición de cargas prioritarias depende de las necesidades del cliente. Si el consumidor desea mantener su aire acondicionado funcionando en modo de respaldo, puede hacerlo. Costará un poco más, ya que será necesario utilizar un inversor de mayor potencia, pero técnicamente esto es posible.

Selección de carga para el modo de funcionamiento aislado de la red

En la práctica, ¿cómo distinguirán los sistemas híbridos entre cargas prioritarias y no esenciales? Para comenzar, ejemplifiquemos un sistema basado en un inversor híbrido que tiene dos puertos de CA: uno fuera de la red y otro conectado a la red (Figura 2).

Para comprender qué son los puertos de CA del inversor híbrido, puede leer los artículos "¿Qué es un inversor solar híbrido?" y “Inversor híbrido x inversor-cargador”, publicado anteriormente aquí en Canal solares.

Durante el funcionamiento conectado a la red, cuando el sistema está conectado a la red eléctrica, el puerto de red se utiliza para conectar el inversor a la red eléctrica, como se muestra en la Figura 3, con el interruptor en la posición A.

En este caso, todas las cargas presentes en la instalación son alimentadas por la red eléctrica. La energía procedente de las placas solares se inyecta en la instalación y puede abastecer total o parcialmente el consumo local. El exceso de energía, si lo hubiera, se inyectará a la red eléctrica o se almacenará en las baterías (o ambas, priorizando la carga de las baterías).

Suponiendo que las baterías estén cargadas, lo que tenemos aquí es un sistema puro de conexión a la red: paneles que generan energía, se cubre el consumo local y el excedente se inyecta a la red.

La novedad del sistema híbrido (en comparación con el sistema tradicional conectado a la red) es el modo de funcionamiento fuera de la red. Cuando falla la red eléctrica, el puerto de red del inversor se apaga inmediatamente, cesando cualquier inyección de energía a la red eléctrica.

Luego, el puerto aislado entra en funcionamiento, alimentando las cargas conectadas al mismo. Es en este punto que tiene lugar la selección de carga. Usando un interruptor de palanca, parte de los circuitos de carga se desconectarán del punto A y se conectarán al punto B. Las cargas restantes no esenciales permanecerán desconectadas durante el funcionamiento fuera de la red, como se ilustra en la Figura 4.

La selección de cargas en sistemas híbridos y la transición del modo conectado a la red requiere la presencia de un conmutador. Este cambio es necesario porque los puertos dentro y fuera de la red del inversor no pueden funcionar simultáneamente. Las cargas son alimentadas por el puerto de red o por el puerto de fuera de la red, dependiendo del modo de operación en el que se encuentre el sistema.

Además, el circuito fuera de la red debe estar aislado del circuito de conexión a la red, ya que el puerto fuera de la red no se puede conectar a la red eléctrica. Cuando se restablezca este último, la llave deberá volver a su posición original, manteniendo en todo momento las dos puertas aisladas.

Otra situación se ilustra en la Figura 5, en la que se emplea un inversor con un único puerto de CA multifuncional. Este es el caso, por ejemplo, del inversor GEN 24 de Fronius. Aun así, es necesario un interruptor de palanca ya que el puerto de CA debe desconectarse de la red eléctrica cuando el inversor está funcionando en modo fuera de la red.

En la Figura 6, vemos que la selección de carga ocurre cuando se activa el interruptor. En este caso se utiliza un simple interruptor contactor, que únicamente tiene la función de abrir o cerrar la conexión del inversor a la red eléctrica.

Cuando falla la red, el interruptor se abre desconectando la conexión a la red y al mismo tiempo retirando parte de las cargas del circuito. Solo las cargas esenciales (prioritarias) permanecen conectadas al puerto de CA, que comienza a funcionar en modo fuera de la red (fuente de voltaje). Cuando el sistema está en modo de conexión a la red, el interruptor permanece cerrado y todas las cargas de los consumidores están conectadas a la red eléctrica.

Conclusión

Los sistemas fotovoltaicos híbridos, que pueden construirse con una combinación de inversores o basados ​​en un inversor híbrido dentro o fuera de la red, son una evolución de los sistemas convencionales conectados a la red.

El sistema híbrido permite al consumidor tener un sistema de respaldo cuando hay una falla en la red eléctrica, evitando que las cargas esenciales dejen de recibir suministro. En este tipo de sistema, es necesario seleccionar cargas prioritarias y utilizar un interruptor inversor, que aísla los circuitos dentro y fuera de la red.

Hay inversores que tienen puertos de CA conectados y fuera de la red separados, mientras que otros pueden tener un único puerto de CA multifunción (dentro/fuera de la red). En cualquier caso, se necesita un interruptor para segmentar cargas prioritarias y no esenciales. Además, el interruptor evita que la red eléctrica se conecte inadvertidamente al puerto de CA durante el funcionamiento fuera de la red, situación que podría provocar que el inversor se queme.