Refrigeración de gabinetes de inversores solares

El calor es pequeño; el servicio no

Un inversor string moderno alcanza una eficiencia del 98.5-99 % en su punto óptimo. Parece un problema térmico insignificante hasta que se convierte el porcentaje restante en vatios.

A 250 kW de salida, una pérdida del uno al uno y medio por ciento equivale a 2.5-3.8 kW de calor continuo. No es un pico: en un día despejado, la máquina permanece cerca de la salida nominal desde media mañana hasta última hora de la tarde, sesión tras sesión, durante décadas. Los inversores centrales de la clase de megavatios escalan la misma aritmética, por lo que las unidades más grandes pasan a circuitos líquidos o a trayectorias de aire forzado muy grandes en lugar de una sola bandeja de ventiladores.

Tres hechos determinan todas las decisiones posteriores sobre los ventiladores. El calor es moderado pero continuo. El aire disponible para evacuarlo ya ha sido calentado por el sol, por lo que el sumidero está a 45-50 C, no a 25 C. Y la envolvente que debe rechazar el calor tiene clasificación IP65, lo que significa que la trayectoria corta —aire directamente a través de la cámara de potencia y de nuevo hacia el exterior— está deliberadamente cerrada.

El resto de este artículo convierte esos tres hechos en criterios de selección: un presupuesto de pérdidas, un objetivo de reducción de potencia, una elección de arquitectura, un cálculo de caudal de aire, un margen para filtros y altitud, una estrategia de condensación nocturna y un plan de sustitución para un componente que no sobrevivirá a la vida útil del activo.

La curva de reducción de potencia es la especificación real

La potencia nominal indicada en la portada de la hoja de datos es condicional. La condición es una temperatura ambiente y, por encima de ella, la máquina deja discretamente de entregar lo que promete su placa de características.

La IEC 62109-1 trata esto como una característica de diseño que debe ensayarse, no como un comportamiento de emergencia que aparece en campo. Su cláusula térmica establece límites de temperatura total, no límites de incremento; los equipos clasificados por encima de 50 C de ambiente deben ensayarse a la temperatura ambiente máxima nominal dentro de 5 C del valor declarado; y los equipos con reducción automática de potencia deben ensayarse bajo tantas condiciones como sean necesarias para detectar el peor caso, incluyendo al menos el ambiente máximo antes de la reducción y el ambiente máximo con reducción. Las condiciones de referencia para esos ensayos son moderadas —15-40 C, no más del 75 % de humedad relativa, 75-106 kPa—, precisamente por eso la clasificación por encima de 40 C debe demostrarse por separado.

Lo que los fabricantes publican como resultado es una curva, y en toda la industria la forma es similar aunque el punto de inflexión varía según el modelo. La salida completa se mantiene hasta 40 C y, a menudo, hasta 45 C en modelos exteriores clasificados de -25 a +60 C. Por encima del punto de inflexión, la salida cae aproximadamente de forma lineal, normalmente del orden del uno al dos por ciento de la potencia nominal por kelvin, hasta que la máquina alcanza su límite de desconexión en algún punto de la banda de 50-60 C.

La consecuencia comercial es más acusada que la térmica. La ventana de reducción de potencia coincide con el mediodía solar: las horas con mayor irradiancia y, en muchos mercados, los kilovatios-hora de mayor valor. Un emplazamiento que pasa tres meses al año por encima de 45 C puede perder varios puntos porcentuales del rendimiento anual debido a una curva fijada por el diseño térmico. Elevar unos pocos kelvin el punto de inflexión vale más que cualquier otro cambio que pueda aportar un ventilador.

Por tanto, el ventilador no se especifica para evitar una desconexión. Se especifica para desplazar el punto de inflexión de la reducción de potencia, y la forma de mantener honesta la especificación es declarar el objetivo como una temperatura ambiente a la que aún deba entregarse la salida completa.

