Una lavadora con una carga conectada de 2 kilovatios sigue consumiendo 1 KW de electricidad de la red incluso con una potencia fotovoltaica de 3 KW. Y una cama de agua de 600 vatios sigue consumiendo electricidad de la red por la mañana en lugar de calentarse sólo con energía solar. Incluso si su propio sistema fotovoltaico ya suministra 800 vatios.
¿Por qué?
Hoy en día, la mayoría de los inversores solares suministran corriente trifásica, lo que se corresponde con las 3 conexiones (fases) que suelen ofrecer los proveedores de electricidad. Esto es muy favorable para los proveedores de electricidad, pero también para los fabricantes de inversores: hoy en día, un sistema típico de 10 KW puede suministrar su potencia en 3 fases con componentes significativamente más baratos que si los 10 KW tuvieran que alimentarse en una sola fase.
Todas estas consideraciones se refieren a la red eléctrica interconectada europea con 3 fases por hogar. También existen otras redes con 2 o 1 fase en las que la siguiente descripción no se aplica o sólo se aplica parcialmente - véase el Excursus.
Con 10 KW en una fase, tenemos aproximadamente 43 A (10.000 vatios / 230 voltios) de corriente que suministrar,
con 3 fases, en cambio, sólo 8,3 A (10.000 vatios / 400 voltios / 3 fases). Además, con 3 fases, la corriente a suministrar se distribuye de forma mucho más uniforme en el tiempo. El inversor tiene que amortiguar menos potencia en sus condensadores. Con una fase, hay 50 momentos (corriente alterna de 50 Hz) en un segundo en los que el inversor no puede transferir ninguna energía a la red eléctrica (paso por cero). Sin embargo, los paneles solares suministran en todo momento al inversor la energía que están generando en ese momento (o mejor: convirtiendo). Por lo tanto, el inversor debe amortiguar (o ignorar, es decir, no utilizar) la potencia entrante durante el paso por cero. Sin embargo, con 3 fases, siempre hay 1,5 fases que pueden absorber energía. Con los inversores sin hierro que se utilizan hoy en día, esto ahorra una enorme cantidad de componentes caros. Los valores anteriores se han simplificado para facilitar su comprensión.
Excurso sobre inversores sin hierro
¿Qué es eso, un inversor sin hierro? Por supuesto, sigue teniendo una carcasa de chapa, uniones atornilladas de acero y todas esas cosas. "Sin hierro" se refiere al antiguo elemento central: el transformador, que convertía la tensión continua (entonces a menudo todavía baja) en corriente alterna de 220/230 voltios mediante un circuito alterno formado por transistores, tiristores u otros semiconductores . Se consideraba que esta tecnología de circuitos, que prevaleció hasta los años 90, "no tenía alternativa" y requería muy pocos semiconductores, que entonces aún eran muy caros, y enormes transformadores bobinados de cobre con núcleo de hierro, que entonces aún eran baratos (en comparación).
Por aquel entonces, siempre eran el factor que limitaba el rendimiento. Y, por tanto, se convirtieron cada vez más en un factor de coste: el cobre, en particular, era cada vez más caro, y no era posible construir transformadores de potencia de cualquier tamaño (necesarios para tensiones primarias bajas). Entonces surgió la tecnología disruptiva del inversor sin hierro, una innovación del Instituto Frauenhofer y el Sr. Ivan Riegel, perfeccionada por SMA de Kassel.De repente, la eliminación del transformador limitador significó que los voltajes de la batería y la energía solar podían aumentarse casi a voluntad, lo que redujo enormemente el coste de cables y reguladores. Las conexiones en serie se convirtieron en la norma. Y ahora "más potencia" podía suministrarse simplemente mediante semiconductores de potencia cada vez más baratos con condensadores de alta capacidad igualmente baratos. La energía eólica y solar de hoy en día no existiría en esta forma sin estos modernos inversores. El control moderno de los motores eléctricos, ya sean de ferrocarril o de automóvil, sería inconcebible sin estos inversores de capacidad prácticamente ilimitada (basta con añadir otro transistor y otro condensador y listo). Los (técnicamente) mismos inversores que hoy convierten la electricidad de los sistemas eólicos y solares en corriente alterna de 50/60 Hz compatible con la red también accionan los coches eléctricos y los ICE.
Pero 3 KW siguen siendo 3 KW, ¿no?
Sí y no.
La diferencia se debe a los consumidores domésticos estándar. Todos ellos son consumidores de corriente alterna pura. Por lo tanto, sólo cargan una fase de la red eléctrica durante su funcionamiento. Esto no tiene gran importancia para los productores de energía, ya que una lavadora puede cargar la 1ª fase en su casa, pero es pura coincidencia que cargue la 3ª fase en casa de su vecino. En una media estadística, esto significa que las 3 fases de la red eléctrica se cargan de manera bastante uniforme.
