Fundamentos fotovoltaicos: estructuras, inversores y EBOS

La industria fotovoltaica avanza con rapidez. Los proyectos son cada vez más grandes, complejos y decisivos para la transición hacia la energía renovable. Sin embargo, todo proyecto solar depende de una serie de componentes esenciales que hacen posible su funcionamiento. Este artículo forma parte de nuestra serie Fundamentos fotovoltaicos. En esta entrega explicamos componentes clave de un sistema fotovoltaico, como las estructuras de soporte, los inversores y los sistemas EBOS (Electrical Balance Systems). Veremos qué son, cómo funcionan y por qué son importantes.

Tanto si estás empezando en el sector como si quieres repasar conceptos, esta guía te ayudará a comprender mejor los fundamentos.

Estructuras de soporte

Estructuras fijas

Las estructuras fijas utilizan bastidores inclinados que permanecen en una posición estable.

• Ventajas: menor coste, instalación más sencilla y poco mantenimiento en comparación con los sistemas móviles.
• Desventajas: los módulos mantienen el mismo ángulo durante todo el día, por lo que no aprovechan al máximo el recorrido del sol y generan menos energía.

Por estas limitaciones, los promotores y las empresas EPC rara vez utilizan estructuras fijas en proyectos de más de 1 MW.

Sistema de montaje fijo.

Sistemas de montaje con trackers

Los sistemas de montaje con trackers son dinámicos. Mediante motores y articulaciones, permiten que los módulos sigan el recorrido del sol a lo largo del día.

• Ventajas: mayor eficiencia, ya que los módulos siguen al sol y generan más energía durante el día.
• Desventajas: mayor coste, más espacio y mantenimiento adicional. Los motores y las piezas móviles también aumentan la complejidad y pueden generar espacios entre los módulos.

Los promotores y las empresas EPC suelen utilizar trackers en proyectos de más de 1 MW, donde el aumento de generación compensa la complejidad añadida.

Trackers solares y su movimiento a lo largo del día.

Espacios para motores

En los sistemas con trackers, los motores ajustan el ángulo de los módulos durante el día. Algunos utilizan un único motor conectado a varias filas, mientras que otros incorporan un motor por fila para moverlas de forma independiente.

Cuando la ubicación del motor coincide con un string de módulos, se deja un espacio para evitar interferencias entre los paneles y el conjunto del motor. Si la distancia es demasiado grande para los cables de los módulos, se necesitan cables jumper, lo que añade consideraciones de diseño e instalación.

Espacio para el motor en uno de los proyectos de un cliente de Shoals.

Bearing housing assembly (BHA)

Los espacios en una fila también pueden deberse a un Bearing Housing Assembly (BHA), es decir, un conjunto de soporte del rodamiento. Este componente suele utilizarse cuando el motor se encuentra en un punto, pero su movimiento se transmite a lo largo de toda la fila.

Al igual que ocurre con los espacios para motores, si el BHA coincide con un string de módulos, se genera una separación que debe cubrirse con cables jumper adicionales.

Bearing Housing Assembly (BHA) en el proyecto de un cliente de Shoals.

Inversores

Los paneles solares generan corriente continua (CC), mientras que la red eléctrica utiliza corriente alterna (CA). Los inversores convierten la CC en CA para que la electricidad pueda utilizarse, almacenarse o transportarse. Elegir entre distintos tipos de inversores tiene importantes implicaciones en el coste, la eficiencia y la operación del sistema.

Inversores centrales

Los inversores centrales son equipos de gran tamaño, con una potencia de salida habitual de entre 4 y 4,5 MW CA. Reciben la corriente continua de un gran bloque de módulos y suelen entregar la electricidad en media tensión, lo que mejora la eficiencia del transporte a largas distancias.

Configuración de un sistema con inversor central.

Ventajas:

• Menos puntos de fallo.
• Menor coste de inversión por vatio.
• Menor ocupación de espacio al concentrarse en una ubicación.
• Menos puntos de mantenimiento, lo que simplifica la operación.

Desventajas:

• Requieren electricistas altamente cualificados para su instalación, mantenimiento y reparación.
• Un solo fallo puede afectar a una gran parte del proyecto y provocar pérdidas de ingresos.
• Ofrecen menor flexibilidad y capacidad de ampliación.

Los inversores centrales son habituales en proyectos fotovoltaicos a gran escala, donde el control centralizado y la eficiencia son prioritarios. Sin embargo, el riesgo asociado a los periodos de inactividad debe gestionarse cuidadosamente.

