Los inversores fotovoltaicos están diseñados para convertir toda la potencia que pueden poner a disposición los módulos fotovoltaicos, buscando la máxima potencia del conjunto fotovoltaico a través de un algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT – Maximum Power Point Tracking).
Sin embargo, cuando la temperatura interna del inversor excede su especificación nominal, se activa un control de protección que mueve el punto de operación a una región por debajo del punto de máxima potencia [1].
Es decir, el inversor reduce su potencia de salida cuando alcanza determinadas temperaturas. Este proceso se conoce como "reducción" térmica de la energía. La energía del inversor fotovoltaico se reanuda cuando el equipo alcanza temperaturas de funcionamiento seguras.
En este artículo se mostrarán curvas de temperatura de inversores comerciales obtenidas experimentalmente, a través de pruebas realizadas en el LESF (Laboratorio de Energía y Sistemas Fotovoltaicos) de la UNICAMP.
Quizás te preguntes: ¿por qué es importante que el inversor reduzca la potencia por temperatura? Para responder a la pregunta, primero hablemos de cómo la temperatura puede influir en el funcionamiento del inversor.
La literatura ha presentado varios artículos en los que se ha identificado al inversor como el equipo del sistema fotovoltaico que presenta mayor número de fallas. Además de estas fallas que generan costos de mantenimiento, también existe el agravante del tiempo de inactividad cuando el sistema no genera energía.
Estas fallas se explican por la gran cantidad de componentes internos del inversor, incluidos semiconductores de potencia y capacitores, que ven reducida su vida útil al trabajar a altas temperaturas por períodos prolongados, lo que aumenta la probabilidad de falla del equipo.
Estas fallas generalmente ocurren en capacitores y transistores de tipo IGBT y MOSFET, que son los componentes más sensibles y propensos a fallas del inversor fotovoltaico [2]. Los transistores de alta potencia generan calor mientras están en condiciones de funcionamiento, pero estos componentes tienen una baja capacidad de disipación de calor [3].
Por ello, para solucionar este problema, algunos equipos del mercado optan por disipadores activos con ventiladores, también conocidos como disipación forzada. Es importante mencionar el otro tipo de disipación que existe: la disipación natural, es decir, sin ventilador ni ventilador.
Los inversores con disipación forzada no suelen alcanzar altas temperaturas (en su carcasa o en sus aletas térmicas) con tanta facilidad. En cambio, en inversores con disipación natural se espera una dinámica térmica más lenta, con una temperatura final más alta.
A continuación se muestran resultados prácticos de dos inversores fotovoltaicos con diferentes estrategias de disipación y de la misma categoría, es decir, monofásicos y con potencia nominal en el rango de unos pocos kilovatios. Las características de los inversores se resumen en la Tabla 1.
Tabla 1: Características de los inversores fotovoltaicos evaluados
| Equipamento | Disipación | Potencia (kW) |
| Inversor A | Disipación forzada | 2 |
| Inversor B | Disipación natural | 5 |
La temperatura se midió en un punto externo sobre el disipador de calor de cada equipo y la temperatura ambiente se mantuvo cerca de 25 °C durante los experimentos. En la Figura 1, el inversor A tenía su temperatura limitada a 45°C, ya que el ventilador se activó alrededor de 38°C.
La Figura 2 muestra el comportamiento térmico del inversor B durante el experimento. En este caso, la temperatura del disipador superó los 70°C, ya que este equipo tiene disipación natural y no utiliza ventiladores.
En los gráficos anteriores mostramos la evolución de la temperatura del disipador a lo largo del tiempo, con los inversores funcionando a su carga máxima, es decir, con sus entradas recibiendo un conjunto fotovoltaico con una potencia pico compatible con la potencia nominal del inversor, mientras que la temperatura El ambiente se controló a alrededor de 25°C.
Curvas de reducción térmica
En un nuevo experimento, variamos la temperatura ambiente durante el funcionamiento de un inversor colocándolo dentro de un horno térmico con temperatura controlada.
La Figura 3 presenta gráficas de potencia por temperatura (ambiente) obtenidas de un nuevo experimento cuyo objetivo fue trazar la curva de derating por temperatura del inversor y compararla con el comportamiento reportado en la ficha técnica del equipo.
Esta prueba se realizó con un inversor SAJ R5 de 3 kW con disipación natural. Las especificaciones del equipo mencionan que puede reducir la potencia de salida (alimentación CA) desde 45°C y la temperatura ambiente máxima soportada es de 60°C.
El experimento se realizó con una cámara térmica, con temperatura controlada, y se dividió en etapas con el objetivo de buscar el valor de temperatura experimental a partir del cual comienza a ocurrir la reducción de potencia.
- Etapa 1 (E1): cámara térmica programada hasta 45°C. Si no hubiera reducción de potencia a esta temperatura, la cámara térmica pasaría a la Etapa 2;
- Etapa 2 (E2): cámara térmica programada para variar la temperatura ambiente de 46°C a 60°C. De la misma manera que en la Etapa 1, si no hubiera reducción, el experimento pasaría a la Etapa 3.