El IP65 cierra la trayectoria corta

Un inversor exterior está sellado contra el polvo y el agua. El sellado es la decisión correcta para un activo de 25 años, y desplaza la parte difícil de la trayectoria térmica hacia la pared.

IP65 según IEC 60529 significa estanco al polvo y protegido contra chorros de agua. Es la clasificación de facto para los inversores fotovoltaicos exteriores, y por buenas razones: un armario ventilado en un emplazamiento desértico aspira sílice, y en un emplazamiento costero o agrovoltaico aspira sal. Ambos contaminantes son conductores, ambos destruyen las distancias de fuga y ninguno puede limpiarse de una placa poblada.

Cerrar el armario significa que el calor debe atravesar la pared. En el interior, un ventilador agitador mueve el aire sobre una placa base aleteada para que la etapa de potencia vea un volumen de aire móvil y mezclado en lugar de uno estancado. En el exterior, la convección natural o un banco de ventiladores mueve el aire sobre un conjunto de aletas externo. El primer ventilador reduce la resistencia entre el módulo y la pared; el segundo reduce la resistencia entre las aletas y el cielo. Ninguno interviene en la resistencia entre la unión y la carcasa, que corresponde al módulo de potencia y a su montaje.

La escalera de temperaturas hace visible la división. Con 45 C de ambiente, un diseño sellado típico alcanza cerca de 65 C en la superficie de las aletas, alrededor de 70 C en el aire interno, aproximadamente 90 C en la carcasa del módulo y mantiene la unión por debajo de unos 125 C. Cada paso es una resistencia térmica en serie, y el ventilador solo controla las dos últimas. Un proyecto de refrigeración que gasta su presupuesto en el ventilador e ignora el área de aletas, la interfaz de montaje o el agitador interno modificará las cifras mucho menos de lo esperado.

Dos arquitecturas, dos servicios de ventilador

Los armarios sellados y ventilados exigen cosas diferentes al ventilador y fallan de formas distintas. Hay que elegir la arquitectura antes de comparar hojas de datos.

Una máquina sellada trata el ventilador como un intensificador de transferencia de calor: mejora el coeficiente de convección en superficies que, de otro modo, dependerían de la circulación natural. Tolera el fallo del ventilador: un cuerpo grande de aluminio aleteado sigue rechazando calor por convección, por lo que un ventilador exterior detenido normalmente produce un aumento lento de temperatura y una reducción de potencia, no una desconexión inmediata.

Una máquina ventilada trata el ventilador como la propia trayectoria térmica. El aire entra por una rejilla filtrada, pasa sobre la etapa de potencia y sale. Es eficiente por vatio de potencia del ventilador y económica de fabricar, pero el ventilador se convierte en un punto único de fallo térmico, y el filtro situado delante es un elemento de mantenimiento con un coste de presión.

La elección es ambiental, no ideológica. Los emplazamientos cálidos, polvorientos, salinos o muy contaminados favorecen la máquina sellada pese a su envolvente más grande y pesada. Las instalaciones templadas, interiores o sobre skids prefabricados con un programa de mantenimiento favorecen la ventilada.

De los vatios al punto de funcionamiento

Una ecuación convierte el presupuesto de pérdidas en caudal de aire, y una corrección convierte el caudal en una especificación de ventilador.

Para el aire, el caudal volumétrico requerido es q = P / (rho x cp x dT), donde P es el calor que debe rechazarse, rho es la densidad del aire, cp es aproximadamente 1005 J/(kg K) y dT es el incremento de temperatura permitido del aire a través del armario. Tomemos los 3 kW de un inversor string de 250 kW, aire seco a 45 C con una densidad cercana a 1.11 kg/m3 y un incremento de 15 K: q es aproximadamente 0.18 m3/s, unos 650 m3/h. Si se permiten 20 K, el requisito baja a unos 485 m3/h.

