El inversor fotovoltaico mexicano: la primera semilla

Los académicos: Humberto Raúl Jiménez Grajales, Joan Elias Giles V, Pablo Pichardo, Rodrigo Velázquez y Omar Pedraza, pertenecientes al claustro de investigadores del Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias presentan el inversor fotovoltaico mexicano, una innovación tecnológica del INEEL en la cual participa la firma de energías renovables mexicana MAC Manufacturing.

En una previa entrega editorial de nuestra propuesta informativa adelantamos los avances que este desarrollo tecnológico que surge desde los cubículos y laboratorios del instituto ubicado en los litorales de la Ciudad de Cuernavaca, Morelos.

Aquí el reporte publicado esta semana en la edición del pasado 22 de marzo de la revista electrónica “Transición Energética” del INEEL en la sección ‘Ciencia al Descubierto’

Introducción

Una vez analizada hasta ahora la relevancia del cómo una industria nacional de inversores fotovoltaicos puede impactar positivamente a la TE de México, en este artículo se describe un caso más de éxito del Instituto Nacional de Electricidad y Energías Limpias (INEEL), en su contribución a su misión de impulsar el desarrollo sustentable en el país, en materia de electricidad y en este caso, en el campo de las energías limpias, mediante la innovación. Ello, como parte de su vocación de servicio al país, evidenciando la capacidad y creatividad de las ingenieras e ingenieros mexicanos durante una trayectoria de más de cuatro décadas; en la cual, ha aportado distintas soluciones contundentes en su campo de acción desde su creación en 1975.

Se trata del desarrollo tecnológico de un inversor fotovoltaico monofásico de 1 kilowatt de potencia nominal para su interconexión a la red eléctrica del Sistema Eléctrico Nacional (SEN); resultado de los esfuerzos que han permitido alcanzar su actual versión pre-industrializable, en conjunto con la Iniciativa Privada (IP); después de librar una serie de diversos retos, tanto técnicos como no técnicos (incluida la reciente pandemia por COVID-19).

Se presentan las principales ventajas técnicas que aporta el inversor mexicano al mercado FV nacional y visto como una oferta de valor nacional, su evidente aportación para dar pie a la creación de una industria nacional de inversores fotovoltaicos, que además de complementar los titánicos esfuerzos de la industria FV en el país, pueda contribuir a un mayor desarrollo económico nacional a mediano plazo.

A manera de preámbulo, se abordará el concepto de lo que es un inversor FV y también se comparte la trayectoria seguida hasta ahora, en el desarrollo de esta tecnología; próxima a su transferencia tecnológica a una empresa mexicana.

Principales retos identificados en la asimilación tecnológica en México

De 1995 a la fecha, el INEEL ha trabajado en el área de SFVI, evaluando tanto el impacto de dicha tecnología, como los aspectos relacionados a su asimilación; mayormente en el sector residencial. En ello, se ha encontrado que, al igual que en países líderes en la materia, el elemento más susceptible a falla ha sido el inversor, de tal manera que cuando lo hace, cesa completamente la generación de energía eléctrica local y la vida útil de los módulos se consumirá de alguna manera, pues ellos continúan expuestos al sol. Esta situación se torna crítica cuando no se tiene un soporte técnico relativamente inmediato; ya que todos los inversores usados en México, hasta ahora, son equipos importados. Este es un factor que puede impactar negativamente en los costos globales de los proyectos y desalentar el interés de los usuarios potenciales del país. Ya que finalmente se traduce en tiempos más largos para la amortización de la considerable inversión inicial.

Otro factor identificado, es que la mayoría de los inversores instalados en México están configurados a un voltaje de interconexión con la red eléctrica en el rango de 208 a 240 VCA (dado que su diseño original está enfocado a las características del alimentador eléctrico del país de origen; generalmente Estados Unidos o algún país europeo, o bien asiático con enfoque normativo IEC), el cual no prolifera en el sector residencial nacional, ni en el comercial (i.e. MiPYMEs). Es decir, este tipo de inversores es instalado por aquellos usuarios que tienen contratadas con la CFE un servicio trifásico o por lo menos una ampliación a dos líneas (fases) eléctricas. Ello representa una limitante para que puedan ser instalados en toda la República Mexicana puesto que el voltaje que domina en dichos sectores es el de 120 VCA.

Trayectoria a la fecha

Con base en lo expuesto en la sección anterior, la Gerencia de Energías Renovables (GER) del INEEL, desde el año 2003 -a tiempo parcial y con el valioso apoyo de becarios recién egresados de licenciatura-, realizó en su laboratorio FV la implementación exitosa de prototipos demostrativos para las pruebas del concepto del inversor (con un Nivel de Madurez Tecnológica de 3; TRL en inglés, de Technology Readiness Level ) y en el año 2007 concretó esfuerzos en el desarrollo de una solución de inversor string, alcanzando 500 W de potencia de salida, denominado Espiga I (TRL estimado de 5), orientado al mercado FV nacional y a las características de las Redes Generales de Distribución en México, por lo que ya cumplía con la normatividad de interconexión de la CFE.

