¿Cuál es el inversor adecuado?

Transcripción

ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA | INVERSORES
PHOTOVOLTAIC SOLAR POWER | INVERTERS
SMA IBERICA TECNOLOGÍA SOLAR
Actualmente, los minoristas especializados ofrecen miles de tipos de módulos y no dejan de
incorporar nuevos modelos. Cada año salen al mercado nuevos modelos, sobre todo en el área
de la tecnología de capa fina, pero existe también una enorme gama de inversores. Lo que
en un principio parece un doble dilema es, en realidad, la solución. De hecho, hay un inversor
adecuado para cada tecnología modular disponible.
¿Cuál es el inversor adecuado?
A la hora de elegir módulos fotovoltaicos, las opciones son prácticamente infinitas.
Por fortuna, hay un inversor adecuado para cada tecnología modular
N
o obstante, no siempre resulta
fácil encontrar la combinación
perfecta de módulo fotovoltaico
e inversor. Sencillamente, los módulos tienen muchas características diferentes: los
hay de varios tamaños y clases de potencia; están disponibles con y sin estructura;
en versiones flexibles o rígidas; fabricados
mediante procedimientos cristalinos o de
capa fina o hechos con materiales diferentes. De igual modo, hay varios modelos de
inversores fotovoltaicos que emplean distintas topologías y configuraciones.
Por tanto, aquí encontrará en primer lugar un breve resumen de las características
más importantes que ha de tener un inversor para ser compatible con un módulo, así
como de las tecnologías modulares disponibles. A continuación, nos centramos en
los problemas más frecuentes en el área
de los módulos fotovoltaicos e incluimos
una lista organizada según los diferentes
tipos de tecnología modular con las combinaciones adecuadas de módulos fotovoltaicos e inversores. Esto le evitará dichos
problemas.
¿Cuáles son las características más
importantes de un inversor?
En lo que respecta a la compatibilidad con
los módulos, probablemente la distinción
más importante que se hace es entre inversores sin transformador e inversores
con separación galvánica. Gracias a su
separación galvánica, los equipos con
transformador permiten la toma a tierra
de la instalación fotovoltaica, un requisito
de algunos tipos de módulos. Así, todos
los modelos de la instalación fotovoltaica
cambian a potencial positivo al conectar a
tierra el polo negativo de la instalación fotovoltaica, o a potencial negativo cuando
se conecta a tierra el polo positivo.
Actualmente, esto todavía no es posible
con los inversores sin transformador. En
este contexto, el potencial de generación
viene determinado por la electrónica, normalmente dividida de forma más o menos
simétrica en positivos y negativos. Un determinado porcentaje de corriente alterna
en el lado de CC también está condicionado por la electrónica: en concreto, las
topologías de mayor rendimiento hacen
que el potencial de la instalación fotovoltaica oscile a la mitad de la amplitud de la
red. Sin embargo, esta oscilación del potencial puede convertirse en un problema
si los módulos fotovoltaicos tienen una
alta capacidad parasitaria. En este caso,
es posible que se produzcan corrientes de
derivación capacitivas. Los inversores con
la llamada topología quiet rail, como el
Sunny Tripower de SMA, evitan esta oscilación y solo tienen factores de distorsión
de unos pocos voltios, a semejanza de los
inversores con transformador (fig. 1).
Which inverter is the right one?
S
pecialist retailers already offer thousands of module types today, adding
new ones regularly. Various new models are released every year, especially in
the area of thin-film technology, but there is also an enormous range of inverters.
What seems like a double dilemma at first,
is actually the solution. There is in fact a
right inverter for every available module
technology.
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Yet, it is not always easy to find the right
combination of PV module and inverter.
The modules simply have too many different characteristics. There are various sizes
and power classes. They are available with
and without frames, as flexible or inflexible
versions, manufactured using the crystalline or thin-film procedures and also made
of various materials. Likewise, there are
various models of PV inverters, employing
different topologies and concepts.
Therefore, first you find here a short overview of inverter characteristics relevant for
module compatibility, as well as of the module technologies available. Afterwards,
we focus on the most common problems
in the area of PV modules and show a list
of suitable combinations of PV modules
and inverters that avoid these problems;
organized by module technology.
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Resumen de las tecnologías
modulares disponibles
Hasta hoy, los módulos con células de silicio monocristalino y policristalino dominan
el mercado con una cuota superior al 80
por ciento. Consisten en láminas de silicio
con un espesor aproximado de 0,2 mm
que descansan entre dos capas de vidrio o
entre una capa de película y otra de vidrio.
