En este artículo abordaremos las ventajas que ofrecen los optimizadores de energía como solución al problema provocado por las sombras en los sistemas fotovoltaicos.
Lea también
- Comprender las curvas IV y PV de los módulos fotovoltaicos,
- Comprender los optimizadores para sistemas fotovoltaicos
- Comprender el efecto de las sombras parciales en los sistemas fotovoltaicos
Curva IV y PV de módulos y arrays fotovoltaicos.
Los módulos fotovoltaicos tienen un comportamiento eléctrico que se describe por su curva de corriente y tensión (IV). El producto del voltaje y la corriente da lugar a la curva de potencia y voltaje (PV).
Si tienes un módulo, un cadena (módulos conectados en serie) o una disposición (varios instrumentos de cuerda conectados en paralelo), siempre habrá curvas IV y PV equivalentes, como se muestra en las ilustraciones a continuación.
Las curvas IV y PV de los módulos, instrumentos de cuerda o los paneles fotovoltaicos tendrían siempre el mismo formato si los módulos de una instalación estuvieran siempre sometidos a la misma intensidad lumínica. Sabemos que esto no siempre es cierto.
En las plantas solares esto puede suceder, pero en las instalaciones sobre tejados, especialmente en zonas urbanas, la situación es muy diferente. Sólo uno cadena o un solo módulo sombreado puede interrumpir la generación de energía de todo un sistema.
En la Figura 2 vemos lo que sucede cuando solo unos pocos módulos de un cadena recibir sombra. Esto es lo que llamamos sombreado parcial.
La misma situación se puede encontrar en sistemas con varios instrumentos de cuerda en paralelo, incluso si sólo uno de los instrumentos de cuerda Tiene una pequeña parte de los módulos sombreados.
El problema destacado en la Figura 2 es la presencia de varios puntos de máxima potencia en las curvas IV y PV, fenómeno que se produce en situaciones de sombreado parcial de los módulos fotovoltaicos de un sistema.
En la curva IV, el punto de máxima potencia se ubica en la rodilla de la curva, mientras que en la curva PV, el punto de máxima potencia se ubica en el pico del gráfico.
Pero ¿cuál es el problema causado por la presencia de múltiples puntos de máxima potencia? Para entender esto es necesario entender cómo funciona el inversor fotovoltaico.
Hay un sistema de control en cada inversor fotovoltaico llamado MPPT (rastreador de punto de máxima potencia – rastreador del punto de máxima potencia).
¿Qué hace MPPT?
Cuando conectamos un conjunto de módulos a la entrada del inversor, respetando las características del equipo, éste no sabe cuántos ni qué módulos están conectados.
El inversor no conoce el modelo del módulo, la potencia, el número de módulos conectados ni la serie. Lo único que sabe el inversor es que debe extraer energía de los módulos y convertirla en corriente alterna.
El módulo fotovoltaico tiene un punto óptimo de funcionamiento que es su punto de máxima potencia, situado en la rodilla de la curva IV o en el pico de la curva PV, como ya hemos comentado. Una de las funciones del inversor fotovoltaico es ajustar el punto de funcionamiento de los módulos, haciendo que operen lo más cerca posible de su punto de máxima potencia.
Dado que el inversor desconoce las características de los módulos que están conectados a él, debe existir alguna forma de “seguimiento” del punto de máxima potencia. Esta es la función del sistema MPPT que se encuentra en todos los inversores solares. corbata, utilizado en sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica.
El sistema MPPT permite buscar el punto de máxima potencia del módulo fotovoltaico (o conjunto de módulos) a través de pequeñas perturbaciones. El inversor aumenta un poco la tensión de funcionamiento de los módulos y observa lo sucedido.
Si la potencia ha aumentado, sigue aumentando aún más. Si la potencia disminuyó en la primera perturbación, entonces el algoritmo le indica al inversor que se mueva en la dirección opuesta, disminuyendo el voltaje para observar si la potencia aumentará o disminuirá.
Este sencillo método, llamado perturbación y observación, equipa a casi todos los inversores solares. corbata. La idea del algoritmo es provocar ligeras perturbaciones en el voltaje de los módulos y observar qué sucede como resultado. De esta forma, el inversor sigue las curvas IV y PV en busca del punto de máxima potencia.
El algoritmo de perturbación y observación funciona muy bien cuando todo está perfecto, es decir, cuando todos los módulos tienen la misma intensidad de luz. En este caso el inversor podrá encontrar el punto máximo de la curva fotovoltaica.
