Sobredimensionamiento y recorte: ¿cuánto se puede sobredimensionar un sistema?

El término sobredimensionamiento o sobrecarga probablemente ya esté presente en tu vida diaria si trabajas en el sector fotovoltaico. Una de las principales preguntas, si no la principal, que recibimos como distribuidores de nuestros socios y clientes al presentarles un inversor fotovoltaico es: "¿Cuánto sobredimensionamiento soporta este equipo? ¿20%? ¿30%? ¿50%?". La respuesta es "depende".

No es lo que le gustaría oír al principio. Pero ¿por qué no es posible presentar un valor de sobrecarga de CC como absoluto? Y, suponiendo que esta premisa sea cierta, aunque el inversor soporte el 50%, 60%, ¿es esta siempre la mejor opción? Por cierto, ¿qué significa sobredimensionamiento y cómo debe analizarse?

Lo demostraremos a lo largo de este artículo, presentando números y simulaciones en PVsyst para respaldar nuestros argumentos y ayudar al lector a optimizar su sistema fotovoltaico, eligiendo la mejor opción de inversor.

Definición de sobredimensionamiento y recorte

Sobredimensionamiento, sobrecarga, FDI (inverter sizing factor) o incluso sobrecarga son algunas de las nomenclaturas más utilizadas en el día a día de nuestro sector. De manera sencilla, sobredimensionar supone realizar una instalación con una potencia del módulo fotovoltaico (Wp) superior a la potencia nominal del inversor.

¿Pero cuál es la razón para hacer esto? ¿No estamos desperdiciando energía? A continuación analizaremos las curvas de generación de un sistema fotovoltaico comparando las dos situaciones: con y sin sobredimensionamiento.

Como podemos ver, la curva de potencia de un sistema fotovoltaico presenta el tiempo (horas) en el eje X, mientras que en el eje Y tenemos la potencia del sistema. En el caso sin sobredimensionamiento (curva naranja), en los momentos de mayor irradiancia solar el inversor entrega la máxima potencia de los módulos fotovoltaicos.

En la misma figura vemos la situación de sobredimensionamiento (curva azul), cuando la potencia máxima de los módulos fotovoltaicos es mayor que la potencia de entrada del inversor. Se observa que la mayoría de las veces el sistema sobredimensionado entrega más potencia en comparación con el primer caso.

Esto representa una mayor generación de energía a lo largo del día, incluidas las mañanas y las últimas horas de la tarde. Pero, ¿qué ocurre en las horas punta, cuando la potencia de los módulos fotovoltaicos supera la potencia del inversor? El inversor no producirá más que su potencia nominal.

Por tanto, lo que ocurre se llama clipping, cuando el inversor limita la potencia de salida de los módulos fotovoltaicos de manera que la potencia entregada a la red eléctrica se limita al valor nominal del equipo, como también se ilustra en la Figura 1. ¿Pero cómo se hace esto? por el equipo? ¿Cómo hace el inversor este ajuste? Ya veremos a continuación.

También puedes ver: ¿Cuáles son los tipos de energía solar? ¡Entiende aquí!

¿Qué pasa cuando sobredimensionamos un sistema fotovoltaico?

Cuando el inversor llega al punto límite de su potencia nominal y hay más potencia disponible en los módulos (zona roja en la Figura 1), ¿qué sucede? ¿Este exceso de valor se transforma y disipa en forma de calor, calentando el equipo? No, esto no sucede como mucha gente piensa.

Sabemos que el inversor está analizando constantemente los parámetros de tensión y corriente recibidos de los módulos, ajustando y buscando el punto de máxima potencia. En estos casos, el inversor ajusta su valor de tensión DC para no superar la potencia máxima del equipo.

Como podemos ver a continuación, tenemos las curvas IxV de los módulos fotovoltaicos, donde el punto A sería el punto óptimo de funcionamiento del inversor, cuando entregaría la máxima energía posible a la instalación. Por otro lado, el punto B representa una situación de limitación de potencia de los módulos fotovoltaicos, cuando el inversor ajusta la tensión de entrada CC para no superar la potencia máxima permitida.