Suelen estar cubiertas con una rejilla de extensiones de contacto en la parte frontal.
Algunas están en contacto con ambos polos a través de la parte trasera.
Las células de silicio de capa fina requieren mucho menos material semiconductor. Así, una capa de silicio amorfo con un
diámetro de apenas unos micrómetros se
deposita en un gran vacío y se divide en
células individuales que se conectan de la
forma correspondiente. En la parte frontal, se establece contacto eléctrico entre
las células a través de una capa de óxido
conductivo transparente (en inglés Transparent Conductive Oxide, abreviado en
adelante con TCO). Normalmente, este
proceso de fabricación comienza en el panel de vidrio exterior; después, se aplica la
capa de TCO, la de silicio amorfo y la de
contacto metálico en la parte posterior.
Esta estructura, denominada superestrato,
también se emplea en módulos de telururo
de cadmio (CdTe), mientras que los módulos de cobre-indio-selenio (CIS) suelen usar
la estructura de sustrato ensamblada al revés. Aquí, se empieza por la parte inferior y
sobre ella, se depositan de forma gaseosa,
capa a capa, el contacto de la parte inferior, el material semiconductor y el TCO
(vea la fig. 1). A diferencia de la estructura
de superestrato, en la del sustrato, la lámi-
Which inverter characteristics are
relevant?
In terms of module compatibility, the
distinction between transformerless and
galvanically isolated inverters is probably
the most important one. Thanks to their
galvanic isolation, devices with a transformer allow grounding the PV array, a requirement for some module types. Thus, all
modules of the PV system shift to positive
potential when grounding the negative
pole of the PV system, or to negative potential when grounding the positive pole.
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Fig. 1: Potencial eléctrico del generador fotovoltaico en diferentes topologías de inversores y variaciones de
toma a tierra (fuente: SMA). | Fig. 1: Electrical potential of the PV generator in different inverter topologies and
grounding variations (source: SMA).
na se encuentra entre el vidrio de cobertura y el TCO lo que impide el contacto
directo.
Los laminados flexibles constituyen de
por sí un segmento del mercado propio
y relativamente joven. Aquí, las distintas
capas funcionales se depositan sobre una
película, lo que hace posible la obtención
de células flexibles, finas y extremadamente ligeras. Estas células se pueden instalar
directamente sobre la superficie de materiales de construcción convencionales (p.
ej., tejados metálicos, toldos o alas de aeronaves).
Del resto de tipos de módulos, tan solo
unos pocos han alcanzado la fase de producción en masa. Otros tipos de células
cercanos a la fabricación en serie incluyen
las células solares con sensibilidad al tinte,
que se fabrican aplicando una especie de
This is not always possible with transformerless inverters – at least not with
the devices currently available. Here, the
generation potential is determined by the
electronics, usually divided more or less
symmetrically into positives and negatives.
A certain percentage of alternating current
on the DC side is also determined by the
electronics: particularly the more efficient
topologies cause the potential of the PV
array to oscillate at half of the grid amplitude. This potential oscillation may become a problem, however, if the PV modules
have high parasitic capacities; in this case
capacitive leakage currents may occur. Inverters with so-called “quiet rail” topology, such as the Sunny Tripower by SMA,
avoid this oscillation and only have voltage
ripples of a few volts, similar to transformer inverters (Fig. 1).
Overview of available module
technologies
Until today, modules with cells made of
mono- and polycrystalline silicon dominate
the market with a share of more than 80
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tinta orgánica o inorgánica; así como las
denominadas células concentradoras solares, en las que un sistema óptico concentra
la luz solar amplificada hasta 1.000 veces
en una célula de acumulación de gran rendimiento.
Los cuatro desafíos más
frecuentes en el área de los
módulos
1.) Corrosión del TCO: se produce cuando
el sodio del vidrio de cobertura del módulo reacciona con la humedad, bajo la
influencia del potencial negativo contra la toma de tierra. Parece que otra
condición previa es el contacto directo
percent. They consist of approx. 0.2 mm
thick silicon wafers that are either laminated between two panes of glass or between a film layer and a pane of glass. They
are usually covered with a grid of contact
fingers on the front; some are contacted
with both poles through the back side.