Tras una pausa en el camino, con el decisivo e importante apoyo de la GER, a mediados del 2017 se propuso al Centro Mexicano de Innovación en Energía Solar (CEMIE-Sol), el proyecto anual “Plataforma tecnológica para desarrollar inversores fotovoltaicos inteligentes de baja potencia”, el cual fue aceptado como el P64 y concluyó el 13 de enero de 2019. En este proyecto se participó en consorcio, el INEEL, el CENIDET y la IP y ya como proyecto formalizado dentro del INEEL, se alcanzaron resultados bastante satisfactorios, obteniendo un TRL de 6. A finales de enero de 2019, la empresa mexicana MAC Manufacturing S. de R.L. de C.V. -con 21 años de experiencia en la industria americana- se interesó en la Transferencia Tecnológica (TT) del prototipo para poder fabricar y comercializar un inversor fotovoltaico de 1 kW enfocado al SEN, por lo que a finales del mismo año firmó un Convenio Maestro de Colaboración con el INEEL, con el propósito de desarrollar su versión pre-industrializable.

Versión pre-industrializable

A finales del 2021, pese a la pandemia por COVID-19, el inversor fotovoltaico mexicano alcanzó su TRL actual de 7 (Ver Figura 1). Es decir, se trata de una versión pre-industrializable, la cual fue impulsada por la colaboración de la empresa mexicana, como aliado tecnológico estratégico del INEEL, en el proyecto correspondiente.

a. Especificaciones técnicas

Las especificaciones técnicas del inversor mexicano, en su versión funcional pre-industrializable, para su interconexión a la red eléctrica del SEN, se indican en la Tabla 1.

b. Ventajas relevantes

Las ventajas relevantes del inversor fotovoltaico INEEL-MAC desarrollado son las siguientes:

o Tecnología propia

o Voltaje de interconexión a 120 VCA; común en cualquier inmueble residencial o MiPyME

o Dispositivo “IoT” mediante WIFI; monitoreable a través de internet para que el usuario final siga su generación eléctrica

o Incorpora un Sistema de Adquisición de Datos con almacenamiento

o Interfaz local con tecnología OLED y amigable con el usuario. Alta capacidad de procesamiento digital.

o Compatible con cualquier tecnología de módulo fotovoltaico (modernas y antiguas).

o Tecnología moderna de Carburo de Silicio (SiC) incluida.

o Aislamiento Galvánico incluido; garantiza la seguridad para el personal de la CFE y los usuarios.

o Alta Calidad de la Energía permanente; en ningún momento impacta negativamente al SEN.

o Mayor vida útil con capacitores cerámicos

Este desarrollo tecnológico además de ser diseñado específicamente, por un lado, para las condiciones climatológicas del país y por el otro, para la normatividad de la CFE (acorde a las condiciones eléctricas del SEN); sus principales componentes magnéticos (en alta frecuencia) fueron diseñados y construidos exitosamente en México y por ingenieros mexicanos.

El voltaje de interconexión a 120 VCA es una de sus principales ventajas, dado que este voltaje -como se comentó anteriormente- está disponible, tanto en todos los hogares mexicanos, como en las MiPyMEs del país; sectores inmediatos meta en los programas de generación distribuida.

El inversor fotovoltaico es un dispositivo “IoT” -mediante cualquier red WIFI; monitoreable y controlable a través de internet para que el usuario final siga su generación eléctrica en tiempo real (i.e. desde su teléfono inteligente; ver la Figura 2). Ello, gracias a sus sensores electrónicos y su optimizado Sistema Embebido (SE) conformado por tres micro controladores modernos y dos DSPs (Digital Signal Processor, procesador de señales digitales); uno de propósito general y otro de aplicación específica (circuito integrado de medición de energía eléctrica con alta precisión). Esta infraestructura digital moderna le confiere al inversor una alta capacidad de procesamiento digital equivalente a las soluciones comerciales instaladas actualmente en el país.

El SE incorpora un Sistema de Adquisición de Datos (SAD) con almacenamiento interno, mediante una tarjeta SD card; lo cual es muy útil, ya que, en caso de la pérdida temporal de la señal de internet, los datos son respaldados para no perderlos y ser retransmitidos a la “nube” al recuperarse dicha señal. El SAD registra, de manera ininterrumpida: temperaturas, códigos de falla y principalmente parámetros eléctricos; tanto de los módulos FV a la entrada del inversor, como la producida en CA a su salida.

Se cuenta con una interfaz local con tecnología OLED y amigable con el usuario. Es decir, en gran medida el inversor FV mexicano, está pensado para facilitar el trabajo en campo de uno de los elementos más valiosos en la cadena de valor de los SFVI: el instalador. Se contemplaron códigos de falla explícitos e intuitivos que permitan una rápida ubicación del problema y su consecuente solución. Dentro del equipo de desarrollo participó personal certificado con experiencia en la operación y evaluación en el primer Estándar de Competencias en México; en cuyas actualizaciones recientes el INEEL ha participado.

