Cinco mitos sobre los optimizadores de potencia de CC

Cuando se trata de potencia electrónica a nivel de módulo fotovoltaico (MLPE), los mercados fotovoltaicos del mundo están divididos. Si bien, es muy común que los instaladores solares en los EE. UU. instalen los llamados optimizadores de energía en los sistemas fotovoltaicos para cumplir con los requisitos de las normativas locales, estos dispositivos están sujetos a una considerable controversia en el resto del mundo.

Suecia, por ejemplo, ha emitido una prohibición parcial de la venta e instalación de optimizadores de potencia de un fabricante importante, porque no cumplen los requisitos de compatibilidad electromagnética (EMC) aplicables*.  Entonces, ¿qué pasa con los MLPE o optimizadores de potencia? ¿Qué es realmente relevante desde el punto de vista técnico y qué es solo marketing inteligente? En este artículo resolvemos cinco mitos comunes sobre los optimizadores de potencia.

Para determinar si un sistema fotovoltaico necesita realmente los llamados optimizadores de potencia (MLPE), habría que empezar por explicar qué son. Un dispositivo MLPE es básicamente un convertidor de tensión con capacidad de comunicación integrada. Concretamente es un convertidor de CC – CC cuya tensión de salida puede ajustarse para que sea mayor o menor que la de entrada.

En los nuevos, esta función es conocida como entrada de seguimiento de puntos de máxima potencia (MPPT).

Diseño del sistema: inversor string vs. MLPE

Tanto si están equipados con MLPE o con inversores en cadena, los sistemas fotovoltaicos cuentan con módulos fotovoltaicos que están conectados en serie para formar cadenas. La principal diferencia en el diseño es que en los sistemas con MLPE, la etapa CC-CC del inversor no está integrada en el inversor, sino que se distribuye en toda la matriz fotovoltaica en forma de muchos dispositivos pequeños.

Estos dispositivos adicionales “optimizan” la tensión de la cadena para que coincida con la tensión de entrada de diseño del inversor.

Mito 1) Los optimizadores de potencia generan más energía para las placas fotovoltaicas con sombra

Este mito se basa en la afirmación de que los optimizadores de potencia producen más energía cuando uno o más módulos fotovoltaicos están sombreados.

En teoría, algunos aspectos de esta afirmación pueden ser ciertos, pero en realidad  en un sistema fotovoltaico, un poco más de potencia de vez en cuando no resulta necesariamente en un mayor rendimiento de energía anual. Así que expliquemos lo que ocurre aquí: al igual que el seguidor de punto de máxima potencia (MPPT) de un inversor de cadena moderno, el optimizador de potencia ajusta el voltaje de funcionamiento de los módulos fotovoltaicos para que coincida con el voltaje total de la cadena de CC necesario para operar el inversor.

Si uno o más de los módulos fotovoltaicos se sombrean mucho en relación con los otros módulos de la cadena, el optimizador de potencia se comporta como cualquier otro seguidor MPPT. Esto se debe a que la trayectoria de la corriente a través de las partes sombreadas de los módulos fotovoltaicos se desvía, no por el optimizador de potencia, sino por los diodos de derivación del módulo fotovoltaico. Por lo tanto, el optimizador de potencia operará 1/3 o 2/3 del módulo fotovoltaico en un punto de potencia máximo basado en la tensión de salida reducida del módulo sombreado.

Los optimizadores de potencia solo son beneficiosos cuando hay mucha sombra

Las sombras son más abundantes a primera hora de la mañana y a última hora de la tarde, pero también es a estas horas cuando los niveles de irradiación solar son los más bajos. Por lo tanto, una ganancia de potencia del 4 % al 5 % por la mañana no se traduce en mucho rendimiento de energía adicional.

De hecho, este estudio, indica que el consumo de energía interno de los optimizadores tiene como resultado una subida y bajada permanente de la tensión y anula el rendimiento energético adicional de las horas de la mañana y la tarde.

Los optimizadores de potencia solo generan un aumento notable en el rendimiento de energía si hay secciones del sistema fotovoltaico muy sombreadas. Pero ¿quién construye un sistema fotovoltaico a la sombra?  La economía de dicho sistema sería cuestionable.

Por cierto, Si todo el sistema está sombreado uniformemente (p. ej., por una nube), los optimizadores de energía no ofrecen rendimientos adicionales en comparación con los sistemas con inversores string.

Optimización inteligente del rendimiento: la función patentada ShadeFix integrada en el software inversor de SMA optimiza el rendimiento de los sistemas fotovoltaicos en todas las situaciones, incluso cuando hay sombreado parcial.

