¿Qué importancia tiene la eficiencia de la conversión de potencia?

Cuando se trata de electrónica de potencia, la eficiencia es uno de los mayores retos para ser más competitivos. Cuanto mayor sea la eficiencia, menos energía se desperdicia y menos se calienta el producto, lo que se traduce en una vida media más larga de los componentes electrónicos.

La definición de eficiencia es «la relación entre el trabajo útil realizado por una máquina o un proceso y la energía total gastada». Cuando hablamos de convertidores de potencia, la eficiencia es un parámetro clave, ya que es la relación entre la potencia de entrada y la potencia de salida.

 

Como ejemplo práctico, la fuente de alimentación Premium CRS-1000-6494 (110Vin / 72Vout) a plena carga tiene una tensión de salida de 72Vcc y 13,9A y 110Vcc y 9,68A en el lado de entrada. Calcular la eficiencia es tan fácil como:

En este caso, se «pierden» 64W:

¿Por qué el mismo convertidor tiene diferentes eficiencias según el modelo?

¿Dónde va a parar esta energía? Todas las pérdidas de los convertidores de potencia son en forma de calor, y cuando necesitamos disipar el calor mediante ventiladores, esto afectará a la eficiencia.

El calor se disipa principalmente de la placa de circuito impreso, los MOSFETS, los diodos y otros componentes electrónicos como resistencias, transformadores, inductores y condensadores.

 

 

La mayor parte puede describirse mediante la primera ley de Joule: La potencia calorífica generada por un conductor eléctrico (se aplica también a las pistas de la placa de circuito impreso) es igual al producto de su resistencia por el cuadrado de la corriente.

Por eso, un CRS-1000 con voltajes más altos (y, por tanto, corrientes más bajas) disipará menos calor y, por tanto, será más eficiente.

Si comparamos el inversor DC/AC ODS-3000-7157 de Premium PSU (entrada de 110 VCC) con el ODS-3000-7153 (entrada de 24 VCC), el modelo de 24 V tendrá una corriente de entrada máxima de más de 160 A, frente a los 43 A del modelo de 110 V. Esta diferencia de corriente afecta a la eficiencia, que es del 92% para el modelo de 110V frente al 89% para el modelo de 24Vdc.

 

 

En el gráfico anterior la energía transferida al calor es mayor en el modelo de 24Vin comparado con el de 110Vin.

 

¿Por qué es importante la eficiencia?

Tener una mejor eficiencia energética tendrá un impacto en el coste, las emisiones de CO2 y puede afectar a la vida útil del sistema si éste utiliza baterías. Veamos cómo:

Coste

Imaginemos que utilizamos un inversor en un sistema, con una eficiencia típica del 80%, que podría ser la media del mercado. Las eficiencias típicas de los inversores Premiumi PSU oscilan entre el 87 y el 94% (90% de media). ¿Cuál será el impacto de este aumento del 10% de la eficiencia en 10 años? Si el inversor eficiente es 500 euros más caro, ¿cuándo tendremos el ROI?

Para facilitar los cálculos, supondremos un coste energético constante. En este ejemplo consideraremos que un inversor de 3 kW, con una eficiencia del 90% tendrá una potencia de entrada de 3.330 W, por lo que básicamente 330 W se convertirán en calor.

En cambio, si la eficiencia es del 80%, el calor generado será de 750W, lo que supone 2,25 veces más desperdicio.

Con un coste medio de 0,2€/kWh, y considerando que los inversores trabajan 12h al día durante un año con una eficiencia del 90%, el inversor DC/AC tendrá una pérdida de:

Mientras que un inversor DC/AC con una eficiencia del 80% costaría:

Con una diferencia de 368€/año, el retorno de la inversión por tener un convertidor más eficiente (500€ más caro) será de sólo ¡1,35 años!

 

 

CO2

En 2020 la electricidad total de EE.UU. generó aproximadamente 385,55g de CO2 por kWh. Calcular la diferencia total de CO2 que se emitirá a la atmósfera es muy fácil si sabemos que las pérdidas de calor son 520W menos:

¡Esto equivale a quemar 393,7L de combustible, o conducir durante 7.875km!

Más que la distancia desde la sede de Premium PSU en Barcelona hasta EE.UU. o China.

(Considerando un consumo medio de 5L/100km y 2,34kgCO2/L)

 

Vida útil de la batería

¿Y si este sistema se conecta a baterías?

Con un inversor más eficiente el tiempo de la batería aumentará, por lo tanto los ciclos de batería necesarios se reducirán, no sólo ahorrando energía sino también aumentando la esperanza de vida del sistema.

Tomemos una batería de 24Vdc de 300Ah, y consideremos que podemos descargarla profundamente y utilizar los 300Ah en cada ciclo… También consideraremos que la capacidad no se reducirá al cargarla y descargarla.

Utilizando un inversor con una eficiencia del 80%, la batería podrá alimentar al inversor durante 115 minutos frente a los 131 minutos que obtendremos utilizando un convertidor con una eficiencia del 90%.

Si el sistema funciona durante 2 horas cada día, con el convertidor más eficiente, la batería necesitará hacer 458 ciclos, mientras que el sistema menos eficiente necesitará 520 ciclos, reduciendo su esperanza de vida.

Como puedes ver, la eficiencia no es una característica menor a tener en cuenta a la hora de evaluar opciones en un convertidor de potencia. Por ello, en Premium PSU seguimos trabajando para mejorarla en todos nuestros dispositivos con el fin de que las aplicaciones de nuestros clientes sean no sólo competitivas, sino la mejor opción del mercado.