¿Puede el inversor fotovoltaico reducir la potencia debido a la temperatura?

Los inversores para sistemas fotovoltaicos se componen, simplificadamente, de un módulo encargado de convertir los niveles de CC y buscar el punto de máxima potencia (MPP), un módulo que transforma la energía de CC en CA, un módulo de lógica y control, y un módulo sensor. En los módulos de conversión de niveles de CC y de CC a CA, el inversor trabaja con valores elevados de corriente y tensión, lo que provoca el calentamiento de los componentes electrónicos de conmutación, filtrado y acondicionamiento de potencia.

El calor generado por estos módulos, si no se disipa eficazmente, puede provocar el sobrecalentamiento de los componentes del inversor. Para evitar que este sobrecalentamiento dañe sus componentes sensibles, el inversor reduce su potencia de funcionamiento. Este mecanismo de protección se denomina "reducción de potencia por temperatura" o desclasificación de temperatura. La desclasificación de temperatura es una forma controlada de reducir la potencia del inversor.

La potencia que recibe el inversor del sistema fotovoltaico cambia constantemente y depende principalmente del nivel de irradiación solar y la temperatura de los módulos fotovoltaicos. El inversor puede modificar su punto de funcionamiento, es decir, la tensión y la corriente convertidas en el módulo de CC y CA, para adaptarse a los nuevos niveles de generación. Cuanto mayor sea la potencia recibida por el campo fotovoltaico, mayor será la generación de calor en los componentes del inversor.

Una vez alcanzada la temperatura máxima admisible de los componentes, el inversor modifica su punto de funcionamiento para reducir su potencia. La potencia se reduce gradualmente. En casos extremos, el inversor puede incluso apagarse por completo para protegerse. En cuanto la temperatura de los componentes sensibles desciende a un valor seguro, el inversor vuelve a su punto óptimo de funcionamiento.

El sobrecalentamiento y la reducción de temperatura se producen por varias razones, entre ellas:

• El inversor no puede disipar el calor debido a condiciones de instalación desfavorables;
• El inversor está funcionando expuesto al sol o en un ambiente con altas temperaturas que provocan que la disipación del calor sea inadecuada;
• El conjunto fotovoltaico y el inversor no están bien dimensionados (comparando la potencia del conjunto fotovoltaico con la potencia que puede operar el inversor);
• El lugar de instalación del inversor se encuentra a una altitud desfavorable (por ejemplo, altitudes cercanas a la altitud máxima de funcionamiento). Como resultado, es más probable que se produzca una reducción de la temperatura, ya que el aire es menos denso en altitudes más altas y, por lo tanto, menos capaz de enfriar los componentes;
• En el inversor hay una tensión continua alta (V_MPP).

La siguiente figura ilustra el efecto de la temperatura ambiente sobre la potencia que el inversor puede suministrar a la red.

El nivel de tensión CC tiene una influencia considerable en el aumento de temperatura del inversor, por lo que puede acelerar el sobrecalentamiento y la reducción de temperatura. El siguiente gráfico ilustra la reducción de la potencia de salida en relación con la temperatura ambiente para 3 niveles de voltaje CC (390 V, 600 V y 800 V). Esta reducción sirve para evitar el sobrecalentamiento de los componentes del inversor.

La siguiente figura (Figura 4) muestra a modo de ejemplo los diferentes puntos de funcionamiento de un sistema fotovoltaico (AustraliaAlice Springs; sobredimensionamiento del 140 % en relación con la temperatura ambiente y las tensiones de CC de funcionamiento del sistema. El inversor puede funcionar continuamente a su punto de máxima potencia siempre que se mantenga en el lado izquierdo de la curva característica (en azul).

En la figura podemos ver que el punto de nivel de funcionamiento CC más alto del inversor disminuye a medida que aumenta la temperatura ambiente: de 800 VCC a 15°C a 720 VCC a 40°C. No se permiten puntos de operación del inversor para temperaturas superiores a 31°C a 800 VDC.

La curva azul en el gráfico indica los límites operativos del nivel de CC en relación con la temperatura ambiente a la que puede funcionar el inversor.

Diseño del sistema y reducción de potencia por temperatura.

Aunque no es deseada, no es necesario evitar a toda costa la reducción de temperatura. Los sistemas siempre deben optimizarse para la mayor generación total de energía, incluso si en un corto período de tiempo el inversor sufre una reducción de potencia debido a la temperatura. Como la energía generada depende de la potencia del conjunto fotovoltaico y de la eficiencia del inversor, el objetivo es que estos valores sean lo más altos posible.

La Figura 5 muestra la cantidad de energía producida por año en una ciudad determinada de Alemania distribuida en los rangos de potencia en los que funcionó el inversor. La figura también muestra la frecuencia a la que opera el sistema en estos rangos de potencia.