Much less semiconductor material is required for silicon thin-film cells. Here, an
amorphous silicon layer with a diameter
of only a few micrometers is deposited in
a high vacuum and divided into individual
cells that are connected accordingly. On
the front side, electric contact between
the cells is established through a transparent conductive oxide (TCO) layer. The
manufacturing process usually begins with
the outer glass pane; after this the TCO,
the amorphous silicon and the metallic
contact layer on the back are applied.
This so-called superstrate structure is also
used in connection with cadmium telluride
(CdTe), while copper-indium-selenide (CIS)
modules usually use the reversely assembled substrate structure. Here you begin
with the backside, onto which the backside contact, the semiconductor material
and the TCO are vapor-deposited layer for
layer (see Fig. 1). Most important difference: in the substrate structure the laminate
film lies between the cover glass and the
TCO, thereby preventing direct contact, in
contrast to the superstrate structure.
Flexible laminates form their own, rather
young market segment. Here the various
functional layers are deposited onto a film,
which makes it possible to produce flexi-
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entre el TCO y el vidrio de cobertura,
como sucede en las tecnologías de
superestrato. Como resultado de la
corrosión, el TCO adquiere un aspecto
lechoso desde los bordes del módulo
y pierde su conductividad eléctrica. El
módulo sufrirá pérdidas de potencia
irreversibles: poco a poco (al principio)
y de forma total una vez se alcance un
nivel de gravedad determinado.
2.) Polarización: los portadores de carga liberados en el semiconductor durante el
proceso fotovoltaico pueden acumularse alrededor de las áreas internas más
exteriores en determinadas circunstancias. Esto altera la curva característica
original y reduce el rendimiento de la
célula. Por lo general, este efecto aún
es reversible, por lo que los módulos no
sufrirán daños permanentes.
3.) Corrientes de derivación capacitivas:
fundamentalmente, un módulo fotovoltaico es una superficie con capacidad de carga eléctrica conectado a una
estructura con toma a tierra: se comporta de forma similar a un condensador. Si el inversor carga el módulo con
fluctuaciones de potencial en el lado de
CC, se producirán corrientes de desplazamiento periódicas, que también dependen de la subestructura y del clima.
Por tanto, el condensador del módulo
ble, thin and extremely light cells. These
can then be attached directly to the surface of conventional building materials (e.g.,
metal roofs, awnings or aircraft wings).
Of all other module types, only few have
reached the mass production stage. Other
types of cells on the threshold of serial production include dye-sensitized solar cells,
which are produced by applying a sort of
organic or anorganic ink, as well as socalled solar concentrator cells, in which an
optical system concentrates sunlight amplified at up to 1000 times onto a highly
efficient stacking cell.
cell’s output. This effect is usually still
reversible so that permanent damage
to the modules will not occur.
3.) Capacitive leakage currents: In essence,
a PV module is an electrically chargeable surface connected to a grounded
frame – it behaves similarly to a capacitor. If the module is charged with potential fluctuations on the DC side by
the inverter, periodic displacement currents will occur, which also depend on
the substructure and the weather. So
the “module capacitor” is periodically
charged and discharged, which leads
to flowing of according currents. In the
least favorable scenario, these currents
can become so large that the legally required residual current monitoring system of the inverter trips and separates
the grid connection.
4.) Insulation resistance (Riso): Every PV
system should be insulated against
ground as well as possible in order to
avoid leakage currents. In the worst
case, they may lead to injuries or damages. Therefore, modern inverters check
the insulation resistance of the PV array
every time prior to connecting. For systems with galvanic isolation, Riso monitoring with deactivation is not required,
since only double failures can lead to
a hard short circuit, so only a warning
message will appear.
However, a transformerless device
may not connect at values above 1 mA
(=1 kOhm/V), a value that a completely
functional, large PV array with a peak
The four most common challenges
in the area of modules
1.) TCO corrosion: It occurs when sodium
from the cover glass of the module
reacts with moisture, under the influence of negative potential against
ground. Another precondition is apparently direct contact between the TCO
and the cover glass, as found in superstrate technologies. Corrosion results in
the TCO turning milky starting from the
edge of the module and losing its electric conductivity. The module will suffer
irreversible power losses – slowly at first
and completely once a certain degree
of severity is reached.
2.) Polarization: The charge carriers set free
in the semiconductor during the photovoltaic process may accumulate around
internal boundary areas under certain
circumstances. This alters the original
characteristic curve and reduces the
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se carga y descarga periódicamente,
lo que origina el flujo de las corrientes correspondientes. En el peor de los
casos, estas corrientes pueden llegar a
ser tan grandes que el sistema de mo-
nitorización de la corriente residual del
inversor, requerido por ley, se dispara e
interrumpe la conexión a la red.