Inversores de string

Los inversores de string son unidades más pequeñas, normalmente de hasta 60 kW CA en proyectos comerciales y 300 kW CA en proyectos solares comunitarios. Generan una salida de CA de baja tensión, que suele agruparse en un cuadro de distribución y elevarse mediante un transformador para cumplir los requisitos de la red.

Para igualar la capacidad de un inversor central de 4,5 MW CA, se necesitarían aproximadamente 18 inversores de string de 250 kW CA cada uno.

Ventajas:

• Más fáciles de instalar y mantener, con una mayor disponibilidad de técnicos cualificados.
• El fallo de un inversor solo afecta a una pequeña parte del sistema, lo que limita los periodos de inactividad.
• Son flexibles y escalables, por lo que resultan adecuados para proyectos con distintas condiciones de emplazamiento.

Desventajas:

• Mayor número total de puntos de fallo.
• Mayor coste de inversión al aumentar la escala.
• Su distribución por toda la instalación puede complicar las tareas de operación y mantenimiento (O&M).

Los inversores de string suelen elegirse en proyectos donde la modularidad y la resiliencia son más importantes que la eficiencia de un sistema centralizado

EBOS (Electrical Balance of System)

Aunque los módulos y los inversores suelen recibir más atención, los sistemas EBOS son los que conectan todos los componentes. Incluyen el cableado y los equipos eléctricos necesarios para transportar la energía de forma segura hasta la red o un sistema de almacenamiento en baterías.

Los componentes EBOS más habituales incluyen:

• Harnesses: conjuntos de cableado que agrupan la energía de uno o varios strings de módulos en un único cable.
• Cajas combinadoras: envolventes que reúnen varias entradas en un cable de mayor capacidad. Suelen incorporar seccionadores de CC.
• Fusibles: protegen cada cable o entrada de string frente a daños causados por sobrecorrientes o corrientes inversas.
• Cajas con seccionadores de CC: permiten interrumpir la corriente de una sección de la instalación para realizar diagnósticos, reparaciones o mantenimiento.

Estos componentes son esenciales para la seguridad y el rendimiento del sistema. Shoals diseña soluciones EBOS orientadas a la eficiencia, la fiabilidad y una larga vida útil.

Soluciones de cableado en sistemas fotovoltaicos

El cableado puede parecer sencillo, pero en los sistemas fotovoltaicos requiere soluciones especializadas. En una misma instalación se utilizan cables de distintos materiales y secciones. Los conductores deben transportar la corriente de forma eficiente y, al mismo tiempo, resistir durante décadas las condiciones ambientales. Según la ubicación del proyecto, deben soportar el calor, la humedad, la radiación ultravioleta e incluso la exposición a sustancias químicas.

• Materiales: cobre, cobre estañado o aluminio, según las necesidades de coste y conductividad.
• Conductores: pueden ser sólidos o multifilares, lo que influye en su flexibilidad y durabilidad.
• Aislamiento y cubierta: proporcionan protección frente al calor, las sustancias químicas, la humedad y la radiación ultravioleta.
• Materiales de aislamiento habituales: XLPE y XLPO, dos plásticos termoestables y duraderos obtenidos mediante reticulación.

Una elección inadecuada del cableado puede provocar fallos, riesgos para la seguridad y costosos periodos de inactividad. A medida que aumenta la escala de los proyectos, optimizar el diseño del cableado resulta fundamental para mantener bajo control los costes y los riesgos

Conectores fotovoltaicos

Casi todos los proyectos fotovoltaicos requieren conectores para establecer conexiones eléctricas entre los componentes de la instalación. Como mínimo, los módulos solares incorporan cables de salida preterminados con conectores fotovoltaicos. Estos mismos conectores también se utilizan habitualmente en harnesses fabricados en planta para facilitar una instalación plug-and-play.

Uno de los conectores fotovoltaicos más utilizados es el MC4, desarrollado originalmente por Staubli. Su nombre refleja su diseño: «MC» significa «Multi-Contact» y el «4» hace referencia al diámetro de 4 mm del contacto.

En el sector, el término «MC4» se ha convertido en una denominación genérica para conectores similares fabricados por otras empresas. Sin embargo, no se recomienda combinar conectores de distintos fabricantes, ya que esta práctica puede comprometer la seguridad y el rendimiento.

Conectores fotovoltaicos

En proyectos de gran tamaño, incluso los problemas menores con los conectores pueden provocar retrasos importantes o pérdidas de energía. Esto pone de manifiesto la importancia de utilizar componentes estandarizados y de alta calidad en todo el sistema.

Harnesses

Los harnesses simplifican la instalación al agrupar cables precortados y conectores en un único conjunto.

• Conectan los strings de módulos con cajas combinadoras o cables troncales.
• Pueden gestionar uno o varios strings.
• Al estar preensamblados, reducen la mano de obra y el tiempo de instalación.

