A medida que el mundo avanza hacia fuentes de energía más sostenibles y renovables, la energía solar se ha convertido en un actor clave en el mercado energético. Los sistemas solares fotovoltaicos (FV) están siendo ampliamente adoptados por viviendas, empresas y compañías eléctricas por su capacidad para generar energía limpia, disminuir la dependencia de los combustibles fósiles y reducir facturas de electricidad.

Sin embargo, uno de los retos de la energía solar es su carácter intermitente. El sol no siempre brilla, y la producción de energía puede ser irregular.  Los inversores solares requieren alta eficiencia y capacidades mejoradas, y aquí es donde la integración con los sistemas de almacenamiento de energía (ESS) se convierte en una potente solución para garantizar un suministro de energía constante y fiable. A medida que la tecnología continúa mejorando y los costes disminuyen, se espera que la adopción de sistemas de energía solar con capacidad de almacenamiento crezca, allanando el camino para un futuro energético más sostenible y resistente. Este artículo examina las ventajas, tipos y topológicas para integrar el almacenamiento de energía con sistemas fotovoltaicos en instalaciones residenciales y comerciales.

Comprender cómo funcionan los inversores solares y el almacenamiento de energía

Los inversores solares son el corazón de un sistema FV. Convierten la electricidad DC generada por los paneles solares en electricidad AC que luego puede alimentar la red. Además de la conversión, los inversores solares gestionan el flujo de energía, optimizan el rendimiento del sistema y proporcionan seguridad.

Los ESS almacenan energía para su uso posterior con el fin de ayudar a equilibrar la oferta y la demanda y mejorar la fiabilidad de la red. Existen varios tipos de ESS, como: :

• Los sistemas de almacenamiento de energía en baterías (BESS), como las «baterías de iones de litio», se utilizan debido a su alta densidad energética, su eficiencia y sus costes decrecientes. Son comunes en el almacenamiento en la red y en vehículos eléctricos.
• Los sistemas de almacenamiento mecánico, como el «almacenamiento hidráulico por bombeo», son la tecnología de almacenamiento a gran escala más consolidada. Consiste en el movimiento de agua entre dos embalses situados a diferentes alturas. Este tipo ofrece la forma de almacenamiento de energía de mayor capacidad.
• Los sistemas de almacenamiento térmico, como el «almacenamiento de sal fundida», se utilizan en las plantas de energía solar térmica para almacenar calor y generar electricidad cuando es necesario, especialmente en aplicaciones comerciales para almacenamiento a corto plazo.

En sistemas FV, los BESS de iones de litio se utilizan a menudo para almacenar el excedente de electricidad solar, garantizando un suministro constante y fiable durante periodos de máxima demanda, por la noche y en días nublados.

Ventajas de integrar el almacenamiento de energía con los inversores solares

La integración de los ESS con inversores solares proporciona independencia energética y fiabilidad. Al almacenar el exceso de energía solar, los usuarios pueden reducir su dependencia de la red y garantizar un suministro constante incluso durante cortes o baja generación solar. Esto permite utilizar la energía solar almacenada durante los picos de demanda o cuando los precios de la electricidad son más altos, reduciendo costes y minimizando la presión sobre la infraestructura eléctrica. Además, los ESS pueden contribuir a la regulación de la frecuencia y optimizar el rendimiento general de esta.

Segmentación de los sistemas de almacenamiento de energía

Los ESS se dividen en dos segmentos: delante del contador (FTM) y detrás del contador (BTM). Los FTM suelen estar vinculados a sistemas de alta potencia por encima de los 5 MW, mientras que los BTM se combinan con sistemas fotovoltaicos residenciales y comerciales en el rango de unos pocos kilovatios a 5 megavatios.

Tipos de inversores solares

Los inversores String funcionan conectando paneles solares en serie de manera que forman una cadena. La DC combinada que generan los paneles se envía a un único inversor, que la convierte en AC. Se utilizan habitualmente en instalaciones residenciales, comerciales y de servicios públicos. En el caso de los inversores trifásicos, se utiliza una tensión de panel de 1000 a 1500 V de DC con un convertidor elevador. Los inversores String son rentables y sencillos de instalar y mantener. El problema puede surgir si uno de los paneles de la cadena está sombreado o funciona por debajo de su capacidad, ya que en ese caso el rendimiento de todo el sistema puede verse afectado.

Por el contrario, los microinversores están diseñados para conectarse a cada panel individualmente y convierten la DC generada por cada panel en AC. A diferencia de los inversores String, conectados en serie, están conectados en paralelo. Por lo tanto, si un panel está sombreado o funciona por debajo de su capacidad, no afecta el rendimiento del resto. La potencia típica de los microinversores oscila entre 200 W y 1,5 kW con una tensión del arreglo fotovoltaico de 40 a 80 V. Este tipo de inversor es ideal para sistemas residenciales donde los paneles pueden orientarse en diferentes direcciones, ya que maximizan la producción de cada panel independientemente, mitigando el impacto de las sombras o del desajuste de los paneles. La principal desventaja es el elevado coste inicial.