Dado que este inversor FV es del tipo string, puede ser alimentado eléctricamente por una cadena de módulos FV conectados en serie, sin ningún tipo de restricción respecto a su tecnología FV (cristalina, película delgada, híbrida, etc.), o algún requerimiento eléctrico, más que no exceder su voltaje máximo. Es decir, el inversor tiene la capacidad de funcionar apropiadamente sin importar la magnitud de la corriente nominal que genere dicha cadena, por lo que lo hace compatible con cualquier tecnología de módulo FV (modernas y no tan recientes). Ello cobra importancia dado que, en México, los pioneros de la tecnología FV -no muchas décadas atrás- impulsaron el mercado FV con instalaciones autónomas (dominando las aplicaciones rurales), al grado que aún existen lotes de módulos FV que pueden aprovecharse ahora en aplicaciones interconectadas.

La electrónica de potencia interna está constituida por la tecnología moderna de Carburo de Silicio (SiC), lo cual contribuye a fortalecer su confiabilidad y eficiencia.

Asimismo, el inversor está diseñado para cumplir con un aspecto muy importante en términos de seguridad eléctrica, tanto para los usuarios finales (normalmente personal no técnico en los sectores meta), como para la CFE y su personal técnico. Se trata de su aislamiento galvánico mediante un transformador de alta frecuencia que desacopla el generador FV de la red eléctrica, el cual garantiza que, ante una falla crítica, la inyección de CD no generará consecuencias mayores a la red o incluso al resto de sus clientes.

La corriente de salida que se entrega a la red eléctrica, por parte del inversor mexicano, cumple con los estrictos parámetros normativos de la CFE, ya que su diseño permite mantener una alta calidad de la energía en cualquier nivel de su rango de potencia nominal, por lo que en ningún momento impacta negativamente al SEN. Esto es clave porque algunos inversores “aprueban” las pruebas individuales de banco (normalmente hechas sólo a potencia nominal), pero el impacto negativo a la red puede darse cuando varios de ellos estén operando simultáneamente y en niveles de potencia menores a su valor nominal -por las condiciones climatológicas-; situación que prevalece a lo largo del año.

Dado el proceso de conversión de energía en la electrónica de potencia de un inversor string, el usar capacitores cerámicos, también incrementa considerablemente su confiabilidad; por el hecho de no incluir un elemento como el electrolito que se afecta en condiciones no favorables, como en esta aplicación.

La versión inteligente

Una vez descritas las capacidades del actual inversor fotovoltaico mexicano -sobre todo la de “IoT”-, es fácil observar que, el inversor es la infraestructura estratégica para la implementación exitosa de las Redes Eléctricas Inteligentes (REI). De hecho, las versiones modernas de inversores son las llamadas “inteligentes” o con funciones avanzadas, o auxiliares; las cuales tendrán una interacción directa y continua, en tiempo real, con los operarios de la compañía eléctrica para gobernar, en forma remota, su generación de potencia, tanto activa como reactiva, de manera que den soporte a la red eléctrica. En México, instituciones de investigación aplicada han trabajado exitosamente en el tema desde inicios del presente siglo, mediante prototipos demostrativos, con factibilidad económica, que evidencia su altamente posible viabilidad industrial en el país.

En el 2019, en el proyecto CEMIE-Sol se alcanzó la primera versión inteligente de este inversor mexicano y dada la incursión del INEEL en el tema de REI’s en el CEMIE Redes Eléctricas Inteligentes, una vez alcanzada la versión industrializable, migrar su diseño a una versión inteligente -incluso con almacenamiento en baterías- es alcanzable, tanto a un menor costo, como a un menor periodo de desarrollo.

Conclusiones

Se ha descrito una solución innovadora del INEEL, alcanzada en conjunto con la empresa mexicana MAC Manufacturing S. de R.L. de C.V., la cual consiste en el desarrollo de un inversor fotovoltaico nacional exprofeso para el Sistema Eléctrico Nacional (SEN) con capacidad máxima de transferir 1 kW de potencia de cualquier arreglo FV, a la red eléctrica de 120 VCA, disponible en cualquier hogar o MiPyME mexicanos.

Las principales ventajas técnicas que aporta el inversor mexicano al mercado FV nacional son suficientes para competir en él y a su vez contribuir al desarrollo económico del país con una iniciativa innovadora que abona estratégicamente a las serias metas de TE del Gobierno de México y sus compromisos climáticos a nivel internacional. Sin embargo, una indiscutible catalizadora para alcanzarlo, en mayor proporción, es la indispensable creación de una industria nacional de inversores fotovoltaicos que no sólo atenderá las necesidades tecnológicas de la generación distribuida, sino también se anticipa a las del futuro -no tan lejano- de las REI y que, para todo ello, esta iniciativa -estamos seguros-, será la primer semilla.

Finalmente, pero no menos importante, otra valiosa aportación que resulta del inversor FV mexicano es, evidenciar -una vez más, como nuestra historia lo registra-, la riqueza que México tiene en su capital humano, ya que una vez que éste hace sinergia hacia una meta en común, su valioso talento y esfuerzo puede suplir de forma contundente y creativa cualquier necesidad, como este otro reto tecnológico.

Revista Transición Energética del INEEL