- Etapa 3 (E3): cámara térmica programada a 61°C ≤ 70°C. Si no hubo reducción, se pasa a la Etapa 4;
Etapa 4 (E4): cámara térmica programada a 71°C ≤ 80°C. Si no hubiera reducción, el experimento avanzaría a las siguientes etapas.
Como se muestra en la Figura 3, el inversor fotovoltaico probado mostró una reducción de potencia de 74 °C (ambiente) y la temperatura máxima probada fue de 77 °C.
La Figura 4 muestra el comportamiento del inversor durante el enfriamiento desde temperatura ambiente. Es posible comprobar que la potencia de CA aumenta a partir de 65 °C y se estabiliza en la potencia nominal cuando se acerca a los 40 °C, un valor ligeramente por debajo de la temperatura de reducción inicial especificada en la hoja de datos.
Conclusión
En este artículo se presentan resultados experimentales sobre el comportamiento térmico de inversores fotovoltaicos. Al inicio del artículo mostramos gráficas de temperatura a lo largo del tiempo, que ilustran diferentes comportamientos según el método de enfriamiento utilizado en cada equipo.
Se analizaron equipos con dos tipos de sistemas de disipación térmica: completamente natural y con ventilación forzada.
Trabajando en las mismas condiciones (con potencia nominal y temperatura ambiente controlada), el inversor con disipación natural alcanzó una temperatura superior a los 70°C (medida en la zona externa del disipador) y presentó una dinámica térmica más lenta. El inversor con ventilación forzada, por el contrario, demostró que es capaz de controlar la temperatura más rápidamente y mantuvo su disipador a una temperatura inferior a 45°C.
Un resultado interesante de este trabajo fue la verificación experimental del comportamiento de derating térmico (reducción de potencia con la temperatura) de un inversor conectado a red de 3 kW con ventilación natural.
El gráfico de la Figura 3 muestra el resultado de una prueba con un aumento brusco de temperatura, situación atípica en condiciones normales de funcionamiento. En este caso descubrimos que el mecanismo de reducción comenzó a actuar cuando la temperatura ambiente alcanzó los 74°C, lo que provocó que la potencia de salida disminuyera rápidamente de 3 kW (nominal) a cerca de 1,5 kW.
Luego, como se muestra en la Figura 4, la temperatura ambiente se redujo gradualmente. La potencia aumentó de 1,5 kW y el equipo recuperó su potencia de salida nominal (3 kW) a partir de un valor de temperatura ligeramente inferior a 45°C, como se esperaba según la hoja de datos del fabricante.
Luego se comprobó la capacidad de este equipo para regular automáticamente su potencia de salida con el objetivo de preservar sus componentes internos, evitando daños por sobrecalentamiento, especialmente en los transistores electrónicos de potencia.
Es importante mencionar que los inversores no son equipos a prueba de fallas y requieren mantenimiento, dada su complejidad y su alto número de componentes electrónicos, que incluyen transistores y capacitores, que son los componentes más sensibles.
El mecanismo de reducción térmica de potencia es importante para proteger el inversor y aumentar su vida útil cuando se somete a condiciones de operación agresivas, especialmente en relación con la temperatura ambiente.
Referencias
[1] AL Perin, “Análisis de la influencia de diferentes estrategias de enfriamiento en el rendimiento y la durabilidad de los inversores de sistemas fotovoltaicos conectados a la red”, 2016.
[2] M. Shahzad, K. VS Bharath., MA Khan y A. Haque, “Revisión sobre la confiabilidad de los componentes electrónicos de potencia en inversores fotovoltaicos”, Conferencia internacional de 2019 sobre electrónica de potencia, control y automatización (ICPECA), 2019, págs. . 1- 6, doi: 10.1109 / ICPECA47973.2019.8975585.
[3] P. Hacke, S. Lokanath, P. Williams, A. Vasan, P. Sochor, G. TamizhMani, H. Shinohara y S. Kurtz, “Una revisión del estado de la confiabilidad, seguridad y confiabilidad de los equipos de conversión de energía fotovoltaica protocolos de garantía de calidad”, Reseñas de energías renovables y sostenibles, vol. 82, págs. 1097–1112, 2018. [En línea]. Disponible: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032117311103
Una respuesta
Gran artículo, felicitaciones Geyciane Pinheiro. Para los clientes que tienen un inversor central, les recomiendo que instalen un sistema de ventilación forzada, que yo uso en mi inversor.
En mi inversor la temperatura interna (según el sistema de monitorización) no supera los 29 grados y en los disipadores no llega a los 35 grados. Mi intención es aumentar la vida útil de los componentes internos. Sé que no evitaré el mantenimiento, sin embargo, si puedo posponerlo será un ahorro. El sistema de ventilación automática consta de un controlador electrónico con termopar, ventilador y fuente de alimentación.