Sin embargo, en situaciones de sombreado parcial, la mayoría de inversores no podrán encontrar el punto de máxima potencia del sistema debido a que existen varios máximos, como se ilustra en la Figura 4. En este ejemplo, hay un máximo global (que sería el punto de energía óptimo para el funcionamiento del sistema) y un máximo local de baja potencia.
En casos como el ilustrado en la Figura 4, que se dan en situaciones de sombreado parcial, el mecanismo MPPT casi siempre quedará atascado en algún punto del máximo local, siendo incapaz de ver la existencia del máximo global. ¿Qué significa esto en la práctica?
Traducido en un lenguaje sencillo: puedes tener un sistema de 10 kW que solo te proporcionará 300W por una simple sombra existente en tan solo 1 módulo de instalación.
Tiene que haber una manera de protegernos de las sombras parciales, que son una situación muy común en los sistemas fotovoltaicos. ¿Que podemos hacer?
Existen varias estrategias, que incluyen separar módulos en conjuntos más pequeños, adoptar tecnologías de inversor y optimizador, o utilizar inversores con algoritmos MPPT inteligentes.
¿Qué es el MLPE?
La electrónica integrada en el módulo fotovoltaico es una buena traducción de la expresión MLPE (Electrónica de potencia a nivel de módulo.), que se ha vuelto muy conocido en la literatura.
Tener la electrónica integrada en los módulos significa que acercamos la electrónica a los módulos, en lugar de llevar las conexiones eléctricas de los módulos a través de largos cables a los inversores tradicionales.
Un ejemplo muy conocido de MLPE son los microinversores, esos pequeños inversores que se instalan en los tejados, al lado de los módulos, eliminando el uso de inversores de potencia. instrumentos de cuerda. En este artículo, quiero presentarles a los lectores los optimizadores de energía, que son los hermanos menores de los microinversores, pero son un poco diferentes.
La electrónica integrada en el módulo es una alternativa al inversor. corbata tradicional. Por tradicionales nos referimos a aquellos inversores que reciben en sus entradas uno o más instrumentos de cuerda con un cierto número de módulos conectados en serie.
Eso es lo que llamamos inversor de cadena (inversor instrumentos de cuerda) o inversor central, nombre que damos a los inversores de alta potencia utilizados en plantas solares.
Optimizadores de energía: la última tecnología en MLPE
Los optimizadores de potencia para módulos fotovoltaicos son pequeños convertidores electrónicos que se pueden instalar directamente en los terminales del módulo fotovoltaico. Se pueden fijar debajo de los módulos, en los mismos rieles de montaje, o se pueden pegar directamente a las superficies posteriores o fijar a los marcos de los módulos.
El optimizador es esencialmente un convertidor de potencia DC-DC, con entrada y salida de corriente continua. Su función es servir como etapa intermedia de conversión de energía entre los módulos fotovoltaicos y el inversor. En el lugar de instrumentos de cuerda de módulos conectados al inversor, como en las soluciones tradicionales, encontramos instrumentos de cuerda de módulos con optimizadores.
En los sistemas fotovoltaicos con optimizadores los módulos no están conectados directamente entre sí, como vemos en la figura siguiente.
Cada módulo está vinculado a su propio optimizador. Los optimizadores se conectan sin serie, formando instrumentos de cuerda que luego se conectan a los inversores. La diferencia entre un cadena tradicional y un cadena con optimizadores se muestra en las siguientes figuras.
¿Cuál es la ventaja de los optimizadores? La mejor respuesta es que cada módulo fotovoltaico sea monitorizado y optimizado por su propio optimizador.
La función principal del optimizador es buscar el punto de máxima potencia de cada módulo de forma individual. Esta búsqueda se realiza de forma dedicada, desacoplando cada uno de los módulos de un sistema fotovoltaico.
El efecto práctico de esto es que la influencia de las sombras parciales prácticamente se elimina en todo el sistema fotovoltaico. Sólo los módulos sombreados se ven influenciados por la sombra, con una reducción de su generación debido a la menor intensidad de luz recibida.
Sin embargo, la presencia de sombras en algunos módulos no afecta al resto de módulos del sistema. Los módulos no sombreados siguen funcionando con normalidad, cada uno con su propia curva IV y curva PV, sin existencia de máximos locales y sin ninguna afectación al resto del sistema provocada por los módulos sombreados.
Hay pocos fabricantes a nivel mundial de optimizadores fotovoltaicos. Se trata de una tecnología relativamente nueva en el mercado y las soluciones existentes están cubiertas por un gran número de patentes. SolarEdge, Tigo y Maxim son ejemplos de empresas que desarrollan tecnologías optimizadoras para módulos fotovoltaicos.