La integración de ESS con paneles solares fotovoltaicos da como resultado un inversor híbrido. Este tipo de inversores funciona en ambos sentidos, la energía de DC generada se convierte directamente a AC o se almacena antes de convertirla . Los inversores híbridos optimizan el uso y el almacenamiento de la energía gestionando el flujo de electricidad entre los paneles, las baterías y la red, permitiendo priorizar la carga de la batería, la interacción con la red o el autoconsumo.

Sistemas de integración de almacenamiento de energía

Hay dos enfoques para integrar ESS con los sistemas FV: ESS acoplados a AC y ESS acoplados a DC. La distinción fundamental entre un sistema acoplado a AC y un sistema acoplado a DC radica en el recorrido que realiza la electricidad una vez generada por los paneles solares.

En un sistema acoplado a AC, el sistema FV y el ESS están conectados a través de sus respectivos inversores a la red de AC. Los paneles solares generan DC que un inversor solar convierte en AC. Por otro lado, el ESS suele estar equipado con sus propias etapas DC-DC bidireccionales e inversoras para cargar y descargar a la red de AC.

Por el contrario, en un sistema acoplado a DC, los paneles solares y la batería de almacenamiento comparten un bus de DC y utilizan principalmente un único inversor para convertir la energía de DC a AC para la red eléctrica o para uso doméstico. Los paneles solares pueden utilizarse para cargar directamente las baterías y, cuando resulta necesario, la energía de DC almacenada se convierte en AC mediante un inversor híbrido.

Topologías de potencia para inversores en cadena y ESS

Se pueden utilizar varias topologías de potencia para diseñar las etapas del convertidor de DC a DC y del inversor de DC a AC. Las diferentes topologías ofrecen distintas ventajas y se eligen en función de los requisitos de potencia, eficiencia, coste y complejidad. Estas son algunas de las topologías más comunes:

En la primera etapa del convertidor, el rastreador de punto de máxima potencia (MPPT) está diseñado para maximizar la producción de energía de un sistema FV optimizando individualmente el rendimiento de cada panel solar del conjunto. Ajusta la corriente de salida del panel a su punto de potencia óptimo antes de enviar la energía al inversor. Esta optimización es de vital importancia, ya que la potencia de salida de un panel solar puede variar debido a los cambios en la intensidad de la luz solar, el sombreado, la temperatura y el desajuste del panel.

La tendencia actual es aumentar la tensión del enlace de DC a 1000 V o 1500 V, para reducir las pérdidas de energía en el sistema y permitir añadir más paneles en serie. Al aumentar la tensión continua máxima de un inversor solar a 1500 V o más, las centrales fotovoltaicas resultan más rentables. Las topologías típicas para esta etapa son el interleaved booster, el puente completo con desplazamiento de fase (PSFB) y el convertidor LLC.

La segunda etapa de conversión consiste en un convertidor bidireccional DC-DC . Esta etapa se utiliza para cargar o almacenar energía en la batería y descargar o liberar esta energía cuando resulta necesario. Las topologías aisladas típicas son CLLC y DAB.

La etapa de potencia del inversor realiza la función de convertir la tensión del enlace de DC a tensión de AC para la red. Entre las topologías comunes se incluyen la B6 y la de puente en H de dos niveles, así como la ANPC y la HERIC de tres niveles. Las topologías de inversores multinivel se han vuelto populares en aplicaciones de media y alta potencia. Las ventajas de utilizar topologías de inversores de tres niveles son las siguientes:

1. disminución de la potencia disipada, lo que se traduce en un disipador térmico más pequeño;
2. reducción del rizado de la tensión para que el filtrado sea más fácil debido al menor contenido de armónicos;
3. interferencia electromagnética conducida significativamente menor.

Topologías del DC-DC

Se recomienda la topología PSFB con conmutación de voltaje cero (ZVS) en una configuración de enlace de DC de 400 V con MOSFET de SiC de 650 V para los semiconductores Q1 a Q4 a fin de lograr una alta eficiencia y densidad de potencia. Los semiconductores se controlan con una técnica de desplazamiento de fase que permite que se activen cuando la tensión a través de ellos es cero. Esto reduce considerablemente las pérdidas de conmutación y la interferencia electromagnética (EMI), así como el esfuerzo de tensión en los dispositivos semiconductores. Además, diodos de SiC de 650 V son la elección correcta para D1 y D2 en el lado primario. En el caso de una configuración de enlace de DC de 800 V, deben seleccionarse diodos y MOSFET de SiC de 1200 V. En el lado secundario de los interruptores Q5 a Q8, la selección de los interruptores de potencia depende de la tensión de la batería. Por ejemplo, en los en los ESS residenciales suelen utilizarse baterías de 48 V, mientras que el segmento comercial se inclina más por las baterías de 400 V.

