Por Jeremy Cook
La recolección de energía solar "de la nada" alguna vez pareció tan futurista como lo fue el vuelo humano en siglos anteriores. Hoy en día, la energía solar es una tecnología común, pero todavía existe el potencial de un gran crecimiento en eficiencia y uso.
Una tecnología de materiales preparada para transformar la gestión de la energía solar es el carburo de silicio (SiC). Los fabricantes de dispositivos solares utilizan este maravilloso material para construir sistemas inversores solares robustos y altamente eficientes que convierten la energía de CC que proviene de celdas fotovoltaicas (PV, por sus siglas en inglés) en energía de CA para uso doméstico y comercial. Hay tres arquitecturas de inversores principales: microinversor fotovoltaico, inversor fotovoltaico de cadena e inversor fotovoltaico central.
En este artículo se analizarán estas arquitecturas y cómo el SiC encaja en el panorama.
Tecnología de carburo de silicio: una larga historia que es nueva para hoy
Los científicos sintetizaron SiC por primera vez en 1891. El SiC se produce de forma natural, aunque es poco común en la Tierra. Inicialmente, el SiC se utilizaba como abrasivo y se ha empleado en una variedad de usos estructurales y eléctricos. Hoy, sin embargo, se implementa como un material semiconductor de vanguardia, con propiedades que superan con creces a sus homólogos de silicio tradicionales.
El desafío con el SiC es que, aunque se sintetizó hace más de un siglo, todavía es muy difícil lograr que tenga la pureza suficiente para su uso como semiconductor. A diferencia de la producción de silicio (Si) de grado de transistor (que se puede procesar desde un estado líquido hasta un cristal para corte), el cultivo de cristales de SiC implica un proceso de sublimación y deposición en el que el gas se transforma directamente en un sólido.
Por lo tanto, fabricar transistores de SiC es más complicado (y caro) que producir dispositivos de Si. Sin embargo, las propiedades mejoradas del SiC significan que este costo no siempre es una comparación de manzanas con manzanas. El SiC tiene una banda ancha prohibida, lo que significa que los transistores fabricados con SiC pueden funcionar a rangos de tensión, temperatura y frecuencia más altos que los dispositivos de Si.
El SiC también es un conductor térmico superior al Si y es mucho mejor para conducir la electricidad a temperaturas más altas. Uno de los usos más importantes del carburo de silicio es el de los sistemas de inversores solares.
Cómo los sistemas de inversores solares utilizan SiC
El uso de SiC para inversores solares presenta una amplia gama de beneficios, entre los que se encuentran:
- Mayor eficiencia
- Menor volumen y peso general del sistema
- Mejor administración térmica
- Mayor confiabilidad
Dado que los dispositivos de SiC conducen y soportan el calor mejor que los de Si, normalmente hay menos gastos de diseño y componentes para la refrigeración en la implementación general del inversor. Los inversores también pueden ser más pequeños, lo que significa menos costos de materiales. Si a esto le sumamos los otros beneficios de rendimiento que se describen anteriormente (además de la idea de que los costos de fabricación del SiC probablemente disminuirán con el desarrollo futuro), la propuesta de valor para el SiC parece muy atractiva.
Después de su fabricación, el inversor solar (o un conjunto de inversores) se debe instalar en un sistema fotovoltaico (PV, por sus sigas en inglés) para utilizarlo. Los instaladores de dispositivos solares tienen tres métodos o topologías principales para configurar el sistema.
Las tres topologías comunes de inversores fotovoltaicos solares
Un inversor, que invierte la energía de CC en energía de CA, es una tecnología de uso general. Se podría argumentar que se utiliza un inversor solar para convertir la energía de CC de un conjunto fotovoltaico en energía de CA. Hay tres tipos principales de topología de inversores fotovoltaicos: microinversor, inversor en cadena e inversor central. Cada uno es apropiado para diferentes situaciones y escalas.