En la práctica, los harnesses reducen la necesidad de cortar y realizar terminaciones en campo, lo que disminuye el riesgo de errores durante la instalación. Además, facilitan las conexiones plug-and-play y agilizan la puesta en marcha del proyecto.

Cajas combinadoras

Las cajas combinadoras reúnen las salidas de varios strings en un único cable de mayor capacidad. Constituyen un punto clave de agrupación dentro del diseño del sistema.

Entre sus elementos más habituales se incluyen:

• Protección mediante fusibles: protege cada entrada frente a sobrecorrientes o corrientes inversas. Las configuraciones pueden incluir fusibles estándar en las entradas positivas, fusibles de alta corriente en las entradas positivas o fusibles estándar tanto en las entradas positivas como en las negativas.
• Dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD): ofrecen protección adicional frente a sobretensiones transitorias causadas por perturbaciones en la red eléctrica, maniobras de conmutación e incluso impactos de rayos.
• Seccionadores de CC: permiten aislar los strings de entrada del resto de la instalación para realizar tareas de reparación o mantenimiento.

En conjunto, estas funciones hacen que las cajas combinadoras sean esenciales para agrupar la energía de forma segura y eficiente en la mayoría de los sistemas fotovoltaicos a gran escala.

Fusibles

Los fusibles son esenciales para proteger el cableado y los componentes. Evitan daños causados por sobrecorrientes o corrientes inversas, protegiendo tanto los equipos como a las personas.

Los tipos de fusibles más habituales son:

• Fusibles en línea del harness (salida): se instalan en el harness, en la salida hacia el cable del bus troncal, para protegerlo frente a cortocircuitos o sobrecargas.
• Fusibles de la caja combinadora: se encuentran dentro de la caja combinadora y protegen los strings de entrada en los conductores negativos y/o positivos.
• Fusibles en línea del harness (entrada): se instalan en el harness, en el punto de conexión de cada string. Su función es proteger ese string frente a sobrecorrientes o corrientes inversas.

Sistemas de bus troncal

Como alternativa a las cajas combinadoras tradicionales, los sistemas de bus troncal utilizan un cable principal de gran capacidad con derivaciones para agrupar directamente las entradas.

Entre sus ventajas se incluyen:

• Eliminan la necesidad de utilizar cajas combinadoras independientes.
• Reducen los trabajos de zanjeo, ya que suelen instalarse en superficie.
• Facilitan una instalación plug-and-play cuando se utilizan junto con harnesses.

Gracias a estas ventajas, los sistemas de bus troncal se utilizan cada vez más en proyectos fotovoltaicos a gran escala donde reducir los costes de instalación y de operación y mantenimiento (O&M) es una prioridad. Las empresas EPC y los promotores suelen combinarlos con cajas con seccionadores de CC para realizar el mantenimiento de forma segura

Cajas con seccionadores de CC

Los seccionadores permiten aislar distintas secciones de una instalación. Se utilizan con sistemas de bus troncal o con cajas combinadoras que no incorporan seccionadores.

Algunas cajas con seccionadores también incorporan dispositivos de protección contra sobretensiones (SPD), mientras que otras están diseñadas para alojar varios interruptores-seccionadores bajo carga (LBD) en una misma envolvente. Esta flexibilidad permite utilizarlas en una amplia variedad de configuraciones del sistema. Además, mejoran la seguridad al permitir que los técnicos desconecten y aíslen determinadas secciones del sistema durante las tareas de mantenimiento.

Cómo se integra todo

Una instalación fotovoltaica es mucho más que paneles e inversores. Las estructuras de soporte, el cableado, los harnesses, las cajas combinadoras y los seccionadores desempeñan un papel esencial para que los proyectos sean seguros, eficientes y fiables. En conjunto, constituyen la base de sistemas fotovoltaicos diseñados para funcionar durante décadas.

This post is just the beginning. In Solar Speak 102, we’ll dive deeper into PV systems, exploring advanced design choices, emerging technologies, and strategies to boost long-term performance. Stay tuned for the next installment, where we’ll continue building fluency in the language of solar.

Comprender estos componentes es fundamental para todos los profesionales de la cadena de valor del sector fotovoltaico. Tanto si desarrollas proyectos como si gestionas activos, suministras equipos o estás explorando una carrera en el sector de la energía renovable, conocer cómo se integran las distintas partes te permitirá tomar mejores decisiones y evitar errores costosos.

Este artículo es solo el comienzo. Profundizaremos en los sistemas fotovoltaicos y abordaremos decisiones de diseño más avanzadas, tecnologías emergentes y estrategias para mejorar el rendimiento a largo plazo.