Excurso - ¿Por qué corriente trifásica?
En Alemania estamos acostumbrados a tener electricidadtrifásica de 400 V (antes 380 V) en todos los hogares (red eléctrica trifásica). Como está escrito: ¡Prácticamente el 100% de nuestros consumidores (aparte de los calentadores de agua instantáneos) son consumidores de CA! Véase tostadoras, televisores, planchas. Sin embargo, en la mayoría de los países del mundo, los hogares se abastecen actualmente sólo con corriente alterna, lo que evitaría en primer lugar que se produjeran las desventajas aquí descritas entre los inversores trifásicos y los consumidores monofásicos. ¿Por qué tan pocos países tienen una red doméstica trifásica y tantos tienen una red doméstica de corriente alterna? ¿Y qué hay de la diferencia entre 110/115 voltios y 220/230 voltios? ¿Y entre 50 Hz y 60 Hz?
He aquí el primer "secreto": prácticamente todos los países del mundo tienen una red trifásica en el cuadro de distribución (alta y media tensión). La razón es muy sencilla: ¡los costes! Cuando se transporta energía (corriente x tensión), se necesitan dos conductores para la conexión entre la fuente de energía (generador, central eléctrica) y el consumidor (consumidor, su casa, su lavadora), independientemente de que sea tensión continua o alterna. Ambos conductores deben tener la misma sección para transportar la corriente en el trayecto de ida y de vuelta.
¿Qué pasa con la "tierra"? La electricidad puede fluir a través de la tierra de vuelta a la central eléctrica, ¡entonces sólo necesitamos un conductor, un cable! Sí, eso es lo que aprendimos en la escuela... o al menos eso es lo que entendimos. Eso era y siempre ha sido en gran parte erróneo. Que yo sepa, esta tecnología (retorno a tierra) sólo se sigue utilizando en Australia , pero tiene los mismos problemas básicos que en cualquier otra parte del mundo: ¡la tierra es un conductor muy, muy pobre! Por lo tanto, aquí hay que utilizar tensiones muy altas, y no todas las zonas (¡depende de la naturaleza de la tierra!) pueden conectarse a una red de este tipo. Los conductores de puesta a tierra deben terminar en una tierra muy húmeda (no agua o piedras en sí, ¡tierra húmeda!), lo que puede hacer necesarias construcciones muy profundas.
Por lo tanto, al menos 2 conductores: ida y vuelta, independientemente de si se trata de corriente continua (que, por cierto, descompondría los conductores de tierra, electrólisis) o alterna.
Si necesita más potencia en esta línea (pueblo, ciudad, no sólo su lavadora), pronto necesitará 2 líneas una al lado de la otra = 4 conductores, porque de lo contrario las secciones de los cables serían demasiado rígidas o pesadas. ¿Y aún más potencia? Entonces 3 líneas = 6 conductores. Y así sucesivamente.
Y aquí es donde entra en juego la "magia" de la corriente trifásica. Con la corriente trifásica, las fases están (naturalmente) desfasadas entre sí, de modo que el flujo de corriente (y, por tanto, el transporte de energía) va siempre de una fase principal al consumidor... y vuelve por las otras dos fases = otras dos líneas/cables. Dependiendo del ángulo de fase, esto está algo simplificado, pero es suficiente para entenderlo o visualizarlo sin tener que estudiar física. Con la corriente trifásica, la misma potencia que de otro modo requeriría 6 líneas puede transportarse en tres líneas : ¡esto es realmente mágico y reduce a la mitad los costes de material y simplifica las líneas eléctricas en un 50%!
¿Y 110/220 voltios?
La tensión básica en la que se basaban todas las redes eléctricas era de 50-55 voltios. ¿Por qué? Una lámpara de arco fue en su día la fuente de luz más potente que existía (mucho antes de los LED 🙂 ). Y la "luz" era el único motor para construir redes eléctricas. Los motores eléctricos, y por tanto las aspiradoras, los ascensores y las lavadoras, no llegaron hasta mucho después. Las lámparas de arco "arden" con corriente alterna a unos 50 voltios. Dos lámparas de arco en serie necesitaban 100 voltios, o 110 voltios para una mayor fiabilidad de encendido. La corriente ya era un problema importante en aquella época, por lo que era más fácil hacer funcionar dos lámparas de arco de carbono en serie a 100-110 voltios que dos lámparas en paralelo a 50-55 voltios.
Sin embargo, esto no podía transferirse simplemente a 4 lámparas en serie = 220 voltios, el encendido era el problema.