El gráfico muestra, por ejemplo, que el sistema generó el 5,5 % de su energía total cuando la potencia suministrada por los módulos era el 70 % de la potencia nominal del inversor. Por lo tanto, se observa que la proporción de la generación total de energía cuando la potencia suministrada por el sistema fotovoltaico es igual o superior al 90 % de la potencia nominal del inversor es pequeña. El rango en el que se genera la mayor parte de la energía se encuentra entre el 20 % y el 90 % de la potencia nominal del inversor.

Supongamos que queremos mitigar los efectos de la reducción de potencia por temperatura en las horas punta de generación de un campo fotovoltaico seleccionando un inversor con una potencia nominal superior al 100 % de la potencia del campo. De esta forma, desplazaremos estos intervalos de generación a regiones donde la eficiencia del inversor es menor. Estas pérdidas causadas por operar el inversor en regiones de menor eficiencia son mayores que las ganancias derivadas de evitar la reducción de potencia debido a la temperatura en las horas punta de generación.

La reducción de potencia rara vez ocurre cuando el sistema fotovoltaico está bien diseñado. La reducción de temperatura es más común cuando el inversor tiene un tamaño insuficiente en relación con el conjunto fotovoltaico.

Disipación de calor en inversores.

Los inversores están diseñados con sistemas de refrigeración adecuados a su potencia. Pueden refrigerarse de dos maneras: pasivamente, disipando el calor a la atmósfera, o activamente, mediante sistemas de refrigeración con ventiladores. En los inversores con refrigeración pasiva, el calor se conduce desde los componentes a un cuerpo metálico con aletas y la disipación se produce por convección natural del aire.

El aire caliente es menos denso y tiende a ascender, impulsando el aire frío hacia los disipadores de calor del inversor. En los inversores con refrigeración activa, el sistema de refrigeración se activa al superar cierta temperatura. Al alcanzarla, los ventiladores se ponen en funcionamiento, impulsando el aire frío hacia los disipadores de calor del inversor, refrigerando así sus componentes.

Este diseño se suele adoptar en inversores de mayor potencia, ya que la disipación pasiva no puede refrigerar un inversor con la misma eficiencia que un sistema activo. Para evitar la reducción de potencia debido a la temperatura, el inversor debe instalarse correctamente para facilitar la disipación del calor. A continuación, se presentan algunas recomendaciones de instalación:

• Instale el inversor en ambientes menos calurosos, por ejemplo, un sótano en lugar de un ático;
• Elija un lugar con suficiente circulación de aire. Instale ventilación adicional si es necesario;
• No exponga el inversor a la radiación solar directa. Si está instalando un inversor al aire libre, colóquelo bajo sombra o instale un techo sobre él;
• Mantenga una distancia mínima entre inversores adyacentes u otros objetos como se especifica en el manual de instalación. Aumente la distancia si es probable que el entorno de instalación tenga altas temperaturas;
• Al instalar varios inversores, dispóngalos de modo que la entrada de aire de un dispositivo no extraiga aire caliente de otro equipo. Los equipos refrigerados pasivamente están orientados de tal manera que el calor generado por los disipadores fluye hacia arriba.

A continuación se muestra como ejemplo una de las posibles disposiciones que maximizan la disipación de un conjunto de inversores enfriados pasivamente.

La disposición óptima de los inversores de refrigeración activa depende de la posición de la entrada de aire y de la posición de la salida de aire caliente. A continuación se pueden ver varios ejemplos.

Otras causas de reducción de potencia por temperatura.

Los inversores suelen estar diseñados para estar por debajo de la temperatura de funcionamiento permitida, siempre que el sistema fotovoltaico esté diseñado correctamente y funcione en condiciones ambientales adecuadas. Sin embargo, la reducción de temperatura aún puede ocurrir debido a las siguientes razones:

• El inversor no pudo disipar suficiente calor a la atmósfera porque el disipador de calor o las rejillas del ventilador están obstruidos o el ventilador está roto. Limpiar las partes afectadas descritas en el manual de instalación del inversor;
• La potencia del inversor seleccionado es muy baja en comparación con la potencia del conjunto fotovoltaico. Esta configuración puede tener sentido financiero en algunos casos y se adopta cada vez más en las instalaciones. Incluso si el sistema fotovoltaico está diseñado correctamente, la potencia del conjunto fotovoltaico puede exceder la potencia nominal del inversor en eventos climáticos extremos, como una alta irradiación solar combinada con una baja temperatura de los módulos;
• El lugar de instalación del inversor no tiene características climáticas deseables (consulte la sección de datos técnicos en el manual de su inversor). En este caso, un instalador cualificado deberá trasladar el inversor a una ubicación más adecuada. Asegúrese de mantener las distancias recomendadas entre varios equipos. Aumente aún más esta distancia en entornos de instalación calurosos. Instale los inversores lejos de las salidas de aire caliente de otros inversores. Proporcione refrigeración adicional para el inversor si es necesario. Ventile el conjunto del inversor de tal manera que el flujo de aire pueda enfriar todos los equipos por igual.