¿Cuál es el inversor adecuado?
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¿Cuál es el inversor adecuado?
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. 36 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. energética xxi · Nº 107 · MARZO11 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA | INVERSORES PHOTOVOLTAIC SOLAR POWER | INVERTERS 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. energética xxi · Nº 107 · MARZO11 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 37 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA | INVERSORES PHOTOVOLTAIC SOLAR POWER | INVERTERS 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- 38 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 energética xxi · Nº 107 · MARZO11 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA | INVERSORES PHOTOVOLTAIC SOLAR POWER | INVERTERS 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 energética xxi · Nº 107 · MARZO11 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 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA | INVERSORES PHOTOVOLTAIC SOLAR POWER | INVERTERS 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- energética xxi · Nº 107 · MARZO11