AC/DC en FV: Inversores y conversión de energía
Introducción: ¿Qué tiene que ver AC/DC con las instalaciones solares?
¿Qué tiene que ver la legendaria banda de rock AC/DC con las instalaciones solares? El nombre de la banda pretendía simbolizar la fuerza bruta y las actuaciones cargadas de energía – igual que la energética corriente alterna (Alternating Current) y la fuerza bruta de la corriente continua (Direct Current) que fluyen por las instalaciones solares.
Para poder manejar estas corrientes "brutas", se emplea electrónica de potencia. En este artículo descubrirá cómo funcionan los inversores y por qué es importante la elección entre sistemas monofásicos y trifásicos.
Corriente continua y corriente alterna
El problema de las instalaciones solares: Las células solares generan corriente continua (DC), pero las aplicaciones del hogar necesitan corriente alterna (AC) a 50 Hz. Además, los almacenamientos por batería utilizan de nuevo corriente continua.
¿Qué diferencia ambos tipos de corriente?
Corriente continua (DC):
- La corriente fluye continuamente en una dirección
- Como un barco que solo navega río arriba
- Ejemplos: Baterías, células solares, dispositivos USB
Corriente alterna (AC):
- La dirección de la corriente cambia constantemente (50 veces por segundo a 50 Hz)
- Como un barco que navega constantemente río arriba y abajo
- Estándar en la red eléctrica europea
El inversor: Corazón de la conversión de corriente
Principio de funcionamiento
El inversor convierte la corriente continua de los módulos solares en corriente alterna conforme a la red. Esto ocurre mediante interruptores electrónicos (IGBTs o MOSFETs) que conectan y desconectan rápidamente la corriente continua:
- Entrada DC: Corriente continua de los módulos
- Troceado: Los interruptores de potencia conectan y desconectan la DC muy rápidamente con duraciones variables
- Modulación PWM: Mediante modulación por ancho de pulso se crea una curva sinusoidal a partir de los "trocitos de corriente continua"
- Salida AC: Corriente alterna conforme a la red a 50 Hz
Funciones importantes del inversor
- Sincronización con la red: Frecuencia y fase se ajustan a la red – en caso de desviación el inversor se desconecta
- Protección anti-isla (NA-Schutz): Desconecta la instalación en caso de fallo de red para protección del personal de mantenimiento
- Ventana de tensión y frecuencia: Inyección solo dentro de tolerancias permitidas
- Limitación de potencia: Muchas redes exigen limitaciones de inyección (p. ej., regla del 70%), que se implementan por software
MPPT: El centro de control
El Maximum-Power-Point-Tracker (MPPT) suele estar integrado en el inversor. Su función: obtener siempre la máxima potencia posible de la instalación solar, independientemente de la carga o las condiciones meteorológicas.
¿Cómo funciona el MPPT?
La potencia eléctrica es el producto de tensión y corriente: P = U × I
Cada módulo solar tiene una curva característica individual que depende de la corriente y tensión generadas. Esta curva característica cambia por:
- Sombreado
- Cambios de temperatura
- Irradiación variable
El MPPT rastrea continuamente la curva de potencia. El algoritmo común "Perturb and Observe" (Perturbar y Observar) funciona así:
- Se aumenta o reduce ligeramente la tensión (perturbación)
- Se mide el cambio de potencia resultante (observación)
- ¿Fue mayor la potencia? → Continuar en esa dirección
- ¿Fue menor? → Cambiar de dirección
Así el MPPT encuentra siempre el punto actual de máxima potencia.
Entender la corriente trifásica
Las redes europeas no utilizan corriente alterna simple, sino corriente trifásica (corriente alterna trifásica). Se trata de tres corrientes alternas que oscilan uniformemente desfasadas 120° en el tiempo.
¿Por qué corriente trifásica?
La eficiencia en la transmisión de energía es significativamente mejor:
- La corriente alterna monofásica necesita 2 cables
- La corriente trifásica solo necesita 3 cables para el triple de potencia
El truco: En cada momento las tres fases se compensan entre sí. Cuando la corriente máxima fluye por un cable, fluyen dos corrientes de la mitad de intensidad en los otros dos cables en dirección opuesta. Por ello no se necesita un cable de retorno separado.