Guía de aplicaciones de inversores solares
Microinversor
El plural "microinversores" es más preciso aquí, ya que una serie de pequeños (micro) inversores transforman la energía de CC de los paneles solares en CA para abastecer una casa u otra instalación pequeña. Cada sección solar produce entre 40 y 80 V CC, con una salida típica de 110 o 230 V CA.
El plural "microinversores" es más preciso aquí, ya que una serie de pequeños (micro) inversores transforman la energía de CC de los paneles solares en CA para abastecer una casa u otra instalación pequeña. Cada sección solar produce entre 40 y 80 V CC, con una salida típica de 110 o 230 V CA.
Estas configuraciones son muy flexibles, con un rango de potencia general de 200 W a 1,5 kW y una eficiencia moderada de cerca del 96 %. La reducción de tamaño que permite la tecnología SiC es especialmente atractiva en este escenario, ya que normalmente es necesario transportar e integrar varios inversores en los paneles. Sin embargo, los microinversores también son el tipo de sistema de inversor solar más costoso.
Inversor en cadena
Los paneles solares se unen (en una cadena) y envían energía de CC general a un solo inversor. Esta topología es apropiada para rangos de potencia de 1 kW a 200 kW, que alimentan desde una sola casa hasta edificios y complejos industriales. Las tensiones de entrada pueden ser de hasta 1500 V CC, con una salida de hasta 800 V CA trifásica. Esta topología es flexible y tiene una eficiencia de hasta el 98,5 %. Las capacidades de manejo de tensión más altas del SiC son ideales en este caso.
El fabricante de SiC, Infineon, creó un diseño de referencia de inversor en cadena fotovoltaica de 1500 V que emplea tecnología MOSFET de SiC con punto neutro activo fijo (ANPC, por sus siglas en inglés) y opera a 48 kHz. Este diseño es entre cinco y diez por ciento menos costoso que un sistema comparable que emplee tecnología solo de IGBT a 16 kHz en términos de costo por kW. Si bien los conmutadores y controladores de semiconductores que emplean tecnología de SiC en un diseño de este tipo tienen un precio superior al de sus homólogos de solo IGBT, permiten lograr ahorros considerables en componentes magnéticos que pueden compensar la máxima diferencia.
Las pérdidas potencialmente menores y el mayor rendimiento en aplicaciones de inversores hacen que un sistema basado en SiC sea aún más atractivo a largo plazo. Agregue múltiples conversiones en una configuración de solución de almacenamiento de energía (ESS, por sus siglas en inglés) y el argumento para emplear tecnología de SiC mejorada solo se vuelve más fuerte. Si bien lo que se describe anteriormente es para la implementación de un inversor en cadena fotovoltaico, otras topologías observarán beneficios similares de las capacidades del SiC.
Inversor central
Varias cadenas de paneles solares alimentan a un inversor central. Estas topologías son apropiadas para operadores a nivel de red y pueden producir más de 1000 kW (es decir, más de un gigavatio) de potencia. Las tensiones de entrada pueden ser de hasta 1500 V CC, con una salida de hasta 690 V CA trifásica. Esta tecnología es la menos escalable de las tres topologías, pero ofrece la mayor eficiencia (hasta 99 %). Las mayores capacidades de tensión del SiC son atractivas en este caso. Un inversor central permite la aplicación de las propiedades de alta eficiencia del SiC a gran escala. Por kW, los inversores centrales son el tipo de sistema de inversores solares menos costoso.
Beneficios del SiC para la generación de energía solar
Si bien ciertas características del SiC son más deseables en casos específicos, todos los beneficios del SiC se aplicarán a cada topología indicada. La relación costo-beneficio será aún más atractiva a medida que se desarrolle la tecnología. Empresas como Infineon, Microchip, onsemi, STMicroelectronics y Wolfspeed siguen impulsando la tecnología de SiC, ¡y podemos esperar que el SiC mejore la eficiencia energética en la industria solar y más allá!
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