La trampa está en lo que implican ambas cifras. Un incremento de 15 K en un día a 45 C sitúa la salida cerca de 60 C y el aire interno cerca de 65-70 C, y todos los componentes de la cámara envejecen a esa temperatura. Un incremento de 20 K es más barato en caudal y más caro en vida útil de los condensadores. El valor correcto es aquel en el que coinciden el objetivo de reducción de potencia y el modelo de vida útil, no el que hace pequeño al ventilador.

La corrección es la curva del sistema. El ventilador debe entregar ese caudal contra la trayectoria instalada: rejilla, filtro si está ventilado, conjunto de aletas, cambios de dirección y efecto del sistema de un ventilador montado cerca de una obstrucción. Un ventilador seleccionado según su valor en aire libre pierde habitualmente un tercio de su caudal una vez instalado. Hay que especificar el servicio como un caudal volumétrico a una presión estática indicada, medido o modelado en la geometría instalada y a la densidad del aire ambiente en el peor caso.

Para los diseños sellados se aplica la misma ecuación a la trayectoria de aire exterior, pero el dT útil se produce a través de la superficie del conjunto de aletas y no a través de la cámara, y normalmente es menor. Allí, el área y la eficiencia de las aletas fijan el límite; un ventilador mayor compra una menor resistencia de convección, con rendimientos decrecientes a partir de ese punto.

Polvo, filtros y presupuesto de presión

Donde entra el aire, le sigue la suciedad. La pérdida de presión del filtro no es una nota de mantenimiento: es un término de la ecuación del caudal que cambia cada semana.

Un armario ventilado comienza con una pérdida de presión del filtro limpio del orden de 25-40 Pa y normalmente genera una alarma en torno a 150-250 Pa. Como el ventilador sigue su propia curva, ese aumento de resistencia no se absorbe: desplaza el punto de funcionamiento hacia la izquierda y el caudal cae. Un diseño sin margen acaba reduciendo potencia en la sexta semana de una temporada polvorienta por razones que parecen eléctricas.

De aquí se derivan dos reglas. Hay que dimensionar el servicio en la condición de filtro sucio, no en la de filtro limpio, y generar la alarma por presión diferencial en lugar de hacerlo por intervalo de calendario. En emplazamientos desérticos y agrícolas, un filtro puede cargarse en días después de un único episodio, y un programa trimestral fijo garantiza un mantenimiento innecesario o tardío.

Las máquinas selladas intercambian el mantenimiento del filtro por el mantenimiento de las superficies. El polvo en el conjunto de aletas externo lo aísla; el polvo en las palas del ventilador las desequilibra y aumenta la carga y el ruido de los rodamientos. Ambos elementos pueden lavarse y ambos deben incluirse en la lista de mantenimiento preventivo del emplazamiento; por eso las aletas externas deben ser accesibles sin abrir la cámara sellada.

La corrosión merece el mismo tratamiento que el polvo. Los emplazamientos costeros y agrovoltaicos necesitan materiales, recubrimientos y sellado de rodamientos seleccionados para aire cargado de sal, y la arquitectura sellada suele ser la respuesta más económica porque mantiene completamente ese aire fuera de la electrónica.

Altitud: menos aire y mayores distancias de aislamiento

Los emplazamientos de meseta son atractivos por la irradiancia y exigentes para la refrigeración. Se aplican dos reducciones de potencia independientes, y no son la misma.

La primera es térmica y se debe a la densidad del aire. La atmósfera estándar proporciona aproximadamente 1.225 kg/m3 al nivel del mar, 1.007 a 2000 m, 0.909 a 3000 m, 0.819 a 4000 m y 0.736 a 5000 m. Un ventilador es una máquina de volumen constante: mueve aproximadamente los mismos metros cúbicos por minuto, pero cada metro cúbico transporta proporcionalmente menos masa, por lo que el calor que evacua disminuye con la relación de densidades, hasta aproximadamente dos tercios de la capacidad al nivel del mar a 4000 m. La presión estática disponible también disminuye con la densidad, lo que hace más pronunciada la curva del sistema precisamente cuando el servicio es más exigente.