Lo que hace el inversor es aumentar el valor de tensión de la cadena desde el punto A al punto B, reduciendo la corriente inyectada por los módulos, de modo que la potencia instantánea en la curva gris (Figura 2 – con sobredimensionamiento) es el valor de potencia nominal del inversor. Como resultado, el equipo seguirá funcionando dentro de sus valores límite y no se producirá ni disipará ningún exceso de energía en forma de calor o cualquier otra forma que pueda dañar el equipo.

Pero quizás te estés preguntando: “¿No sería más interesante instalar un inversor de mayor potencia, para que en estos momentos con la potencia máxima disponible en los módulos fotovoltaicos pudiera aprovechar todo este potencial de generación de energía? En otras palabras, ¿no sería mejor instalar un sistema con una relación 1:1 entre la potencia de los módulos y la potencia nominal del inversor?”

¿Por qué sobredimensionar los módulos fotovoltaicos es una buena opción?

Existen varios factores que corroboran el uso de módulos sobredimensionados en relación al inversor en sistemas fotovoltaicos:  

• Condiciones STC: La información de potencia contenida en las fichas técnicas de los módulos fotovoltaicos se proporciona a efectos de parametrización, de modo que podamos comparar diferentes fabricantes bajo una misma referencia. Pero estos valores se alcanzan muy raramente durante el año. Debido a pérdidas de temperatura y baja irradiancia, la potencia suministrada por los módulos la mayor parte del tiempo es inferior a su valor pico en STC;
• Degradación del módulo: Como se puede observar en las fichas técnicas, todos los módulos tienen una degradación en su potencia con el paso de los años (en torno a un 2%-2,5% el primer año, y un 0,4-0,5% los años restantes, llegando al final de los 25 años de funcionamiento). rendimiento garantizado con alrededor del 80-85% de su potencia nominal reportada en la ficha técnica. En otras palabras, durante el período de operación, este sobredimensionamiento será cada vez menor;
• Maximizar la producción de energía: En muchos casos, el sobredimensionamiento permite maximizar la producción de energía del sistema fotovoltaico y reducir el LCOE (coste nivelado de energía). Además, en muchos casos existe una limitación en la capacidad instalada en el sitio, o el deseo de no exceder un determinado valor de demanda (75 kW en microgeneración o 5 MW en plantas de GD) por motivos económicos. Por tanto, el oversized se convierte en una opción válida también en este aspecto.

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¿Es seguro sobredimensionar?

Siempre que se respeten los límites del inversor indicados en la ficha técnica, no existe riesgo de sobredimensionar el inversor. En muchos casos, como veremos a continuación, el sobredimensionamiento es incluso beneficioso, si está bien diseñado. Además, ningún inversor perderá su garantía por un correcto sobredimensionamiento.

Hay que tener en cuenta, sin embargo, que en estos casos el inversor funcionará más cerca de su potencia nominal la mayor parte del tiempo, lo que requiere aún más atención a las condiciones de instalación y funcionamiento (ubicación adecuada, buena ventilación, mantenimiento preventivo, etc.) para gran funcionamiento.

Algunos estudios de caso

Una vez que comprendamos los conceptos de sobredimensionamiento, analicemos algunos casos de aplicación para comprender el porqué de la pregunta: “¿Qué sobredimensionamiento admite este inversor?” No existe una respuesta única y definitiva para todos los casos. Todas las siguientes simulaciones se llevaron a cabo utilizando el software PVSyst junto con los archivos .OND y .PAN proporcionados por los fabricantes.

Además, como el objetivo del artículo es presentar las diferencias con diferentes cargas, en estas simulaciones no se consideraron las pérdidas por sombreado. La ubicación elegida para la simulación fue Salvador/BA. Los resultados podrían ser diferentes en otros lugares.