Más tarde surgió la lámpara de filamento de carbono, en la que un filamento de carbono creaba prácticamente un cortocircuito en el vacío y se calentaba tanto que brillaba, pero no se quemaba debido a la falta de oxígeno. A diferencia de las lámparas de arco, que eran increíblemente peligrosas en manos privadas (el arco tiene una temperatura de unos 10.000°, ¡véase también la soldadura por plasma!), ahora la luz eléctrica podía utilizarse no sólo en la calle, sino también en casa: Había nacido un mercado gigantesco.
La suerte quiso que la tensión de red de 100-110 voltios también se adaptara perfectamente a estas nuevas fuentes de luz y se extendiera con gran rapidez. Sin embargo, seguían utilizando corriente continua, porque Thomas Edison pensó que sería genial. La Exposición Universal de Chicago supuso un cambio radical : Tesla, con su Westinghouse, pudo suministrar energía a esta Exposición Universal desde una central hidroeléctrica lejana (¡oído, oído!) de forma mucho más barata porque podía traer la energía desde lejos utilizando alta tensión y baja corriente a través de cables muy baratos. Sin embargo, cambiar la corriente y el voltaje mediante transformadores sólo era posible utilizando corriente alterna en lugar de corriente continua. Por eso hoy tenemos la corriente alterna de Tesla en todas partes, mientras que la corriente continua de Edison habría facilitado mucho el suministro de energía mediante sistemas solares...
Esto significaba que la corriente alterna pasaba a ser la norma. 50 Hz fue el resultado del compromiso de que la corriente continua seguía siendo lo bastante "lenta" para los motores eléctricos que surgían entonces (muy simplificados), pero ya podía transformarse. Mayor frecuencia = transformadores más pequeños, por lo que las redes de 60 Hz son más baratas, una vez más el precio. Por cierto, esta es también la razón por la que el ferrocarril funciona a 16 2/3 Hz en Alemania, por ejemplo: La corriente continua sería genial, pero no se puede transformar. No es lo ideal desde la perspectiva actual, pero entonces sólo había motores eléctricos. Los inversores ni siquiera existían todavía, y hoy no podríamos ni soñar con sus prestaciones.
OK, 110V/50Hz, todos felices. ¿Pero 220/230 voltios?
Una vez más, ¡fue la iluminación la que impulsó este cambio! Por primera vez, la nueva luz de tungsteno era capaz de proporcionar una luz significativamente más brillante y a la vez más segura que las fuentes de luz de fibra de carbono, ampliamente utilizadas, de forma económica (sí, el precio...). Y: ¡podía funcionar a tensiones considerablemente más altas! Mayor tensión = menor corriente. Menor corriente = cables y transformadores más baratos (¡la "corriente alterna" ya era estándar de todos modos!). Y aquí ocurrió algo bastante loco: muchos de los nuevos productores de energía del mundo pagaron (¡sí!) a sus clientes para que sustituyeran sus viejas lámparas de fibra de carbono por las modernas lámparas de tungsteno. Esto significaba que en Europa y Alemania se podía utilizar la nueva tecnología de 220 voltios suministrada principalmente por Siemens para ahorrar costes (y también menos pérdida de potencia = mayor eficiencia). ¿Por qué no en EE.UU.? Porque allí la difusión de las lámparas de fibra de carbono ya estaba demasiado avanzada. EE.UU. fue víctima de su progreso, el cambio habría sido demasiado caro.
EE.UU. = ¿220 voltios?
Sí, las redes de distribución de EE.UU. son de 220 voltios. Todos los hogares de EE.UU. disponen de 220 voltios. Sin embargo, por razones históricas (véase el último párrafo), la mayoría de los consumidores están conectados a una fase contra neutro en las cajas de fusibles (¡sólo allí!). El resultado son los habituales y conocidos 110 V. En todos los EE.UU. también se puede sustituir el fusible ("disyuntor") por un disyuntor de línea 2, que se conecta entre los dos conductores principales, y sale... ¡corriente alterna de 220 voltios/60 Hz!
¿Por qué 50 Hz/60 Hz?
Casi por casualidad. La frecuencia dependía de los generadores y polos (= haces de bobinado) de los generadores y de su velocidad de rotación. Siemens, como líder del mercado, especificó aquí 50 Hz (¡también podría haber sido 48 Hz o 56 Hz!), que luego se generalizó en todo el mundo. En Estados Unidos, Westinghouse prefirió 60 Hz. Desde el punto de vista de la transformación (mayor frecuencia = más eficaz y menor tamaño = transformadores más baratos), sería deseable 60 Hz o más; desde el punto de vista de los motores eléctricos de la época, sería deseable frecuencias más bajas (hasta corriente continua). Así que el mejor compromiso era de 50 Hz a 60 Hz. Hoy en día, la evaluación sería diferente, pero las redes ya no son intercambiables y están demasiado interconectadas.
Basta de divagaciones.
