Modelación computacional de la transferencia de calor en un inversor solar

Abstract

La energía solar fotovoltaica ha tenido un gran crecimiento y desarrollo en los últimos años, creciendo exponencialmente la capacidad instalada en chile. Dentro de una instalación fotovoltaica el inversor solar cumple un papel muy importarte, es el encargado de convertir de corriente continua a corriente alterna la electricidad generada. En la actualidad, los inversores concentran la mayoría de las fallas registradas en una instalación fotovoltaica. Con el propósito de entender los motivos de estas fallas se realizó un levantamiento de datos referente a la operación y el mantenimiento de los inversores solares. La información fue recogida desde dos instalaciones solares: Planta solar Quilapilun y Planta solar Fines Terrae. Como resultado se obtuvo que el principal modo de falla que afecta a los inversores son las fallas por aumento de temperatura, que tienen su origen en los problemas de transferencia de calor al interior del inversor, principalmente relacionados a las placas electrónicas (PCB) de los inversores. Para estudiar la transferencia de calor dentro del inversor se realizaron simulaciones computacionales de dinámica de fluidos. La geometría del inversor se basó en modelos comerciales, de los cuales se obtuvieron los parámetros de funcionamiento. De la simulación se desprendió que una oportunidad de mejora considerable consiste en aumentar la velocidad con la que el flujo incide sobre los componentes electrónicos, con especial énfasis en las PCB. Aumentar el caudal de los ventiladores no representa una gran opción, ya que, a pesar de la relación entre caudal y tasa de transferencia de calor, la velocidad sobre los componentes electrónicos sigue siendo baja, manteniendo la estructura inicial del flujo. Para modificar la estructura inicial del flujo y aumentar la velocidad en las PCB, se redistribuyen los ventiladores dentro del inversor. Se estudiaron cuatro configuraciones del flujo respecto a las placas electrónicas: Flujo perpendicular, flujo paralelo horizontal alineado, flujo paralelo horizontal no alineado y flujo paralelo vertical. En todos los casos estudiados se logró modificar la estructura del flujo, aumentando la velocidad de incidencia sobre las PCB de gran manera. El caso que representa un mayor aumento del valor del coeficiente de transferencia de calor total del inversor (ℎ𝑇) y coeficiente de transferencia de calor de las PCB (ℎ𝑃𝐶𝐵) corresponde al flujo perpendicular, en el cual se tiene un aumento de 76% y 327% respectivamente. Otra opción de rediseño fue la utilización de toberas en la entrada del inversor. Se estudiaron dos casos de distribución homogénea de las toberas: el primer caso con un total de 48 toberas, mientras que se utilizaron 15 toberas para el segundo. Los datos obtenidos reflejan un crecimiento del 55% y 218% para los valores de ℎ𝑇 y ℎ𝑃𝐶𝐵 respectivamente para las 48 toberas, mientras que para el segundo caso un 49% y 259%.

Photovoltaic solar energy has had great growth and development in recent years, exponentially growing installed capacity in Chile. Within a photovoltaic installation, the solar inverter performs a very important role, it is responsible for converting the electricity generated from direct current to alternating current. Currently, most failures registered in a photovoltaic installation are concentrated in inverters. To understand the reasons for these failures, a data collection was made on the operation and maintenance of the solar inverters. The information was collected from two solar installations: Solar plant Quilapilun and Soalr plant Finis Terrae. As a result, it was obtained that the main failure mode that affects the inverters are temperature rise failures, which have their origin in the problems of heat transfer inside the inverter, mainly related to the electronic board (PCB) of the investors. To study the heat transfer inside the inverter, computational simulations of fluid dynamics were performed. The inverter geometry is based on commercial models, from which the operating parameters were obtained. The simulation revealed that a considerable improvement opportunity is to increase the speed with which the flow arrives on the electronic components, with special emphasis on PCBs. Increasing the flow rate of the fans is not a great option since, despite the direct relationship between flow rate and heat transfer rate, the speed on the electronic components remains low, maintaining the initial structure of the flow. To modify the initial flow structure and increase the speed on the PCBs, the fans inside the inverter are redistributed. Four flow configurations with respect to the electronic boards were studied: Perpendicular flow, aligned horizontal parallel flow, unaligned horizontal parallel flow, and vertical parallel flow. In all the cases studied, the flow structure was modified, increasing the incidence speed on PCBs greatly. The case that represents a greater increase in the value of the inverter's total heat transfer coefficient (ℎ𝑇) and the PCB heat transfer coefficient (ℎ𝑃𝐶𝐵) corresponds to the perpendicular flow, in which there is an increase of 76% and 327 % respectively. Another redesign option was the use of nozzles at the entrance of the inverter. Two cases of homogeneous distribution of the nozzles were studied: the first case with a total of 48 nozzles, while 15 nozzles were used for the second. The data obtained reflects a growth of 55% and 218% for the values of ℎ𝑇 and ℎ𝑃𝐶𝐵 respectively for the 48 nozzles, while for the second case 49% and 259%.