El primer análisis que haremos será utilizando el inversor Sungrow SG8K3-D, de una potencia nominal de 8,3 kW, con 2 MPPT's (hasta 3 strings en total), junto con módulos Canadian Solar CS3U-360P. Este inversor dispone de tres entradas individuales, con un límite de tensión DC de 600 V. A continuación se muestran algunos datos de la ficha técnica de este equipo, que debemos tener en cuenta a la hora de dimensionar las strings de módulos fotovoltaicos:

Tabla 1 – Datos de entrada de CC del inversor Sungrow SG8K3-D. Fuente: Sungrow

Puntos a considerar

1. Tensión máxima de entrada:600V – Valor que no debe excederse en ningún momento durante el funcionamiento del inversor. Se debe considerar la tensión de circuito abierto (Voc) del módulo corregida para la temperatura local más baja;
2. Rango de voltaje MPP para potencia nominal y voltaje de entrada nominal:Valores de tensión a los que funcionará el inversor en su punto óptimo de funcionamiento. Realizamos las siguientes dimensiones:

Tabla 2 – Datos de dimensionamiento realizados

En primer lugar, simulamos con una potencia muy cercana a la potencia nominal del equipo (23 módulos = 8,28 kWp). También se simularon casos para 27 módulos (117,11%), 30 módulos (130,12%) y finalmente 33 módulos (143,13%), límite que es posible con estos módulos sin exceder los 600 V de voltaje máximo, corregido a 0 °C de temperatura mínima. .

Un simple cambio de región podría ser suficiente para impactar este límite máximo, lo que nos demuestra que hay un resultado fijo. A continuación tenemos algunos parámetros de generación y eficiencia proporcionados por PVSyst: energía (kWh) generada durante el primer año de operación del sistema:

• kWh/kWp/año: Cantidad de energía generada en el año en relación con la potencia punta instalada. Parámetro utilizado para comparar sistemas con diferentes potencias;
• PR (índice de rendimiento): Parámetro que indica la eficiencia de un sistema. Cuanto más cerca de 1, más eficiente será el sistema.

De forma resumida, presentamos las simulaciones obtenidas en este caso en la siguiente tabla:

Tabla 3 – Resultados obtenidos de las simulaciones

El primer punto sobre el que queremos llamar la atención con esta simulación se refiere al índice kWh/kWp/año. Como podemos ver, cuantos más módulos se inserten, mayor será la generación (kWh), pero a partir de cierto punto, el sistema producirá menos energía por kWp adicional y con un PR menor.

Además, podemos ver que cuanto más nos acerquemos al valor de voltaje óptimo (360 V en este caso), más eficiente será el sistema. "Entonces, ¿eso significa que no hay razón para sobredimensionar este inversor en un 43,13%, cuando con un 30,12% es más eficiente?" No necesariamente.

Un análisis económico individual de cada caso es fundamental, ya que la ganancia energética puede compensar el mayor coste, incluso con un rendimiento ligeramente menor, debido a limitaciones en el estándar de entrada, por ejemplo. "Por lo tanto, puedo considerar que el inversor SG8K3-D admite un sobredimensionamiento máximo del 43%". No, no es posible decir eso.

Hagamos el mismo análisis, con el mismo equipo, pero con módulos JA Solar de 440W.

Tabla 4 – Configuraciones de simulación con módulos JA Solar

En este caso podemos ver que debido a la limitación de voltaje máximo, pudimos colocar solo 30 módulos de este modelo. Y aun así llegamos a una potencia máxima de 13,2kWp, con casi un 60% de sobredimensionamiento:

Tabla 5 – Resultados obtenidos en simulaciones con módulos JA Solar

Pero como podemos ver en el índice PR (curva verde en la Figura 4), en este caso cae considerablemente, incluso con una mayor generación de energía (barras naranjas). La relación kWh/kWp disminuyó significativamente, debido a que el inversor opera fuera de su rango óptimo.

Una vez más, es importante recalcar que es necesario un análisis financiero para determinar la mejor opción de un sistema fotovoltaico, y que se analiza caso por caso. No hay ninguna verdad absoluta en las simulaciones anteriores que se adapten a todas las instalaciones. Se deben analizar cuidadosamente varios parámetros de diseño, como el modelo del módulo, el modelo del inversor, la ubicación de instalación, etc.