SolarEdge tiene una gran participación en el mercado global y sus soluciones son las más conocidas. En Brasil ya existen varios sistemas en funcionamiento con esta solución.
Los optimizadores se están volviendo muy populares en Brasil. El método de instalación es similar al de los microinversores. El equipo se sitúa debajo de los módulos, como se muestra en las siguientes figuras.
Ventajas de los optimizadores
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Inmunidad a las sombras
La inmunidad a las sombras es quizás la principal ventaja de los optimizadores. Existen opiniones divergentes sobre el principal beneficio de los optimizadores, dadas las innumerables ventajas que ofrecen. Algunos expertos afirman que reducir las pérdidas debidas a desajuste del poder es la principal ventaja.
¿Vas a instalar un sistema fotovoltaico en un tejado con chimeneas, árboles, edificios o cualquier obstáculo que pueda provocar sombras? Ni lo pienses más: el uso de optimizadores puede maximizar la eficiencia del sistema fotovoltaico y proporcionar un resultado mucho mejor que el que se obtendría con los inversores convencionales.
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Instalación de módulos en diferentes condiciones y características.
Las sombras no son los únicos problemas que pueden resolver los optimizadores. Los optimizadores facilitan mucho la vida del proyectista y pueden viabilizar proyectos muy complejos en los que hay módulos distribuidos en varias pendientes de tejado, con diferentes inclinaciones y orientaciones de acimut (la orientación azimutal es la dirección en la que está orientado el panel: Norte, Sur, Este). y Oeste).
Con inversores tradicionales se recomienda nunca mezclar en el mismo cadena o en los mismos módulos de entrada MPPT con diferentes características (potencia, inclinación, orientación, etc.), mientras que en proyectos con optimizadores esto no supone un problema.|
Reducción de pérdidas por desajuste de potencia.
Esta es una ventaja poco conocida pero no menos importante de los optimizadores. En los sistemas fotovoltaicos tradicionales, los módulos están conectados en serie. Incluso cuidando de utilizar módulos del mismo fabricante y con la misma potencia, sabemos que un módulo nunca es igual a otro.
Pequeñas diferencias o desajustes de potencia entre los módulos de un cadena provocar una reducción en la eficiencia global del conjunto. Incluso si el inversor busca el punto de máxima potencia del cadena, individualmente los módulos no funcionarán exactamente en su punto de máxima potencia.
Este es un problema que se pasa por alto en proyectos con inversores tradicionales. instrumentos de cuerda. Los optimizadores, además de las ventajas que comentamos anteriormente, también pueden solucionar este problema, aportando un aumento adicional en la eficiencia del sistema fotovoltaico. Es decir, somos capaces de producir más energía, extrayendo siempre la máxima potencia de cada módulo del sistema.
Consideraciones finales
Hasta ahora hemos hablado de las ventajas, pero siempre es bueno hablar también de los puntos negativos y de los criterios de decisión para adoptar una determinada tecnología. Ninguna tecnología es perfecta.
Cuando la gente me pregunta cuál es la mejor tecnología de conversión para sistemas fotovoltaicos, siempre no estoy de acuerdo o respondo con un simple “no lo sé”. La mejor respuesta es que cada caso debe analizarse individualmente.
¿Está construyendo una planta solar de gran capacidad? No recomendaría usar optimizadores en este caso. A gran escala, el coste de los optimizadores hace inviable su aplicación.
Las grandes plantas solares deben construirse con inversores instrumentos de cuerda o inversores centrales de gran potencia. No hay mejor solución que estas para plantas grandes.
¿Está construyendo un sistema de generación micro o mini con una potencia de hasta unos cientos de kilovatios? ¿Tienes dudas sobre el uso de inversores? instrumentos de cuerda ¿Convencionales u optimizadores?
Tu decisión puede basarse en algunos de estos factores: seguridad, costo, optimización contra sombras, complejidad de la instalación u otros.
- Seguridad: Los optimizadores y microinversores (soluciones MLPE en general) son tecnologías muy conocidas por su seguridad. La posibilidad de que se produzca un incendio provocado por un arco eléctrico es prácticamente nula en sistemas con este tipo de tecnología. Esto no quiere decir, por otra parte, que un sistema con inversor tradicional no sea seguro. Cualquier instalación fotovoltaica bien realizada, bien diseñada y bien ejecutada ofrece un riesgo mínimo de incendio o fallo. Pero cuando se trata de soluciones MLPE, este riesgo no existe. En el caso de los microinversores (que no son el tema central de este artículo, pero nada nos impide mencionarlos aquí) el riesgo de arco eléctrico no existe ya que los sistemas trabajan con voltajes bajos, al no estar conectados los módulos en serie. En los sistemas con optimizadores, los módulos están conectados indirectamente en serie, pero los optimizadores cuentan con mecanismos de detección de arco eléctrico que interrumpen el funcionamiento en caso de riesgo de incendio. Además, otra ventaja (desde una perspectiva de seguridad) de los optimizadores es la ausencia de voltaje de circuito abierto en el cadena cuando el sistema no está en funcionamiento. Hablaremos de estas características de seguridad en otros artículos.
