El impacto en los inversores de los índices de degradación de los paneles fotovoltaicos en función del clima

Científicos de la Universidad belga de Hasselt han descubierto que las tasas de degradación de los módulos solares en función del clima podrían tener un impacto significativo en la electrónica de potencia de los sistemas fotovoltaicos.

En el estudio “Assessing the impact of PV panel climate-based degradation rates on inverter reliability in grid-connected solar energy systems” (Evaluación del impacto de las tasas de degradación basadas en el clima de los paneles fotovoltaicos en la confiabilidad del inversor en sistemas de energía solar conectados a la red), publicado recientemente en Heliyon, los académicos advirtieron que utilizar tasas de degradación basadas en el clima similares para sistemas fotovoltaicos en todas las zonas climáticas del mundo representa una “aproximación poco realista” que puede conducir a resultados engañosos. “Esto puede dar lugar a una sobreestimación o subestimación de la vida útil de los sistemas fotovoltaicos, con el consiguiente impacto en las estimaciones de fiabilidad de la electrónica de potencia”, añaden.

El grupo de investigación evaluó los índices de degradación de los paneles en función de las tensiones climáticas en tres ubicaciones geográficas distintas: Genk (Bélgica), Accra (Ghana) y Kabd (Kuwait). Estos lugares representan climas moderados, cálidos y húmedos, y cálidos y secos, respectivamente.

Se utilizó un enfoque basado en la física que tenía en cuenta datos meteorológicos como la temperatura ambiente, la irradiancia, la velocidad y la dirección del viento, así como propiedades de los materiales como las constantes ópticas, térmicas y eléctricas, y los espesores de cada capa del módulo. También se tuvieron en cuenta parámetros del panel como los coeficientes de temperatura, la eficiencia cuántica externa y la disposición de las interconexiones.

Los investigadores explicaron que los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), que son los dispositivos de conmutación del inversor fotovoltaico, son extremadamente sensibles a las altas temperaturas y, sin una gestión adecuada, pueden provocar fallos o reducir su vida útil.

“Cada vez que se enciende un IGBT, se generan pérdidas de potencia en el interior de las capas de material, y estas pérdidas de potencia pueden generar calor en el interior del IGBT”, explicaron. “En consecuencia, cada activación induce un ciclo térmico atribuido a estas pérdidas de potencia”.

El equipo analizó las posibles tasas de degradación en un sistema fotovoltaico estándar de 4 kW que incluyera un convertidor elevador CC-CC y un inversor monofásico que utilizara cuatro IGBT con una tensión nominal de 700 V y una corriente nominal de 40 A. Consideró un escenario sin tasa de degradación intrínseca del módulo solar y un escenario que tuviera en cuenta la tasa de degradación intrínseca del sistema fotovoltaico.

Mediante una serie de simulaciones, los investigadores descubrieron que el inversor del sistema fotovoltaico situado en Kabd tiene una vida útil mucho más corta que los inversores situados en Genk y Accra.

“El inversor fotovoltaico de Kabd experimenta importantes tensiones térmicas sin los efectos de la degradación fotovoltaica, y el IGBT puede fallar en sólo 5 años, lo que provoca el fallo del inversor fotovoltaico en sólo 3,8 años”, subrayaron. “Con la introducción de la degradación fotovoltaica lineal, la vida útil del inversor fotovoltaico en Kabd aumentará a 5,8 años, pero sigue siendo inferior a la de los otros dos emplazamientos. El modelo de degradación fotovoltaica basado en la física aumentará la vida útil de Kabd a unos 6,5 años”.

El grupo concluyó que el despliegue de sistemas fotovoltaicos en climas cálidos y áridos podría requerir parámetros diferentes para el diseño del inversor. “Estos resultados demuestran la importancia de incorporar diversos factores y parámetros a la hora de evaluar la fiabilidad de un inversor fotovoltaico y su dispositivo de conmutación”, afirmó.