Volver al inversor
Si el sistema fotovoltaico suministra 3 KW, el inversor inyecta 1 KW por fase a la red doméstica. 3 x 1 = 3 KW. Sin embargo, su lavadora consume ahora 2 KW de una sola fase (mientras calienta, normalmente requiere mucha menos potencia). Esto significa que su sistema fotovoltaico inyecta 2 KW a la red en las otras dos fases, mientras que en la tercera fase se consume 1 KW de su propia energía fotovoltaica y 1 KW de la red pública. (Estos valores también se muestran aquí de forma simplificada).
Esto se aplica a cualquier consumidor con un consumo de energía superior a 1/3 de la potencia fotovoltaica actual.
Si la fotovoltaica del ejemplo anterior produjera 6 KW (= convierte la luz en electricidad), usted inyectaría 4 KW a la red pública, como es de esperar, y consumiría 2 KW usted mismo sin tener que comprar/pagar la electricidad de la red.
¿Cómo puede aumentar su propio uso?
A) Menos es más
Para un mejor autoaprovechamiento de la electricidad autogenerada, es aconsejable utilizar aparatos con el menor consumo máximo posible. Los aparatos de calefacción suelen ser los que más valen para ello, por ejemplo, lavadora, lavavajillas, secadora, secador de pelo, cocina, horno, microondas.
Un lavavajillas con un consumo máximo de 1,5 kW (que sólo consume cuando se calienta) puede funcionar al 100% sin electricidad de la red si se generan 4,5 kW de energía (independientemente de si se trata de producción combinada de calor y electricidad, energía eólica o energía solar).
Para una secadora que consume hasta 2 kW (pero prácticamente de forma continua), ya se necesitan 6 kW de potencia.
Nunca compensa deshacerse de una lavadora que funciona y comprar en su lugar un electrodoméstico menos potente.
Pero la próxima vez que compre un repuesto, puede consultar el catálogo de accesorios de camping para ver si existen alternativas. Por supuesto, esto sólo tiene sentido si el aparato en cuestión también se utiliza en momentos en los que se dispone de energía autogenerada.
Si el único secador de pelo de la casa sólo lo enciende la hija por la noche justo antes de ir a la discoteca, es decir, en un momento sin energía fotovoltaica autoproducida, el secador de 800 vatios no supondrá ningún ahorro en comparación con el modelo de 2000 vatios debido a su mayor tiempo de funcionamiento.
B) Distribuir.
Aquí hay que distinguir entre distribución temporal y distribución de fase.
Distribución temporal
Si se utiliza PRIMERO la lavadora y DESPUÉS la secadora, ambos aparatos pueden beneficiarse de la electricidad autogenerada. Si funcionan al mismo tiempo, su consumo de energía combinado superará la potencia disponible.
Tenlo en cuenta también en las distintas estancias, es decir, tecnología de entretenimiento en el salón horno en la cocina lavadora en el sótano consola de juegos en la habitación de los niños.
Distribución de fases
Asegúrate de que tus cargas habituales en particular (frigorífico, congelador, calefacción, cama de agua, bomba de circulación, router, etc.) se distribuyen lo más uniformemente posible entre las 3 fases.
Es muy útil si
a) etiquete sus tomas con el número de fase respectivo (la fase "real" no es importante aquí, sólo se trata de asignar las cargas a las 3 fases individuales disponibles) y
b) enumerar estos consumidores en una lista, con el tiempo de funcionamiento principal y el consumo de energía.
Puede ser útil que el ordenador, que se utiliza a menudo durante el día, funcione en una fase distinta a la del monitor, que funciona al mismo tiempo. Y, a ser posible, la impresora en la 3ª fase. De este modo, un sistema informático de 300 vatios podría funcionar al 100% con energía fotovoltaica incluso a primera hora de la mañana o a última hora de la tarde.
Al principio, concéntrese en las cargas permanentes como calefacción, frigoríficos (congelador), router, NAS. Si, por ejemplo, distribuyes uniformemente la calefacción con un consumo de aprox. 100 vatios, el frigorífico con aprox. 80 vatios, el router con aprox. 10 vatios, etc., puedes hacer funcionar los aparatos de carga permanente incluso en invierno, cuando el cielo está nublado, utilizando energía solar gratuita. Esto es mucho más eficiente que el hervidor de agua con 2 KW, que sólo se enciende dos veces por semana durante 5 minutos. Con una cama de agua doble, por ejemplo, puede ser útil encender el primer calentador a las 9 de la mañana, cuando el sistema fotovoltaico ya está suministrando 900 vatios o más. El segundo calefactor se enciende hacia las 12 del mediodía. Por la tarde, la cama vuelve a estar a plena temperatura de funcionamiento y ambos calefactores se apagan por la noche. Otra ventaja: ya no se duerme sobre un campo magnético alterno.
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