Niveles de tensión en la red
| Nivel | Tensión | Aplicación |
|---|---|---|
| Muy alta tensión | 220–380 kV | Redes de transporte |
| Alta tensión | 60–110 kV | Distribución regional |
| Media tensión | 10–35 kV | Industria, redes urbanas |
| Baja tensión | 400 V (trifásico) | Hogares |
| Enchufe | 230 V (monofásico) | Una fase de la trifásica |
¿Inversor monofásico o trifásico?
La elección entre inversores monofásicos y trifásicos tiene amplias implicaciones para su instalación.
Inversor monofásico
Con un inversor monofásico, la corriente continua se convierte en una sola fase de corriente alterna. Típico para instalaciones pequeñas a medianas.
Ventajas:
- Construcción simple: Solo se necesitan dos cables para entrada y salida
- Más económico: Menores costes de adquisición por técnica más simple
- Compatibilidad: Muchos electrodomésticos solo usan una fase
Desventajas:
- Potencia limitada: Generalmente adecuado para instalaciones hasta 3–6 kWp
- Carga asimétrica: Con corrientes altas pueden surgir problemas
- No para grandes consumidores: Punto de carga de coche eléctrico o bomba de calor a menudo requieren trifásica
Inversor trifásico
Un inversor trifásico convierte la corriente continua en tres fases simétricas de corriente alterna. Estándar para instalaciones mayores.
Ventajas:
- Mayor potencia: Para instalaciones a partir de 6 kWp
- Mejor distribución de carga: Las corrientes más altas se reparten entre tres fases
- Inyección simétrica: Más compatible con la red, sin desequilibrio de fases
- Compatible con grandes consumidores: Bombas de calor, puntos de carga, vitrocerámicas
Desventajas:
- Mayores costes: Construcción más compleja, componentes más caros
- Instalación más compleja: Precauciones de seguridad adicionales y cableado
Recomendación
| Tamaño de instalación | Recomendación |
|---|---|
| Hasta 3 kWp | Monofásico suficiente |
| 3–6 kWp | Según los consumidores |
| A partir de 6 kWp | Trifásico recomendado |
| Con bomba de calor/cargador EV | Trifásico |
Rectificadores y caminos DC
Cuando se utilizan almacenamiento o acoplamiento DC, los rectificadores convierten la corriente alterna de nuevo en corriente continua. Esto es necesario cuando:
- Una batería acoplada en AC se carga desde la red
- Se quiere almacenar temporalmente exceso de electricidad de la red
También aquí se alcanzan altas eficiencias de aproximadamente 96–98%. Las pérdidas se producen principalmente por:
- Pérdidas de conmutación en los semiconductores de potencia
- Filtrado de armónicos
Las topologías modernas reducen estas pérdidas con alta frecuencia de conmutación y filtros optimizados.
La S de Software significa Solar
Además del hardware, el software es esencial para el control de la instalación solar. El software actúa como interfaz entre módulos solares, batería, contadores de electricidad y el usuario.
Funciones del software de la instalación
- Regulación y control: Estrecha colaboración con el MPPT
- Captura de datos de medición: Registro y gestión digital de todos los valores
- Transmisión de datos: Comunicación entre componentes
- Monitorización: Detección de fallos y caídas de rendimiento
- Cálculo de costes: Previsiones de producción y amortización
- Integración Smart-Home: Conexión con domótica
Conclusión
En resumen: La electrónica de potencia es el vínculo entre los módulos solares y la red doméstica. El inversor con MPPT integrado garantiza que la corriente continua de los módulos se convierta óptimamente en corriente alterna conforme a la red. La elección entre sistemas monofásicos y trifásicos depende del tamaño de la instalación y los consumidores.
Continúa en: En el siguiente artículo Almacenamiento por batería: El ayudante en días nublados todo gira en torno al almacenamiento de energía – por qué hace que las instalaciones solares sean realmente útiles y cómo determinar el tamaño adecuado.
Fuentes
- Innov Energy: Kleine Stromkunde
- Elettronew: Photovoltaik-Wechselrichter
- Elektronik-Kompendium: Warum 220 Volt?
- Optivolt: Ein- vs. dreiphasige Wechselrichter
- Peter Hofmann: Hybridfahrzeuge (Springer Vienna, 2010)
- Martin Doppelbauer: Grundlagen der Elektromobilität (Springer, 2020)