Para enfatizar ainda mais a particularidade de cada caso, vamos analisar um mesmo inversor trabalhando praticamente em sua potência nominal, com 100 módulos da Trina Solar de 405 W. A simples configuração diferente dos arranjos de módulos impacta em quase 1.300 kWh gerados a mais somente no primer año.

Hay un 2% más de energía simplemente porque el sistema trabaja más cerca de su voltaje operativo óptimo, con una disposición mejor distribuida.

Tabla 6 – Configuraciones de simulación con módulos Trina Solar

Tabla 7 – Resultados obtenidos en simulaciones con módulos Trina Solar

Conclusión

Como puede ver, un sobredimensionamiento bien realizado es fundamental para un mejor rendimiento del inversor fotovoltaico, un tema importante tratado en cursos de energía solar.

Hay varios factores relacionados con la construcción de módulos e inversores que lo justifican. Y la idea del artículo es precisamente sacar a debate este tema, para que se pueda realizar un análisis cuidadoso caso por caso, en lugar de simplemente asumir que un determinado porcentaje de sobredimensionamiento es ideal para cualquier inversor, en cualquier lugar.

Y demostrar también que, en ocasiones, puede resultar interesante sobredimensionar el equipo más allá de su punto óptimo, ya que resultará gratificante económicamente. Imaginemos un caso en el que la carga instalada en la unidad consumidora sea de 75 kVA o 112,5 kVA (valores muy habituales), y un cambio en esta implicaría costes por obras de refuerzo de la red y además cambiaría el grupo tarifario del cliente, con la necesidad de pagar el demanda contratada.

Puede resultar más interesante económicamente instalar un 40%, 50% o 60% de sobredimensionamiento en módulos fotovoltaicos, consiguiendo una mayor generación de energía sin tener que hacer ajustes en la red pública, incluso si el inversor opera con una eficiencia ligeramente inferior a su eficiencia máxima.

Analicemos el siguiente gráfico, obtenido con un inversor Sungrow SG40CX y módulos JA Solar de 440 W.

De acuerdo a los límites de tensión y corriente del equipo previstos en su ficha técnica, sería posible instalar hasta 63,36 kWp de módulos (8 strings de 18 módulos) dentro de los límites del equipo.

Como podéis ver en las barras naranjas, continuamente estaríamos generando más energía, pero ¿a qué precio? El rendimiento del sistema después de cierto punto disminuye con el aumento de la potencia instalada. ¿Es posible instalar? Si es. ¿Es financieramente viable? Esta respuesta debe buscarse para cada caso.

Después de cambios regulatorios en ANEEL (Agencia Nacional de Energía Eléctrica), este análisis se volverá imprescindible, ya que un sistema que no tenga el tamaño óptimo puede no ser económicamente viable. EL concepto de LCOE (Costo Nivelado de Energía) cobra mucha importancia en este análisis, para ayudar a definir el sobredimensionamiento correcto. Como sabemos, los sistemas fotovoltaicos son principalmente inversiones con beneficios económicos esperados.

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Referencias

• [1] R. Mounetou, IB Alcantara, A. Incalza, J. Justiniano, P. Loiseau, G. Piguet, et al., “Relación de sobredimensionamiento de matriz a inversor (CC-CA): ¿Cuáles son los criterios y cómo? ¿definir el óptimo?”, Proc. Fotovoltaico. Conf. de energía. Exposición, págs. 2813-2821, septiembre. 2014
• [2] SOUZA, JP Sobredimensionamiento y recorte en sistemas fotovoltaicos
• [3] J. Good y JX Johnson, “Impacto de la relación de carga del inversor en el rendimiento del sistema solar fotovoltaico”, Appl. Energía, vol. 177, págs. 475-486, septiembre. 2016
• [4] M. Hussin, A. Omar, S. Shaari y NM Sin, “Revisión del estado del arte: relación de potencia del inversor a la matriz para la técnica de dimensionamiento de película delgada”, Renewable Sustain. Energía Rev., vol. 74, págs. 265-277, 2017
• [5] Manuales de usuario y fichas técnicas de los inversores Sungrow. Disponible https://sungrowpower.com/pt-br Consultado en julio de 2020.