ES3009666T3 - Modular solar photovoltaic inverter - Google Patents

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Lerma Antonio Poveda
Lillo Abelardo Salvo
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Abstract

La presente invención se refiere a un inversor solar fotovoltaico modular donde al reducir el tamaño del módulo de filtrado y al reducir el número de componentes,reduce el tamaño del inversor solar comparado con el estado de la técnica; y con la configuración de los módulos de potencia, genera unas vías que permiten el paso del aire desde el módulo de refrigeración, obteniendo un inversor solar fotovoltaico modular que mejora las dimensiones, peso,mantenimiento, refrigeración y seguridad con respecto a los conocidos hasta ahora.

Description

DESCRIPCIÓN
Inversor solar fotovoltaico modular
Objeto de la invención
El objeto de la presente invención es un inversor solar fotovoltaico modular en donde su topología mejorada reduce las dimensiones, peso y coste de mantenimiento, y mejora su seguridad y sistema de refrigeración en comparación con las topologías hasta ahora conocidas.
Antecedentes de la invención
Actualmente, los denominados inversores fotovoltaicos presentan al menos un módulo que convierte corriente continua (CC) que proviene de paneles fotovoltaicos a corriente alterna (CA).
Cada uno de los módulos de los inversores solares fotovoltaicos comprende una celda de potencia, que generalmente comprende a su vez un bus de condensadores, un puente convertidor y un filtro senoidal, que conecta el equipo a la red y reduce los armónicos de alta frecuencia. Estos filtros senoidales proporcionan una tensión senoidal de las mismas características que la red, y además proporcionan un filtrado de armónicos y una baja distorsión de la corriente de red. Los filtros senoidales más utilizados son los filtros tipo LCL, cuya principal ventaja frente a los filtros tipo L es que pueden conseguir una calidad de filtrado superior con una inductancia equivalente inferior.
Las inductancias del filtro LCL son los componentes que más espacio físico ocupan del inversor fotovoltaico y que incrementan sustancialmente el peso del módulo y del equipo. A modo orientativo, una inductancia de un filtro LCL tiene las dimensiones y peso que se indica a continuación: un ancho de 640 mm, un hondo de 400 mm, un alto de 800 mm, y un peso de 525 kg.
En el estado de la técnica actual, los inversores fotovoltaicos modulares implementan tantos filtros como módulos. Teniendo en cuenta este dato, las dimensiones orientativas de un inversor solar común de 6 módulos serían las siguientes: un ancho de 5175 mm, un hondo de 945 mm, un alto de 2200 mm, y un peso de 4600 kg.
Con tal de solucionar estos problemas diferentes topologías de convertidores de potencia han sido estudiadas, por ejemplo el documento WO2014004961A1 describe un sistema modular configurado para ser conectado a una red de CA. Este sistema comprende un convertidor de CC/CC vinculado con cada cadena de PV o conjunto de celdas fotovoltaicas, un bus de CC, dos inversores por cada convertidor de CC/CC conectados con el bus de CC y con el convertidor de CC y un transformador de frecuencia vinculado a la red. Más concretamente, la topología de conversión de este documento está basada en vincular cada dos inversores en un grupo, de modo que uno de los inversores del grupo se vincula a la red mediante un transformador estrella-triángulo y el otro inversor mediante un transformador triángulo-triángulo. De este modo se eliminan los armónicos y no es necesario el uso de filtro ya que el transformador estaría realizando las tareas de filtrado.
Otro documento de la técnica anterior es la solicitud de patente europea con el número de publicación EP 2575229 A2, que divulga filtros LC para retirar ruido seguido por un grupo de condensadores conectados en Y. Los filtros LC tienen un grupo de condensadores conectados en delta.
Otro documento de la técnica anterior es la solicitud de patente de EE.UU. con el número de publicación US 2018/076626 A1, que divulga un módulo controlador de carga para sistemas de inversor modular para transferir eficientemente energía eléctrica desde una de las varias fuentes de potencia a un conjunto de baterías.
Otro documento de la técnica anterior es el documento GB 2500196 A, que divulga la provisión de ventilación y/o refrigeración para asegurar que los inversores operan dentro de límites de temperatura operativos preferidos para un rendimiento óptimo, aumentando la eficiencia de conversión de energía.
A pesar de esto, estos sistemas siguen teniendo un gran tamaño y son difíciles de configurar debido a que incorporan transformadores de frecuencia que incrementan las dimensiones y peso del inversor y presentan dificultades para realizar la instalación y las tareas de mantenimiento. Además, si estos equipos no son correctamente refrigerados pueden presentar un mayor número de fallos debidos al sobrecalentamiento y una menor eficiencia de conversión. Por otro lado, debido a su gran tamaño y complejidad, las tareas de mantenimiento se tienen que hacer “ in situ” por técnicos especializados, lo cual implica paradas en la generación y por lo tanto una gran pérdida de energía generada por los paneles fotovoltaicos.
