Simplifique las soluciones fotovoltaicas fuera de la red con cargadores/inversores integrados

Las soluciones energéticas fuera de la red basadas en paneles fotovoltaicos con seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) se están popularizando a medida que los usuarios adoptan fuentes de energía alternativas. Sin embargo, estos sistemas son complejos de instalar y configurar. La combinación de opciones exige varios inversores y cargadores, lo que aumenta los costos.

Ahora los diseñadores pueden simplificar y reducir el costo de la alimentación fuera de la red y la carga de baterías utilizando una única unidad integrada de carga CA/CC, inversión CC/CA y derivación de CA.

Este artículo repasa brevemente las aplicaciones energéticas fuera de la red y las complejidades de la carga de paneles fotovoltaicos/MPPT. A continuación, presenta las unidades integradas de MEAN WELL para mostrar cómo pueden simplificar la instalación y el funcionamiento al tiempo que reducen los costos. Una aplicación doméstica demuestra las ventajas de utilizar un producto integrado.

¿Qué es una aplicación de energía fuera de la red?

La energía no conectada a la red se está popularizando porque la tecnología ha madurado hasta un punto en que estos sistemas son fiables, eficientes y rentables, lo que permite a los usuarios independizarse de las empresas de suministro energético.

Como su nombre indica, la energía fuera de la red procede de fuentes de energía no eléctricas, normalmente paneles fotovoltaicos que convierten la luz solar en electricidad. La energía eólica también es una opción.

Para una completa autonomía de la red, los sistemas fuera de la red requieren varios componentes clave:

• Paneles fotovoltaicos: para convertir la luz solar en electricidad de corriente continua
• Cargador solar MPPT externo: para optimizar el flujo de energía a las baterías y maximizar el almacenamiento de energía.
• Baterías: para almacenar la energía generada por los paneles fotovoltaicos.
• Inversor CC/CA: para convertir la energía de la batería en la CA necesaria para los electrodomésticos.

Aunque muchos usuarios aspiran a una autonomía energética total, son conscientes de que los paneles fotovoltaicos pueden no generar energía suficiente para todos sus sistemas domésticos y toman la prudente precaución de volver a conectarse a la compañía eléctrica. La entrada de CA de la red se convierte en CC para aumentar la energía de la batería (Figura 1).

Figura 1: Sistema de energía alimentado por paneles fotovoltaicos, con entrada de corriente alterna de respaldo desde la red eléctrica. (Fuente de la imagen: MEAN WELL)

Un sistema autónomo fuera de la red es práctico, pero no es fácil de implantar. La instalación y el mantenimiento requieren atención, y agregar un retorno de energía para cargar las baterías aumenta la complejidad. Suponiendo que los paneles fotovoltaicos estén montados en la posición óptima y con el mejor ángulo, y que las baterías tengan capacidad suficiente para almacenar la energía necesaria para alimentar la vivienda durante las horas de luz solar limitada o nula, el cargador solar externo MPPT, la carga CA/CC, la inversión CC/CA y la derivación de CA son los elementos clave que determinan la eficacia del sistema.

Una de las funciones del inversor es convertir la electricidad de CC procedente de un sistema compuesto por paneles fotovoltaicos y baterías en una salida de 230 V/60 Hz. Un producto como el inversor ISI-501-212B de MEAN WELL acepta una entrada de 12 V_CC y ofrece una salida de onda sinusoidal real de 450 W con una distorsión armónica total (THD) de <3%, y una regulación de CA de ±3%.

En la configuración mostrada en la Figura 1, el inversor funciona como un cargador FV MPPT, incluidas las características de carga de corriente y tensión constantes que exigen las baterías de plomo-ácido. La unidad MEAN WELL proporciona una corriente de carga de hasta 30 amperios (A) con un rango de tensión MPPT de 25 V a 50 V para recargar baterías de plomo-ácido abiertas o selladas.

¿Qué es el MPPT?

El MPPT se utiliza con fuentes de energía variable, como los paneles fotovoltaicos, para maximizar la extracción de energía a medida que varían las condiciones. El MPPT resuelve los problemas derivados de la variación de la eficiencia de transferencia de potencia de la célula fotovoltaica en función del flujo solar, las sombras, la temperatura del panel fotovoltaico y las características eléctricas de la carga. A medida que cambian estas condiciones, también cambia la característica de la carga (impedancia) que ofrece la mayor transferencia de potencia. El sistema está optimizado cuando la característica de carga mantiene la transferencia de potencia con la máxima eficiencia, que es el punto de máxima potencia (MPP). MPPT es el proceso de ajuste de la característica de carga a medida que cambian las condiciones para alcanzar el MPP.

La mayoría de los MPPT modernos proporcionan alrededor de 93 a 97% de eficiencia en la conversión. El ISI-501-212B de MEAN WELL ofrece una eficiencia de conversión típica de 98%.