Mito 2) Los optimizadores de potencia generan más energía adicional de la que consumen

Los optimizadores de potencia están sujetos a pérdidas de consumo en standby asociadas con el funcionamiento de las funciones electrónicas y  de comunicaciones integradas.

Estos dispositivos requieren energía que extraen de las placas fotovoltaicas cada vez que están en funcionamiento. Además, los optimizadores de potencia están casi constantemente frenando o impulsando el voltaje las 24 horas del día.

Recuerde, el optimizador se encarga de operar el módulo a un voltaje que permita que el conjunto en cadena coincida con elvoltaje de entradadel inversor (por ejemplo, 380 V_DC). En condiciones de funcionamiento subóptimas, cuando los módulos fotovoltaicos no coinciden (combinación de módulos fotovoltaicos con diferentes salidas de potencia), tienen diferentes ángulos de inclinación o si hay sombreado, los optimizadores de potencia se verán obligados a ajustar su voltaje de funcionamiento, lo que a su vez reduce su eficiencia.

Por regla general, cuanto peor sean las condiciones de funcionamiento, menor será la eficiencia, porque los dispositivos se ven obligados a trabajar más duro para ajustar el voltaje.

Pérdida de potencia debido al cableado adicional

También hay que tener en cuenta el aumento de la caída de voltaje, algo que no se tiene en consideración en las hojas de datos del optimizador de potencia. Un optimizador de potencia necesita alrededor de 2,7 m de cable de conexión adicional (cables de entrada y salida) para cada módulo fotovoltaico al que está conectado.

Este cableado adicional por sí solo da como resultado una caída de voltaje de alrededor de 0,27 V por optimizador de potencia a pleno sol. En un sistema de 12 kWp, eso es más de 145 W de potencia perdida.

La pérdida de potencia causada solo por el cableado adicional y por las pérdidas resistivas asociadas con los cuatro conectores adicionales por optimizador de potencia, puede acumularse rápidamente en el transcurso de un año.

Todos estos factores influyen en la reducción de la eficiencia del sistema fotovoltaico. En última instancia, los operadores de sistemas fotovoltaicos son los más preocupados por reducir los costes de electricidad y comprar menos electricidad de la red pública. Y para lograrlo, necesitan que su rendimiento energético sea lo más alto posible.

Mito 3) Los optimizadores de potencia tienen un 99% de eficiencia

Si bien los inversores exhiben una eficiencia ponderada europea de hasta casi el 99 %, no existe un método estandarizado para probar o verificar esta eficiencia ponderada europea de un optimizador de potencia a nivel de módulo.

Sin embargo, las hojas de datos pueden enumerar una «fuerte eficiencia» para el optimizador de potencia como un simple término de marketing sin ninguna definición común o procedimiento de prueba estandarizado. Aunque puede haber puntos de funcionamiento del optimizador de potencia en el que funcione con una eficiencia del 99 %, es probable que la mayoría de los puntos de funcionamiento trabajen a mucho menos del 99 %, lo que provocaría pérdidas adicionales del sistema fotovoltaico.

Análisis científico de las eficiencias de MLPE

Un estudio realizado en la universidad Suiza SHAW y publicado en el 2021, midió y analizó los sistemas fotovoltaicos con y sin MLPE, revelando que las eficiencias reales de MLPE dependen en gran medida de su punto de funcionamiento (relación de voltaje de entrada-salida y potencia) y, de manera realista, oscilarían entre el 96 % y el 97,5 %. Esto está alineado con los descubrimientos del estudio realizado por la universidad danesa SDU y publicado en el 2019.

También ofrece otra visión importante de por qué la diferencia de rendimiento anual entre un sistema fotovoltaico basado en MLPE y un sistema fotovoltaico basado en inversores de cadena es mucho menor de lo que algunas afirmaciones exageradas y basadas en el marketing que algunos fabricantes de optimizadores de potencia intentan sugerir.

Los trabajos de investigación siguen en desarrollo y podrían permitir una comparación sistemática del rendimiento de MLPE y los inversores string. El objetivo de la investigación es garantizar que las hojas de datos de los fabricantes contengan datos de rendimiento fiables y comparables. Solo entonces será posible que las herramientas para planificar sistemas fotovoltaicos realicen una comparación realista y económica de los rendimientos esperados, especialmente en casos de sombreado parcial.

Mito 4) Los optimizadores de potencia hacen que los sistemas fotovoltaicos sean más seguros

A los fabricantes de optimizadores de potencia les gusta vender su hardware adicional diciendo que hacen que los sistemas fotovoltaicos sean más seguros. Afirman que las tecnologías MLPE con capacidad de apagado rápido facilitarían la vida a los bomberos e incluso podrían ayudar a prevenir incendios.