4.) Resistencia del aislamiento (Riso): todos
los sistemas fotovoltaicos deberían es-
tar aislados contra la toma a tierra en
la medida de lo posible para evitar corrientes de derivación. En el peor de los
casos, se podrían causar lesiones o daños. Por tanto, los inversores modernos
siempre comprueban la resistencia del
aislamiento de la instalación fotovoltaica antes de realizar la conexión. En
los sistemas con separación galvánica,
la monitorización de Riso con desactivación no es necesaria, dado que solamente los fallos dobles pueden desembocar en un cortocircuito, de modo
que solamente aparecerá un mensaje
de advertencia.
Sin embargo, es posible que un equipo
(Cigs): Due to their substrate structure, no TCO corrosion could
be observed here so far; grounding is not
necessary in most cases. However, it has
to be considered, however, that there is a
particularly large variety of manufacturing
processes for CIGS modules. A manufacturer recommendation should be obtained in
the individual case.
Flexible solar cells: Besides CIGS technology, flexible cells currently available base
on amorphous silicon; however, it uses a
substrate structure and has no glass contact. TCO corrosion has not been observed
here, grounding is not required. However,
their thin structure can lead to problems:
parasitic capacities of flexible laminates
can be particularly great when directly
attached to a metal surface or in case of
moisture and can therefore lead to especially large leakage currents when operated with certain transformerless inverters
(problem no. 3). In order to avoid unwanted deactivation, it is recommended to use
an inverter that has no notable fluctuations of potential on the DC side (transformer device or transformerless inverter with
quiet rail topology).
The inverters available allow realizing any
conceivable plant configurations. It is also
no problem to use any available module
technology as long as the planner takes
into consideration its particular characteristics and chooses the right inverter. As
the world market leader in the area of PV
inverters, SMA is able to offer the appropriate device for any purpose 7
gallium selenide
Fig. 2: Estructura de sustrato y superestrato en módulos de capa fina (fuente: SMA). | Fig. 2: Substrate and
superstrate structure in thin-film modules (source: SMA).
power of a few kW can easily reach under wet conditions. Such a situation occurs
more easily when the total surface of a PV
array belonging to an inverter is large. Sometimes, however, damaged plugs may
also be the cause of the problem.
Which inverter for which module?
The question is of course: Which of the
above problems apply for which module
technology? And which inverter provides
the matching solution? An initial orientation is provided by the following overview,
as well as in the table in Fig. 3.
Crystalline siliCon (also “C-si): The thick, encapsulated cells are quite robust chemically
and do not tend to corrode even in case of
negative potentials. Grounding is usually
not necessary. The considerable thickness
of these modules usually also leads to their
parasitic capacity being relatively small.
Most crystalline modules can therefore
easily be operated with all inverters. There
are two exceptions to this rule, however:
• Some cell types, especially those with
both poles on one side, tend to exhibit
polarization effects when operating under positive potential (problem no. 2).
Positive grounding of the PV array usually
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solves the problem – as mentioned earlier, most transformerless devices are not
suitable for this.
• Some glass-film modules have a grounded metallic structure integrated into the
backside film, so that their parasitic capacity can be surprisingly great (problem
3). In order to prevent capacitive leakage
currents, only inverters should be used
here that have no significant fluctuations
of potential on the DC side (transformer
devices or transformerless inverters with
quiet rail topology).
thin-film siliCon (a-si): Cells based on amorphous silicon have a tendency towards
corrosion of the TCO, which leads to a
permanent loss of output (problem no. 1).
The solution is to negatively connect the
generator to ground, which is why most
transformerless inverters are not a viable
option.
Cadmium telluride (Cdte): A similar relationship as for amorphous silicon is also suspected to exist for cadmium telluride-based
thin-film modules. Negative grounding is
also recommended here, unless the manufacturer explicitly recommends a different
solution.