La corrección práctica consiste en dimensionar el caudal volumétrico mediante el inverso de la relación de densidades. Un armario que necesita 650 m3/h al nivel del mar necesita del orden de 950-1000 m3/h a 4000 m para rechazar los mismos kilovatios con el mismo incremento de temperatura, y el ventilador debe producirlo contra la menor capacidad de presión del aire menos denso.

La segunda es eléctrica y corresponde a las distancias de aislamiento. La IEC 60664-1 proporciona factores de corrección de altitud para las distancias de aislamiento: 1.00 a 2000 m, 1.14 a 3000 m, 1.29 a 4000 m y 1.48 a 5000 m. Los equipos destinados a 4000 m necesitan multiplicar sus distancias de aislamiento por 1.29, razón por la que las hojas de datos de los inversores suelen indicar un límite de altitud a plena potencia: históricamente 4000 m y, cada vez más, 5000 m a medida que se construyen plantas de meseta a mayor altura.

Ambas reducciones afectan a la misma máquina en el mismo emplazamiento, y solo la primera es responsabilidad del ventilador. Hay que confirmar a qué altitud se refiere la clasificación de la placa de características antes de prometer una solución de refrigeración para una unidad cuya potencia ya está limitada eléctricamente.

Noche: el servicio más silencioso es el que protege el activo

Al ponerse el sol, la potencia llega a cero y el problema térmico no desaparece. Las horas posteriores a la desconexión son cuando se produce la condensación.

Los inversores fotovoltaicos suelen estar clasificados para una humedad relativa del 0-100 % incluida la condensación, porque esa es la realidad del servicio: una cámara cálida y húmeda que se enfría durante la noche cruzará el punto de rocío en su metal más frío. Lo que sigue no es dramático —no hay desconexión ni alarma—, pero es acumulativo: seguimiento sobre las superficies aislantes, corrosión de terminales y aletas y, en placas pobladas, migración electroquímica.

La estrategia del ventilador forma parte de la respuesta. Una velocidad nocturna baja o funcionamientos intermitentes mantienen mezclado el aire interno y las superficies más frías ligeramente más calientes de lo que estarían con el aire en reposo; combinados con un calentador, constituyen el enfoque estándar contra la condensación. Los diseños sellados añaden una segunda opción: un respiradero de membrana transpirable que iguala la presión a través de la envolvente —importante cuando una cámara sellada realiza ciclos de 40 K al día— mientras mantiene fuera el agua líquida y el polvo.

Hay dos precauciones. El funcionamiento a baja velocidad debe seguir supervisándose: un ventilador que gira lentamente a unos pocos porcentajes de la velocidad nominal puede no arrancar o calarse sin que la salida del tacómetro parezca incorrecta, por lo que hay que especificar una señal de realimentación y ensayar el punto de servicio bajo. Además, cualquier funcionamiento nocturno debe respetar el límite acústico del emplazamiento, que en plantas cercanas a viviendas suele ser la restricción determinante, más que la térmica.

Vida del ventilador frente a un activo de 25 años

La planta se financia para dos décadas o más. El ventilador no. Hay que diseñar para esa diferencia en lugar de descubrirla en el año siete.

De veinte a veinticinco años son 175,000 a 219,000 horas. Un ventilador DC típico tiene una vida L10 de los rodamientos declarada en el intervalo de 40,000-70,000 horas a 40 C, y la vida de los rodamientos disminuye acusadamente con la temperatura; la regla práctica ampliamente utilizada indica que cada 10 K adicionales de temperatura del rodamiento la reducen a la mitad, aunque la curva real procede de la propia hoja de datos y del método de ensayo del ventilador, no de la regla. En cualquier caso, el ventilador es un elemento de sustitución programada en una máquina que no lo es.