Se supone que el dispositivo MLPE limita el voltaje de salida del sistema fotovoltaico a un nivel de voltaje seguro, pero esto solo funciona si en caso de incendio el dispositivo aún no ha llegado al final de su vida útil o no se dañó antes o durante el incendio. El bombero no tendrá los medios para verificar la funcionalidad confiable de cualquier electrónica en la azotea y todavía tendrá que tratar todo el sistema fotovoltaico como cualquier otro sistema eléctrico, con las medidas de seguridad y las distancias requeridas para sus operaciones de extinción de incendios. Además, cabe señalar que la protección contra la corriente eléctrica es mucho más relevante para la seguridad de la persona que la limitación en el voltaje de salida del sistema.

Recuerde, los sistemas fotovoltaicos equipados con dispositivos MLPE tienen un mayor número de puntos de fallo potenciales dentro del circuito de CC, ya sean conectores, transistores, condensadores o cualquier otro componente interno, lo que aumenta la probabilidad de que el sistema fotovoltaico falle. Por lo tanto, operar dispositivos MLPE en el techo puede aumentar el riesgo de que ocurran accidentes en primer lugar.

Prevenir eficazmente los arcos eléctricos

Si los dispositivos eléctricos y los componentes, como los conectores del sistema fotovoltaico, son defectuosos, puede producirse un arco eléctrico persistente y extremadamente caliente en el área defectuosa. Los circuitos AFCI están diseñados para evitar los arcos eléctricos, pero los productos que no fueron certificados según los últimos estándares internacionales (UL 1699B Ed.1, última revisión y borrador final del estándar IEC 63027 – para más información, leer el documento de SMA), , no siempre funcionan como esperado. Si no que le pregunten al gigante de los Estados Unidos, Walmart.

Con el fin de ofrecer a nuestros clientes de todo el mundo los estándares de seguridad más actualizados, la solución AFCI SMA ArcFix se integrará en todos los inversores de cadena SMA. Sin embargo, la función AFCI siempre debe ser considerada como un mecanismo de seguridad de respaldo o secundario.

Para evitar los arcos eléctricos, la atención debe seguir centrándose en la instalación adecuada de los cables, en lugar de aumentar el riesgo de incendio con componentes electrónicos de potencia adicionales o dispositivos MLPE. La siguiente regla general es cierta: cuantas menos conexiones, más seguro será el sistema.

El beneficio de SMA SafeSolar: los sistemas fotovoltaicos equipados con dispositivos MLPE requieren tres veces más conectores de CC que los equipados con tecnología string SMA. Más conectores significan un mayor riesgo de arcos eléctricos peligrosos e incendios.

Mito 5) Los optimizadores de potencia son buenos para el medio ambiente

A finales de 2020, el fabricante de optimizadores de energía SolarEdge afirmó haber enviado más de 65 millones de sus dispositivos a todo el mundo. Estos dispositivos están completamente encapsulados, pero contienen materiales valiosos como aluminio y cobre. Entonces, ¿qué pasa con el reciclaje? ¿Se pueden reciclar estos valiosos materiales cuando la vida útil del dispositivo llega a su fin, o simplemente terminan en el vertedero?

Si es esto último, esto equivaldría a unas 68.000 toneladas métricas de material no reciclable para el período mencionado anteriormente, incluido el embalaje. Que equivale aproximadamente a la carga útil de más de 600 aviones Boeing 747-400F de carga completa. En comparación, si interconectamos todos estos optimizadores de potencia para formar una cadena, daría la vuelta a nuestro planeta cuatro veces.

Cualquier mentalidad ecológicamente responsable se esforzaría por reducir el uso de materiales y eliminar los componentes superfluos en el diseño de los sistemas fotovoltaicos. Como obviamente se puede ver, el concepto mismo de sistemas MLPE está completamente en desacuerdo con la misión de la industria de la energía solar de lograr una generación sostenible de electricidad.

*Decisión de la Junta Nacional de Seguridad Eléctrica de Suecia del 2 de diciembre de 2021: «Prohibición de ventas. SolarEdge se ha visto obligado a dejar de enviar una serie específica de modelos de optimizadores. El Consejo Nacional de Seguridad Eléctrica también ha decidido que SolarEdge debe retirar los modelos en cuestión de sus distribuidores especializados. La investigación realizada por el Consejo Nacional de Seguridad Eléctrica reveló que el dispositivo genera perturbaciones inaceptables. En este caso, la decisión se aplica dos meses a partir de la fecha de recepción».