Los inversores para sistemas fotovoltaicos, almacenamiento en baterías y electromovilidad deben soportar factores ambientales adversos como el clima, la suciedad, los altos voltajes y los largos tiempos de funcionamiento.
A pesar de estos retos, los inversores de alta calidad suelen durar entre 20 y 25 años. Sin embargo, los métodos de construcción, los materiales y los diseños específicos que garantizan esta vida útil siguen sin estar claros, especialmente en el caso de aplicaciones más recientes como la fotovoltaica y la electromovilidad.
Para solucionar este problema, los inversores suelen diseñarse con márgenes de seguridad excesivos, utilizando materiales y procesos que ofrecen durabilidad sin un conocimiento detallado de los mecanismos de envejecimiento y fallo. El resultado es un aumento de los costos.
En respuesta, Fraunhofer IMWS, el Instituto de Elementos de Máquinas de la Universidad de Stuttgart y las empresas alemanas SMA, Electronicon Kondensatoren y Merz Schaltgeräte han desarrollado una metodología para mejorar las predicciones de vida útil y fiabilidad de los inversores y sus componentes clave.
«Nuestros resultados permiten un diseño preciso en el desarrollo de nuevos inversores y pruebas más rápidas en el control de calidad», afirma Sandy Klengel, director de proyectos de Fraunhofer IMWS. «Esto permite reducir los costos de fabricación, ya que tenemos un conocimiento mucho más profundo del comportamiento de los componentes».
Fraunhofer IMWS estudió los procesos de fallo y envejecimiento en condensadores de película y dispositivos de conmutación electromecánicos, como disyuntores de CC y conjuntos de relés.
Los investigadores crearon defectos y desencadenaron mecanismos de degradación en condiciones de laboratorio utilizando montajes de prueba especialmente desarrollados. Tuvieron en cuenta las interacciones de los materiales, las cargas eléctricas variables y las influencias ambientales, como los cambios estacionales de temperatura, la humedad y los agentes corrosivos, como la niebla salina.
A continuación, evaluaron qué fenómenos eran relevantes para el uso en el mundo real comparando los resultados de laboratorio con componentes envejecidos sobre el terreno que seguían sin presentar defectos.
Los resultados revelaron problemas como grietas en las capas cerámicas que afectaban al aislamiento, formación de capas de óxido, desmetalización, degradación de polímeros, daños térmicos y deterioro de soldaduras. Los investigadores también observaron depósitos cristalinos, fusión local, contaminación y fallos en los componentes de la carcasa.
El equipo recopiló estos hallazgos en un catálogo que resume los tipos, características y causas de los fallos. También utilizaron simulaciones numéricas para comprender mejor la física de los fallos, como la densidad de corriente local y la pérdida de calor en los interruptores.
«Con estos resultados, los fabricantes pueden reducir los requisitos de material y el esfuerzo de ensayo y, por tanto, los costos de los dispositivos, sin comprometer la fiabilidad y la vida útil de los inversores», afirma Klengel.
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