Adicionalmente, estos sistemas actuales presentan una salida de baja tensión y debido a esto, cuando son utilizados en grandes instalaciones que generalmente se encuentran en lugares remotos y que por lo tanto necesitan la salida en media tensión, requieren del uso adicional de un transformador de media tensión con su respectivo armario de media tensión asociado.
Este transformador de media tensión aumenta el tamaño y la complejidad en la instalación del conjunto. A modo de ejemplo, un conjunto de un inversor de 6 módulos y un transformador presenta unas dimensiones orientativas de 690 mm de largo, 2340 mm de alto y 2235 mm de ancho, con un peso aproximado de 6 tm.
La presente invención solventa todos los inconvenientes anteriores.
Descripción de la invención
La presente invención describe un inversor solar fotovoltaico modular de acuerdo con la reivindicación 1 independiente adjunta del aparato. Las realizaciones preferidas de la invención se exponen en las reivindicaciones dependientes adjuntas.
De este modo, la presente invención, al reducir el tamaño del módulo de filtrado y al reducir el número de componentes, reduce el tamaño del inversor solar comparado con el estado de la técnica; y con la configuración de los módulos de potencia, genera unas vías que permiten el paso del aire desde el módulo de refrigeración, obteniendo un inversor solar fotovoltaico modular que mejora las dimensiones, peso, mantenimiento, refrigeración y seguridad con respecto a los conocidos hasta ahora.
Descripción de los dibujos
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
La Figura 1 muestra una vista esquemática de un inversor solar según el estado de la técnica.
La Figura 2 muestra una vista esquemática del inversor solar fotovoltaico modular de la presente invención. La Figura 3 muestra una vista en perspectiva del inversor solar fotovoltaico modular de la presente invención. Las Figuras 4A, 4B, 4C y 4D muestran sendas vistas en perspectiva del módulo de extracción siendo extraído del inversor solar fotovoltaico modular de la presente invención en dos etapas de dicha extracción.
Realización preferente de la invención
En una realización preferente, tal y como se muestra en la figuras 2, 4A, 4B, 4C y 4D, el inversor solar fotovoltaico modular (1) se encuentra dispuesto en un contenedor (10), donde el inversor solar fotovoltaico modular (1) a su vez comprende: una pluralidad de módulos de potencia (2), cada uno de los cuales comprende dos celdas de potencia (6) y un módulo de filtrado (3). El inversor solar fotovoltaico modular (1) comprende además un módulo de refrigeración (4) y un módulo de transformación (5).
El contenedor (10), que comprende un primer y un segundo compartimento estanco preferentemente con un grado de protección IP54/ IP65 que separan los módulos de potencia (2) del módulo de transformación (5), está configurado para proteger los módulos (2, 3, 4, 5) de la lluvia y de altas y bajas temperaturas (típicamente entre -35 °C y 60 °C. Adicionalmente, el contenedor (10) comprende una pluralidad de puertas para permitir el acceso temporal a los diferentes módulos (2, 3, 4, 5), unas estructuras de soporte configuradas para soportar y guiar horizontalmente los módulos de potencia (2) y unos primeros y segundos ganchos para permitir el acople de un módulo de extracción (12).
Concretamente, la pluralidad de módulos de potencia (2) comprende dos celdas de potencia (6) configuradas para convertir corriente continua (CC) procedente de paneles fotovoltaicos a una corriente alterna (CA) modulada (PWM). Más concretamente, las dos celdas de potencia (6) están enfrentadas entre sí, y vinculadas en paralelo con el siguiente módulo de potencia (2).
Adicionalmente, tal y como se muestra en las figuras 4A, 4B, 4C y 4D, cada inversor de potencia (6) comprende dos pletinas de entrada (7A) configuradas para conectarse con el bus de CC producido por los paneles fotovoltaicos y tres pletinas de salida (7B) conectadas con el bus de CA. También en su lateral cada celda de potencia (6) comprende una hendidura configurada para ser acoplada con las estructuras de soporte del contenedor (10) y en caso de extracción/introducción con unos elementos de guiado, siendo de este modo cada celda de potencia (6) instalable y removible de forma asistida por estos elementos y por tanto realizable por un solo operario.
Preferentemente, estas pletinas (7A, 7B) están configuradas para ser vinculadas al módulo de potencia (2) de forma extraíble por ejemplo mediante el uso de tornillos, sin necesidad de realizar ninguna otra conexión eléctrica o sujeción mecánica.