Una de las topologías DC-DC bidireccionales más comunes es el convertidor CLLC. Utiliza dos inductores (L) y dos condensadores (C) en un circuito resonante paralelo. La disposición suele parecerse al «LLC» reflejado tanto en el lado primario como en el secundario. Los MOSFET de SiC se utilizan para los interruptores Q1 a Q4, mientras que los MOSFET de Si se seleccionan para los Q5 a Q8. El diseño CLLC logra una conmutación de ZVS los semiconductores del lado primario, lo que ayuda a reducir las pérdidas de conmutación y a mejorar la eficiencia. Puede lograr una conmutación de corriente cero (ZCS) en el lado secundario para mejorar aún más la eficiencia al minimizar las pérdidas de conmutación durante la desconexión. El convertidor CLLC requiere un control preciso para gestionar eficazmente la frecuencia de resonancia y las secuencias de conmutación.

El convertidor DAB consta de dos circuitos activos de puente completo en los lados primario y secundario, conectados por un transformador de alta frecuencia. Al igual que la topología CLLC, ambos puentes tienen interruptores activos que permiten el flujo bidireccional de energía. Generalmente, los MOSFET de SiC se utilizan para los interruptores Q1 a Q4 y los de Si para los interruptores Q5 a Q8. El convertidor DAB requiere algoritmos avanzados de control para gestionar con precisión el desfase entre los puentes.

Topologías del inversor (DC-AC)

La topología de punto neutro activo fijo (ANPC) es una configuración avanzada del inversor. Se basa en la topología convencional de fijación de punto neutro (NPC) añadiendo interruptores activos que ayudan a reducir las pérdidas de conducción y conmutación. El inversor ANPC puede generar tres niveles de tensión que reducen el esfuerzo de tensión en cada componente y, en consecuencia, se puede lograr una salida de AC más estable con una menor distorsión armónica total. Los interruptores Q1 a Q4 funcionan a la frecuencia de línea, mientras que los Q5 y Q6 modulan a 50 kHz o incluso más. En un inversor ANPC, todos los interruptores de potencia pueden tener una tensión de ruptura nominal de 600 o 650 V. El uso de MOSFET de SiC para los interruptores Q5 y Q6 aumentara la eficiencia y la densidad de potencia. El inversor ANPC requiere algoritmos de control avanzados. Esta topología es más compleja de diseñar y controlar en comparación con topologías como la de puente en H.

La topología de puente en H es popular debido a su simplicidad, eficiencia y versatilidad, ya que consta de cuatro elementos de conmutación. Para la línea de conmutación rápida Q3 y Q4 se suelen utilizar MOSFET de SiC de 650 V o GaN HEMT, mientras que para Q1 y Q2 la elección correcta son MOSFET de Si con diodo de cuerpo rápido (SJ MOSFET). El principal inconveniente de esta operación de dos niveles es el uso de un filtro de salida relativamente grande, ya que regenera la energía de nuevo durante el paso libre de la corriente al condensador de DC .

La topología de concepto de inversor altamente eficiente y fiable (HERIC) destaca especialmente por su alta eficiencia y su rendimiento superior en la conversión de DC a AC . En esta configuración, se añaden dos interruptores antiparalelos Q5 y Q6 al inversor de puente en H convencional para desconectar el lado de AC de los módulos fotovoltaicos cuando no hay generación de energía. Seis semiconductores conforman esta topología, en la que los cuatro del puente en H (Q1 a Q4) conmutan a alta frecuencia y los dos externos a frecuencia de red. Los semiconductores Q5 y Q6 permiten el paso de la corriente por la trayectoria más corta durante el período en que la tensión de salida del inversor de puente en H es cero. La principal ventaja del inversor HERIC es que solo dos interruptores funcionan simultáneamente en todos los modos de funcionamiento.

Los dispositivos de banda ancha (WBG) están aportando claras ventajas a las topologías de convertidores de DC-DC e inversores de DC-AC bidireccionales. Los dispositivos de SiC y GaN tienen energías de conmutación muy bajas y cargas de recuperación inversa (Qrr) despreciable o incluso cero, reduciendo las pérdidas de conmutación y de recuperación inversa.

Conclusión

La integración del almacenamiento de energía con los sistemas FV representa un avance en como aprovechamos y utilizamos la energía solar. Proporcionar un suministro eléctrico fiable y constante reduce la dependencia de la red y maximiza el uso de la energía solar. Estos sistemas ofrecen numerosos beneficios económicos y ambientales. Los dispositivos de SiC y GaN permiten el flujo bidireccional para topologías de rectificación síncrona, consiguiendo una alta eficiencia y densidad de potencia. Arrow Electronics siempre ha promovido la eficiencia energética y queremos contribuir a este debate demostrando las claras ventajas de optar por los dispositivos de SiC de 650 V, 1200 V y 2200 V con placas de evaluación que facilitan el esfuerzo de diseño y acortan los plazos de comercialización.

Omara Aziz - Global Power Technology Segment Leader, Arrow Electronics