Las regiones de difícil acceso con abundante luz solar se han beneficiado de esta fuente de energía "limpia". Sin embargo, para aprovechar al máximo los paneles solares en la utilización residencial, es necesario utilizar inversores diseñados específicamente para esta aplicación.
Nota: Artículo de la Revista Saber Electrónica 473 de septiembre/octubre de 2013 ART5577
El consumo mundial de electricidad ha ido en aumento, impulsado por el crecimiento demográfico y la mayor dependencia de los productos electrónicos. Según la IEA - International Energy Agency - se prevé un aumento del 60 % en la demanda mundial de electricidad durante los próximos 20 años. Vea la figura 1.
Observando las consecuencias del calentamiento global debido a los altos niveles de emisiones de CO2 impactando en el perfil de los recursos hídricos y alterando irreversiblemente las condiciones climáticas, han llevado a las naciones a buscar formas de utilizar racionalmente los recursos naturales y a fomentar nuevas formas de generación y transmisión de electricidad.
La tecnología fotovoltaica ha evolucionado significativamente en los últimos 10 años, lo que ha permitido la construcción de sistemas solares residenciales que aportan capacidad a la red (suministro energético compartido) o de forma autosuficiente (suministro energético individual). Vea la figura 2.
Los convertidores solares generalmente reciben energía de células fotovoltaicas (PV) y están compuestos por dos bloques convertidores básicos:
• Convertidor DC/DC para cargar baterías y suministrar potencial DC al convertidor DC/AC.
• El propio convertidor DC/AC genera 110 Vac-220 Vac (50 Hz-60 Hz) para la residencia y sincroniza la fase con la red existente en el caso de un sistema conectado a la red.
Los Microinversores solares son convertidores autónomos que realizan la conversión de energía de células fotovoltaicas a AC, gestionan la carga y la utilización de la batería, se comunican con el mundo exterior y están disponibles en dos categorías principales:
• Para el suministro individual de energía: Funcionan de forma autosuficiente con el objetivo de suministrar toda la energía que requiere la vivienda. Desde el punto de vista sistémico, se asemejan a los inversores tradicionales, también conocidos como «Nobreaks».
• Para suministro en red: Añaden capacidad de suministro a la red de AC existente. Se añade un sistema de sincronización de fase para permitir el funcionamiento de los Microinversores junto con la red de AC. Ofrecen funciones de seguridad, como la desconexión automática del proceso de conversión en caso de fallo del suministro de energía de la compañía eléctrica. Vea la figura 3.
Si bien los avances en la tecnología de difusión de semiconductores en estructuras monocristalinas y policristalinas ya permiten la fabricación de paneles solares con excelente eficiencia de conversión de luz a electricidad y excelente durabilidad para utilización residencial, se espera que los Microinversores Solares, que transforman la tensión de DC de las células fotovoltaicas en tensión de AC adecuado para suministrar productos electrónicos, ofrecen:
• Menor coste: Los fabricantes de sistemas inversores/convertidores se enfrentan diariamente al reto de ofrecer una optimización continua en la relación precio por watt.
• Mayor eficiencia sistémica: La eficiencia es el punto clave a la hora de analizar el retorno de la inversión en un sistema solar residencial.
• Robustez: Se garantiza un funcionamiento perfecto, ya que el sistema debe funcionar de forma continua durante años a hilo.
El esquema de la figura 4 ilustra la implementación de un Microinversor Solar. La tensión de DC de las Células Fotovoltaicas se convierte en un potencial de DC estable, que a su vez se convierte de nuevo en potencial de AC con alta eficiencia.
Las variaciones en la intensidad de la luz que incide en el panel solar provocan variaciones significativas en la tensión x la corriente DC que suministran los Microinversores. Los convertidores DC-AC que aumentan la tensión y generan una forma de onda sinutilizacionidal tienden a verse afectados por las variaciones del potencial de entrada, por lo que la mayor eficiencia del sistema se obtiene estabilizando el potencial que suministra el bloque convertidor DC-AC.
El bloque convertidor DC-DC en configuración de "Full-Bridge" del esquema anterior proporciona un potencial estable al convertidor DC-AC en una amplia banda de tensión de entrada (de las células fotovoltaicas) y en todo el régimen de carga en el que debe operar. De esta manera, el convertidor DC-AC funciona con una tensión de administración constante, con la máxima eficiencia posible.
Veamos algunas formas posibles de cumplir con los requisitos del sistema anteriores en la especificación del sistema que precede al desarrollo de un Microinversor Solar:
Reducción de costes: Se puede lograr una reducción de costos significativa al aumentar la frecuencia de conmutación de los convertidores DC-DC y DC-AC, lo que da como resultado tamaños de transformadores y capacitores más pequeños, un área de placa de identificación más pequeña y un flujo de calor mejorado.
Las últimas generaciones de transistores MOSFET en tecnología "Super Junction" ofrecen características optimizadas para operación en alta frecuencia, como menor carga de Gate y paquetes de baja inductancia, lo que resulta en menores pérdidas de conmutación y conducción a altas frecuencias.
Mejor eficiencia: Al operar en modo "Hard Switching", los convertidores pueden ofrecer una mejor eficiencia de conversión en una amplia gama de cargas operativas.
Incluso considerando las generaciones más recientes de transistores MOSFET en tecnología “Super Junction”, se observan menores resistencias entre Dreno y Source y menores operaciones en la región lineal de estos dispositivos como formas de incrementar la eficiencia de las etapas de los convertidores.
Robustez mejorada: El perfecto control de los convertidores DC-DC y DC-AC y la gestión de las baterías inciden directamente en la fiabilidad y robustez del Microinversor solar.
El circuito de estabilización de la conversión DC-DC, la gestión de la carga y la utilización de la Batería y el control de la conversión DC-AC requieren un cuidado especial para mantener los componentes de conmutación en condiciones de funcionamiento saludables, promoviendo así una vida útil más larga para todo el sistema.
Aunque pueden considerarse tareas individuales, es necesario establecer la mejor integración posible entre las etapas, buscando adaptarlas a la situación operativa. Por ejemplo, debería limitarse la demanda de energía AC a primera hora de la mañana, cuando el sol empieza a iluminar las células solares y las baterías tienen un nivel de carga mínimo.
Un potente microcontrolador que integra PWM de alta resolución (150 ps), convertidores AD de alta velocidad (hasta 4 Msps) con un core de procesamiento de 32 bits y una unidad de punto flotante (ARM® CortexTM-M4) permite la ejecución de tareas de control y operación sistémica del Microinversor Solar.
El esquema que se muestra en la figura 5 ilustra una implementación de Microinversor solar de bajo costo, alta eficiencia y extremadamente robusto utilizando dispositivos semiconductores de Infineon Technologies.
Conclusión
En conclusión, a medida que aumenta la búsqueda de fuentes alternativas de energía para utilización residencial, observamos una preferencia por la energía solar debido a la viabilidad de obtener los componentes que permitan su implementación.
Con la llegada de células fotovoltaicas mejoradas que permiten la fabricación de paneles solares para utilización doméstica, es necesario utilizar Microinversores solares que extraigan el máximo rendimiento de los paneles solares y las baterías. El desarrollo de las etapas de los Microinversores solares requerirá que los diseñadores de circuitos especifiquen y seleccionen cuidadosamente los componentes que permitan la implementación de sistemas de menor costo con mayor eficiencia y robustez.