Por otro lado, el módulo de filtrado (3) es un filtro LLC que comprende:
- una primera inductancia por cada celda de potencia de las dos celdas de potencia, donde un primer terminal de cada primera inductancia se conecta a un terminal de salida de una respectiva celda de potencia de las dos celdas de potencia, donde el filtro LLC comprende además una segunda inductancia y un condensador y un segundo terminal de cada primera inductancia se conecta a un primer terminal del segundo inductor, un segundo terminal del segundo inductor se conecta a un primer terminal del condensador y un segundo terminal del segundo condensador se conecta a tierra.
Preferentemente, la entrada del módulo de transformación (5) está vinculada con la salida del filtro LLC y la salida del módulo de transformación (5) está configurada para conectarse a la red eléctrica.
Por otro lado, el módulo de refrigeración (4), tal y como se muestra en las figuras 3 y 4A, 4B, 4C y 4D, está configurado para reducir la temperatura de los módulos de potencia (2) y del módulo de transformación (5) y comprende un primer y un segundo circuito de ventilación independientes entre sí, y en donde cada uno de ellos comprende:
- un ventilador centrífugo (8) configurado para impulsar aire pre-filtrado desde la base del contenedor (10), - al menos una canalización (9), instalada en la base del compartimento y vinculada con su ventilador centrífugo (8),
- unas ranuras de extracción (11), instaladas en el techo del compartimiento que permiten que el aire pre-filtrado circule desde la base del compartimiento hasta el exterior y enfríe mediante el primer circuito los módulos de potencia (2) y mediante el segundo circuito el módulo de transformación (5).
Finalmente, tal y como se muestra en las figuras 4A, 4B, 4C y 4D, el inversor solar comprende un módulo de extracción (12) acoplable en una puerta de del contenedor (10) que da acceso a uno de los módulos de potencia (2). Concretamente, este módulo de extracción (12) está configurado para que un único operario pueda extraer y remplazar la celda de potencia (6) entera, mediante el acople/desacople de las pletinas (7A, 7B) cuando la celda de potencia (6) está dañada. De este modo, se reduce el tiempo en el cual el inversor solar (1) está parado por motivos de mantenimiento.
Más concretamente, tal y como se muestra en las figuras 4A, 4B, 4C y 4D, el módulo de extracción (12) comprende:
• un sistema de poleas (15),
• un elemento de guiado (13) acoplable horizontalmente con unos primeros ganchos instalados en el lateral del marco de la puerta del contenedor (10) que da acceso a la celda de potencia (6), en donde una vez instalado el elemento de guiado (13), este resulta alineado con las estructuras de soporte configuradas para soportar y guiar horizontalmente la celda de potencia (6) para permitir la extracción/inserción horizontalmente de la celda de potencia (6), y
• un elemento de soporte (14) acoplable con unos segundos ganchos instalados en la parte superior del marco de la puerta del contenedor (10) que da acceso a la celda de potencia (6), en donde una vez instalado se vincula con el sistema de poleas (15) que a su vez se vincula con la celda de potencia (6), permitiendo desplazar verticalmente por un único operario la celda de potencia (6) a extraer o instalar.
A modo de ejemplo, tal y como se muestra en las figuras 4A, 4B, 4C y 4D para cambiar una celda de potencia (6), se siguen los siguientes pasos:
a) abrir la puerta del contenedor (10) que da acceso a la celda de potencia (6),
b) desconectar las pletinas (7A, 7B),
c) emplazar el elemento de guiado (13) en el lateral del marco de la puerta, de modo que resulte alineado con las estructuras de soporte,
d) emplazar el elemento de soporte (14) en la parte superior del marco de la puerta,
e) extraer la totalidad de la celda de potencia (6) horizontalmente siguiendo primero las estructuras de soporte y después el elemento de guiado (13) tal y como se muestra en la figura 4D,
f) vincular el sistema de poleas (15) con la celda de potencia (6) y el elemento de soporte (14),
g) desplazar verticalmente, mediante el sistema de poleas (15), la celda de potencia (6) hasta apoyarla en el suelo, tal y como se muestra en la figura 4G,
h) remplazar la celda de potencia (6), y
i) repetir inversamente los pasos anteriores para instalar la nueva celda de potencia (6).