- Costo: a gran escala, los sistemas con optimizadores costarán más que un sistema con un inversor convencional. Para los sistemas de microgeneración (la mayoría de los sistemas residenciales) el coste de los optimizadores será imperceptible y la solución puede incluso resultar ventajosa. A medida que aumenta la potencia, el coste de los sistemas con optimizadores puede volverse prohibitivo, pero su aplicación sigue siendo viable en sistemas de hasta unos pocos cientos de kilovatios. También hay que tener en cuenta el aumento de eficiencia que aportan los optimizadores. Incluso en sistemas donde los optimizadores pueden añadir un coste de hasta en torno a un 10% al valor de los inversores, se debe realizar un estudio sobre la generación de energía adicional que proporciona esta tecnología. A largo plazo, considerando la vida útil del sistema fotovoltaico, los optimizadores pueden resultar ventajosos debido a la reducción de desajuste potencia de los módulos, aunque a primera vista parezcan una solución un poco más cara.
- Inmunidad a las sombras: No hay mucho que decir sobre este artículo. Si el sistema fotovoltaico está sujeto a muchas sombras, la mejor solución es utilizar MLPE. Depende del diseñador si la solución será utilizar un microinversor o un optimizador. En general, los optimizadores son económicamente ventajosos en comparación con los microinversores, pero ambas tecnologías son igualmente capaces de inmunizar los sistemas fotovoltaicos contra la sombra parcial.
- Complejidad de instalación: en cubiertas con mucha agua y poco espacio contiguo para la instalación de instrumentos de cuerdaMLPE puede ser la única o la mejor solución técnica posible. Mezclar en lo mismo cadena módulos con diferentes características o condiciones de funcionamiento nunca ha sido una buena idea. Pero esto no es un problema cuando se emplean optimizadores. El diseñador y el instalador obtienen mucha libertad con la reducción de la complejidad que ofrecen los optimizadores. Los módulos pueden instalarse en cualquier ubicación, sin preocuparse por incompatibilidades entre ellos, ya sea por las características o por el método de instalación de cada uno de los módulos del sistema fotovoltaico.
Modo de conexión
Construir un sistema fotovoltaico con optimizadores no es muy diferente a hacerlo con inversores tradicionales. instrumentos de cuerda. Los módulos se conectarán en serie (a través de los optimizadores) y luego la conexión de los cadena será llevado al inversor (esto se ilustra en la Figura 8).
Al igual que en el caso de los microinversores, existen en el mercado optimizadores para uno o dos módulos, como se ilustra en las siguientes figuras.
Conclusiones
Los optimizadores ofrecen varias ventajas para los sistemas fotovoltaicos. En este artículo exploramos ampliamente el tema de la inmunización de los sistemas contra el efecto de las sombras parciales, pero podemos mencionar otros beneficios de los optimizadores:
- reducción de las pérdidas de energía por incompatibilidad de módulos (con el consiguiente aumento de la energía generada)
- Mayor seguridad de las instalaciones (al eliminar el riesgo de arcos eléctricos y reducir las tensiones en circuito abierto de instrumentos de cuerda);
- facilidad de instalación de módulos con diferentes características de instalación u operación – casos más comunes: formación de instrumentos de cuerda con módulos ubicados en diferentes zonas del tejado o sujetos a diferentes condiciones de sombreado.
Si podemos mencionar alguna desventaja de los optimizadores, quizás podamos hablar del coste que estos equipos añaden a los sistemas fotovoltaicos. A gran escala (sistemas de alta potencia), los optimizadores tienden a volverse inviables. Sería impensable (aunque técnicamente posible) construir una planta solar de varios megavatios con optimizadores.
Sin embargo, en los sistemas de micro y minigeneración, los optimizadores pueden ser técnica y económicamente atractivos dado el beneficio de aumentar la eficiencia operativa del sistema fotovoltaico.
Los optimizadores están disponibles en el mercado brasileño y su uso viene creciendo significativamente. La conveniencia de utilizarlos debe ser evaluada por el diseñador junto con el consumidor que realizará la inversión en la compra del sistema fotovoltaico, tomando en cuenta las ventajas que presenta y el costo adicional que presenta la tecnología frente a los sistemas tradicionales.