Copper indium selenide (Cis) or Copper indium
39
Fig. 3: Combinaciones recomendadas de inversores de SMA y tecnologías de células. | Fig. 3: Recommended combinations of SMA inverters and cell technologies.
sin transformador no se conecte con valores superiores a 1 mA (=1 kOhm/V), un
valor que una instalación fotovoltaica de
gran tamaño completamente funcional
con un pico de potencia de unos pocos kilovatios puede alcanzar fácilmente en condiciones de humedad. Estas situaciones
se producen con mayor facilidad cuando
la superficie total de una instalación fotovoltaica perteneciente a un inversor sea
de gran tamaño. No obstante, a veces la
causa del problema es un enchufe dañado.
¿Cuál es el inversor adecuado
para un módulo concreto?
Evidentemente, la pregunta es: ¿cuáles de
los anteriores problemas afectan a cada
tecnología modular? ¿Y qué inversor tiene
la solución? El siguiente resumen sirve de
orientación inicial, así como la tabla de la
figura 3.
siliCio Cristalino (C-si): las gruesas células
encapsuladas son bastante sólidas químicamente hablando y no tienden a la corrosión ni siquiera en caso de potenciales
negativos. Por lo general, la toma a tierra
no es necesaria. El considerable espesor de
estos módulos también explica que su capacidad parasitaria sea relativamente pequeña. Por tanto, la mayoría de los módulos cristalinos puede utilizarse fácilmente
con todos los inversores. No obstante, esta
regla tiene dos excepciones:
• Algunos tipos de células, sobre todo
aquellas con ambos polos en una misma cara, tienden a mostrar efectos de
la polarización cuando funcionan con
un potencial positivo (problema 2). La
toma a tierra positiva de la instalación
fotovoltaica suele bastar para solucionar
el problema: como se ha mencionado
40
(Cigs): debido a la estructura de
tipo sustrato, hasta ahora no se ha observado corrosión alguna del TCO. En la
mayoría de los casos, la toma a tierra no
es necesaria. No obstante, debe tenerse
en cuenta la enorme variedad de procesos
de fabricación para los módulos CIGS. Es
aconsejable recibir las recomendaciones
del fabricante para cada caso concreto.
Células solares flexibles: además de la
tecnología CIGS, las células flexibles disponibles actualmente se basan en silicio
amorfo, aunque usan una estructura de
sustrato y no tienen contacto con el vidrio. No se ha observado corrosión en el
TCO; la toma a tierra no es necesaria. Sin
embargo, su fina estructura puede causar
problemas: las capacidades parasitarias de
los laminados flexibles pueden ser especialmente grandes cuando se pegan a una
superficie metálica o en caso de humedad
y, por tanto, pueden producir grandes corrientes de derivación cuando funcionan
con determinados inversores sin transformador (problema 3). Para evitar la desactivación no deseada, se recomienda el uso
de un inversor que no tenga fluctuaciones
de potencial notables en el lado de CC
(equipo con transformador o equipo sin
transformador con topología quiet rail).
Los inversores disponibles permiten realizar cualquier configuración de instalación
imaginable. El uso de cualquier tecnología
modular tampoco supone ningún problema, siempre y cuando la persona que
realice la planificación tenga en cuenta sus
características específicas y elija el inversor
adecuado. Como líder mundial en el mercado de los inversores fotovoltaicos, SMA
puede ofrecer el equipo adecuado para
cualquier fin 7
selenio
Los inversores
disponibles permiten
realizar cualquier
configuración de
instalación imaginable
antes, prácticamente ningún equipo sin
transformador es adecuado en este caso.
• Algunos módulos con láminas de vidrio
cuentan con una estructura metálica con
toma a tierra integrada en la lámina posterior, de modo que su capacidad parasitaria puede ser sorprendentemente grande (problema 3). Para evitar corrientes
de derivación capacitivas, en estos casos
solamente deberían usarse inversores sin
fluctuaciones de potencial significativas
en la parte de CC (equipos con transformador o inversores sin transformador
con topología quiet rail).
siliCio de Capa fina (a-si): las células basadas
en silicio amorfo tienden a la corrosión del
TCO, lo que conlleva una pérdida permanente de rendimiento (problema 1). La
solución consiste en conectar a tierra el
generador de forma negativa y, por este
motivo, la mayoría de inversores sin transformador no constituye una opción viable.
telururo de Cadmio (Cdte): existen sospechas de que en los módulos de capa fina
basados en telururo de cadmio se produzca una relación similar a la del silicio amorfo. También aquí se recomienda la toma a
tierra negativa, a menos que el fabricante
recomiende explícitamente otra solución.
Cobre-indio-selenio (Cis) o Cobre-indio-galio-
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¿Cuál es el inversor adecuado?

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