Esto convierte la facilidad de mantenimiento en un requisito de diseño, no en un extra deseable. Una bandeja de ventiladores que pueda cambiarse desde el frente, sin abrir la cámara de potencia sellada, sin drenar nada y sin herramientas especiales, transforma una visita de servicio en una breve parada. Los conectores, la longitud del cable y la interfaz mecánica deben especificarse teniendo presente esa sustitución, y el repuesto debe definirse como parte de la BOM.

La instrumentación cierra el ciclo. La realimentación del tacómetro o de detección de rotación en cada ventilador, comunicada al SCADA de la planta, convierte un fallo oculto en una alarma; registrar las tendencias de corriente, velocidad y cambios acústicos lo convierte en una predicción. En bancos de varios ventiladores, N+1 significa que un fallo se convierte en una orden de trabajo y no en una interrupción, siempre que los ventiladores restantes estén realmente dimensionados para mantener el objetivo de reducción de potencia en el peor caso, lo cual es una declaración de servicio, no una afirmación de redundancia.

Qué puede hacer MEGA Tech aquí y qué necesitamos de usted

Fabricamos ventiladores de refrigeración para exactamente este servicio: especificados según las condiciones del emplazamiento y probados en el propio armario del cliente antes de congelar la BOM.

Nuestro trabajo consiste en seleccionar y personalizar alrededor de un ciclo de servicio real. El tamaño del bastidor, el espesor, la tensión, la curva de velocidad, el control PWM, la realimentación FG/RD, el conector, la longitud del cable, el rodamiento y la lubricación, así como las medidas de protección contra el polvo o el aire cargado de sal, son ajustables. Cuando se sustituye una unidad existente —incluidas máquinas fabricadas por Sanyo Denki (SAN ACE), SUNON, Delta, NMB o ebm-papst— trabajamos a partir del servicio instalado y de las mediciones, no solo del tamaño del bastidor, porque unas dimensiones exteriores iguales no garantizan el mismo caudal en una curva de sistema determinada.

Lo que necesitamos de usted es el servicio, no solo el número de pieza: potencia nominal y curva de eficiencia o pérdidas, curva de reducción de potencia o temperatura ambiente a la que debe mantenerse la salida completa, rango de ambiente del emplazamiento y exposición solar, altitud, grado de contaminación e intervalo de limpieza, geometría de la envolvente (aletas, conductos, filtro, rejillas), límite acústico, objetivo de vida útil y estrategia de sustitución, además de cualquier curva de sistema medida o dato térmico del diseño existente.

Dónde termina nuestro alcance también forma parte de la respuesta. No suministramos la bobina ni el circuito líquido, la electrónica de control ni el diseño de seguridad del armario: la clasificación IP, las distancias de aislamiento, las distancias de fuga y la coordinación del aislamiento conforme a IEC 62109 e IEC 60664 corresponden al fabricante del equipo. Nuestro alcance es el lado del aire —las dos últimas resistencias de la cadena— y las pruebas de que funciona en su envolvente.

• Selección de ventiladores y sopladores según la curva del sistema instalado, con ambiente en el peor caso y filtro sucio.
• Personalización: bastidor, espesor, tensión, curva de velocidad, PWM, FG/RD, conector, cable, rodamiento y lubricación, y recubrimiento contra polvo o sal.
• Programas de sustitución y segunda fuente validados mediante mediciones en el armario real, no mediante comparación de dimensiones exteriores.
• Construcción de muestras, ensayo instrumentado y punto de funcionamiento documentado antes de la liberación a producción.

Series de ventiladores recomendadas para empezar

Estas series del catálogo pueden ser un punto de partida para esta aplicación. La selección final depende del caudal, la presión estática, la tensión, el objetivo de ruido y el entorno de trabajo instalados.

Solicite una muestra para validarla en su equipo.

Preguntas frecuentes de ingeniería: refrigeración del armario del inversor solar

Respuestas breves a las preguntas que surgen cuando una planta ya está construida y las cifras no coinciden con lo sugerido por la hoja de datos.