Destacar que, debido al elevado peso de cada celda de potencia (6), una vez han sido posicionadas en el suelo deben ser movidas con carretilla hidráulica o medios similares. A pesar de esto, el módulo de extracción (12) permite que todo el proceso sea realizado por un único operario.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Un inversor solar fotovoltaico modular (1) que comprende:
- una pluralidad de módulos de potencia (2) que convierten una corriente continua, CC, a una corriente alterna, CA,
- un bus de CC que conecta todas las entradas de la pluralidad de módulos de potencia (2) a un campo fotovoltaico a través de un dispositivo de conexión/desconexión, donde cada módulo de potencia (2) comprende a su vez dos celdas de potencia (6) y un módulo de filtrado (3) configurado para adecuar las características eléctricas de la CA, - un bus de CA que conecta una salida de cada módulo de potencia (2) a la red eléctrica,
caracterizado por que:
- el módulo de filtrado (3) es un filtro LLC que comprende una primera inductancia por cada celda de potencia de las dos celdas de potencia, donde un primer terminal de cada primera inductancia se conecta a un terminal de salida de una respectiva celda de potencia de la pluralidad de celdas de potencia, donde el filtro LLC comprende además una segunda inductancia y un condensador y un segundo terminal de cada primera inductancia se conecta a un primer terminal del segundo inductor, un segundo terminal del segundo inductor se conecta a un primer terminal del condensador y un segundo terminal del segundo condensador se conecta a tierra.
2. El inversor solar fotovoltaico modular (1) según la reivindicación 1, caracterizado por que comprende además un módulo de transformación (5) dispuesto entre la CA y la red eléctrica.
3. El inversor solar fotovoltaico modular (1) según la reivindicación 2, caracterizado por que comprende además un módulo de refrigeración (4) configurado para reducir la temperatura de al menos los módulos de potencia (2) y/o del módulo de transformación (5).
4. El inversor solar fotovoltaico modular (1) según la reivindicación 3, caracterizado por que comprende además un contenedor (10) donde se encuentran integrados al menos los módulos de potencia (2), los módulos de filtrado (3), el módulo de transformación (5) y el módulo de refrigeración (4).
5. El inversor solar fotovoltaico modular (1) según la reivindicación 4, caracterizado por que el contenedor (10) comprende un primer y un segundo compartimentos estancos que separan al menos los módulos de potencia (2) del módulo de transformación (5), y están configurados para proteger los módulos (2, 5) de la lluvia y para permitir el acceso temporal a los módulos (2, 5) mediante una pluralidad de puertas.
6. El inversor solar fotovoltaico modular (1) según la reivindicación 5, caracterizado por que el módulo de refrigeración (4) comprende un primer y un segundo circuitos de ventilación independientes dispuestos respectivamente en el primer y el segundo compartimento estanco.
7. El inversor solar fotovoltaico modular (1) según la reivindicación 6, caracterizado por que cada circuito de ventilación comprende:
- un ventilador centrífugo (8) configurado para impulsar aire pre-filtrado desde la base del contenedor (10), - al menos una canalización (9), instalada en la base del compartimento y vinculada con su ventilador centrífugo (8),
- unas ranuras de extracción (11), instaladas en el techo del compartimiento que permiten que el aire pre-filtrado circule desde la base del compartimiento hasta el exterior y enfríe al menos los módulos de potencia (2) y el módulo de transformación (5).
8. El inversor solar fotovoltaico modular (1) según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 7, caracterizado por que el módulo de transformación (5) es un módulo de transformación de media tensión conectado entre el bus de Ca y la red eléctrica, donde el módulo de transformación (5) comprende una salida que está configurada para conectarse a la red eléctrica de media tensión.
9. El inversor solar fotovoltaico modular (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que comprende además un módulo de extracción acoplable a un marco de al menos una de las puertas del contenedor que da acceso a uno de los módulos de potencia, en donde el módulo de extracción (12) está configurado para extraer y remplazar un módulo de potencia (2).
10. El inversor solar fotovoltaico modular (1) según la reivindicación 9, caracterizado por que el módulo de extracción (12) comprende:
• un sistema de poleas (15),
• un elemento de guiado (13) acoplable horizontalmente con unos primeros ganchos instalados en el lateral del marco de la puerta del contenedor (10) que da acceso a la celda de potencia (6), donde una vez instalado el elemento de guiado (13), este resulta alineado con las estructuras de soporte configuradas para soportar y guiar horizontalmente la celda de potencia (6) para permitir la extracción/inserción horizontalmente de la celda de potencia (6), y
• un elemento de soporte (14) acoplable con unos segundos ganchos instalados en la parte superior del marco de la puerta del contenedor (10) que da acceso a la celda de potencia (6), donde una vez instalado se vincula con el sistema de poleas (15) que a su vez se vincula con la celda de potencia (6) permitiendo desplazar verticalmente por un único operario la celda de potencia (6) a extraer o instalar.
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