La salida del cargador MPPT ISI-501-212B se utiliza para cargar las baterías del sistema de alimentación fuera de la red utilizando la salida de los paneles fotovoltaicos. Para ello se utiliza un perfil de carga definido de corriente constante/tensión constante que utiliza MPPT para garantizar la mayor capacidad de la batería y maximizar el número de ciclos de carga de la misma (Figura 2). La etapa de flotación mantiene la batería a un nivel de carga casi completo para evitar la autodescarga.

Figura 2: Se muestra un perfil de carga de corriente constante/tensión constante que utiliza MPPT para optimizar la capacidad de la batería y maximizar el número de ciclos de carga. (Fuente de la imagen: MEAN WELL)

La importancia de la tensión alterna sinusoidal pura

Aunque el cargador MPPT ISI-501-212B es clave, es solo una parte de un sistema de alimentación fuera de la red. Por ejemplo, la inversión CC/CA es necesaria para convertir la energía de las baterías de plomo-ácido o de iones de litio (Li-ion) en la tensión de CA que necesitan los electrodomésticos. Estos aparatos deben alimentarse con tensiones de CA de onda sinusoidal pura para evitar problemas eléctricos como la corrección del factor de potencia.

Para ello, el inversor CC/CA utiliza un circuito de puente en H y circuitos de control como la modulación por ancho de pulsos (PWM). La combinación del puente H y el PWM crea una tensión media aproximada a una onda sinusoidal. El PWM suele estar controlado por una o varias unidades de microcontrolador (MCU) y consiste en variar el ancho de los pulsos para crear una tensión media que forme la onda sinusoidal aproximada. La distorsión armónica puede reducirse aún más mediante el filtrado inductor-capacitor (LC), que suaviza la forma de onda y produce una onda sinusoidal más limpia.

Por ejemplo, el inversor continuo NTN-5K-148 de MEAN WELL utiliza MCU para generar una onda sinusoidal real con una THD de <3% (Figura 3).

Figura 3: El inversor continuo NTN-5K-148 utiliza MCU para generar una salida de CA de onda sinusoidal real con una THD de <3%. (Fuente de la imagen: MEAN WELL)

Talla única

El uso de paneles fotovoltaicos, un inversor ISI-501-212B de MEAN WELL y un inversor continuo NTN-5K-148 permite a los diseñadores construir un sistema completo fuera de la red, pero el inversor continuo ofrece aún más. Dentro de un mismo producto, un desarrollador puede aportar carga CA/CC para baterías, inversión CC/CA para alimentar electrodomésticos y una unidad de derivación de CA.

El NTN-5K-148 requiere una entrada de 48 V y produce una salida de 110 V_CA. Puede suministrar 4000 W continuos con un rendimiento máximo de 93%. Forma parte de la serie NTN-5K de MEAN WELL, que tiene diversas variantes. Por ejemplo, el NTN-5K-2380 es un inversor de corriente CA/CC de alta fiabilidad de onda sinusoidal real y fuera de la red con cargador de corriente alterna integrado y función SAI (derivación de corriente alterna). Entre sus principales características se incluyen un diseño digital con control MCU, circuitos de control racionalizados que responden rápidamente a los cambios ambientales y mejoran la fiabilidad, un ventilador de alta calidad con bajo nivel de ruido acústico, salida continua de 5000 W y salida de 230 V_CA a partir de una entrada de 380 V_CC. La eficiencia máxima es de 94.5% (Figura 4).

Figura 4: El NTN-5K-2380 es un inversor de onda sinusoidal real CC/CA fuera de la red con cargador de CA integrado y función UPS (derivación de CA). Ofrece una potencia continua de 5000 W y una salida de 230 V_CA a partir de una entrada de 380 V_CC. (Fuente de la imagen: MEAN WELL)

La serie NTN-5K es adecuada para uso residencial, comercial, naval, automovilístico, minero, en obras y en zonas remotas sin acceso a la red eléctrica (Figura 5). La serie incorpora una función activa de reparto de corriente y puede conectarse con hasta 6 unidades en paralelo para proporcionar una mayor potencia de salida de CA.

Figura 5: Se muestra una aplicación doméstica típica de un NTN-5K. (Fuente de la imagen: MEAN WELL)

Conclusión

Los sistemas eléctricos fuera de la red son atractivos por la independencia que ofrecen. Sin embargo, estos sistemas son complejos de instalar y configurar. El inversor continuo de MEAN WELL ha simplificado y reducido el costo de la energía fuera de la red y la carga de baterías mediante el empleo de una unidad integrada de carga CA/CC, inversión CC/CA y derivación de CA. Un ejemplo es la serie NTN-5K de cargadores/inversores que se encargan de las funciones necesarias para la alimentación doméstica sin conexión a la red y la carga de baterías.