P: ¿Es un ventilador de mayor RPM la solución para un armario que reduce potencia todas las tardes? R: Solo si la trayectoria instalada puede aprovechar el caudal adicional. Compruebe primero la curva del sistema: con un filtro cargado, una rejilla restrictiva o un conjunto de aletas mal ubicado, una mayor velocidad compra principalmente ruido y un peor punto de funcionamiento.

P: ¿Debemos ventilar un inversor IP65 sellado para refrigerarlo? R: Generalmente no. La ventilación compra margen térmico y lo paga con contaminación, mantenimiento de filtros y un modo de fallo más rápido. Mejore el conjunto de aletas, el flujo de aire externo y el agitador interno antes de abrir la envolvente.

P: ¿Cuánto caudal de aire necesita un inversor de 250 kW? R: A partir de q = P / (rho x cp x dT). Con 3 kW de pérdidas, aire a 45 C y un incremento de 15 K, unos 650 m3/h de caudal entregado; después hay que corregir la resistencia instalada y la densidad por altitud antes de seleccionar el ventilador.

P: ¿Por qué el armario sigue caliente una hora después de la puesta de sol? R: Por la masa térmica y una trayectoria de aire con retraso. El aire del armario alcanza su máximo después del ambiente, que es también la razón por la que la banda de reducción de potencia se sitúa a primeras horas de la tarde y no al mediodía.

P: ¿Podemos hacer funcionar los ventiladores lentamente durante la noche para detener la condensación? R: Sí, y es una práctica habitual, normalmente con un calentador. Especifique una señal de realimentación y ensaye el punto de servicio bajo, porque un ventilador calado puede parecer operativo para una entrada de supervisión.

P: ¿Necesitamos ventiladores N+1 en un armario sellado? R: Depende de la capacidad residual de convección natural. Las máquinas ventiladas necesitan redundancia porque el ventilador es la trayectoria; las máquinas selladas suelen soportar un fallo y entrar en reducción de potencia, pero solo si los ventiladores restantes están dimensionados para ello.

P: ¿Qué puede personalizar MEGA Tech para este servicio? R: Bastidor, espesor, tensión, curva de velocidad, PWM, FG/RD, conector, cable, rodamiento y lubricación, además de recubrimientos contra polvo o sal; todo seleccionado según el servicio medido y validado en su armario.

Preguntas para la revisión del diseño de refrigeración del inversor

Una lista de comprobación breve que evita que una reclamación por reducción de potencia se convierta en un intercambio interminable de ventiladores.

• ¿A qué temperatura ambiente debe seguir entregándose la salida nominal completa y es ese el valor frente al que se especifica el ventilador?
• ¿Dónde se disipan realmente las pérdidas —etapa de potencia, elementos magnéticos, condensadores, cableado— y está acordado el presupuesto en vatios?
• ¿La arquitectura es sellada o ventilada y está determinada por la contaminación del emplazamiento o por el coste?
• ¿Cuál es el caudal de aire entregado en la curva del sistema instalado, con filtro sucio y densidad ambiental en el peor caso?
• ¿Cuál es el incremento de temperatura del aire permitido y la temperatura interna resultante satisface el modelo de vida útil de los condensadores y módulos?
• ¿Para qué altitud está clasificada la máquina y se han aplicado tanto la reducción de densidad como la corrección de las distancias de aislamiento?
• ¿Qué ocurre durante el ciclo nocturno: cruce del punto de rocío, estrategia del calentador o ventilador y trayectoria de igualación de presión?
• ¿Cómo se comunica el estado del ventilador al SCADA y cuál es el modo de fallo de un solo ventilador en esta arquitectura?
• ¿Puede sustituirse el ventilador en el emplazamiento sin abrir la cámara sellada y está definido el repuesto en la BOM?
• ¿Se ha medido el ventilador candidato en el armario real durante el ciclo de servicio real o solo en una curva de banco?