Pérdidas en vacío del transformador en sistemas solares aislados: por qué son importantes

En los proyectos fotovoltaicos aislados de la red y con almacenamiento, muchas personas se centran en la selección de módulos fotovoltaicos y baterías de almacenamiento de energía, pero pasan por alto un “agujero negro oculto ”que consume energía las 24 horas del día —el transformador ’: las pérdidas en vacío. En los proyectos conectados a la red, los transformadores suelen operar únicamente durante las horas diurnas, por lo que las pérdidas en vacío tienen un impacto limitado. Sin embargo, en los proyectos aislados de la red, el transformador debe permanecer conectado al bus las 24 horas del día, y el “efecto acumulativo continuo ”de las pérdidas en vacío se amplifica drásticamente. Este es un costo que todo desarrollador de proyectos aislados de la red debe calcular cuidadosamente.

1. ¿Por qué son más “Mortales ”las pérdidas en vacío en los sistemas aislados de la red que en los conectados a la red?

1.1 La diferencia fundamental en las condiciones de funcionamiento

Fotovoltaica conectada a la red: El transformador se pone en marcha y se detiene con la luz solar, funcionando aproximadamente 10 –12 horas al día. Por la noche puede desconectarse del bus.

Fotovoltaica aislada/almacenamiento: El transformador permanece conectado al sistema las 24 horas del día, realizando la transformación y el aislamiento de tensión. No puede apagarse. Las pérdidas excesivas en condiciones de carga ligera y sin carga en los sistemas aislados se han convertido en un cuello de botella fundamental que limita la rentabilidad del sistema.

1.2 El “Amplificador Temporal ”Efecto de las pérdidas en vacío

La fórmula para las pérdidas en vacío es muy sencilla: Electricidad anual perdida en vacío = P ₀ (pérdidas en vacío en kW) ×8.760 horas .

En escenarios conectados a la red, las pérdidas en vacío representan solo una pequeña parte de las pérdidas totales. Sin embargo, en escenarios aislados de la red, las tasas de carga fluctúan de forma más amplia y el tiempo en vacío es mayor, por lo que las pérdidas en vacío representan una proporción significativamente mayor de las pérdidas totales. Datos del sector indican que las pérdidas en vacío de los transformadores representan aproximadamente el 20 % –30 % de las pérdidas nominales totales. Cuando la capacidad del transformador es excesiva y opera a baja carga durante largos períodos, las pérdidas en vacío pueden superar el 60 % de las pérdidas totales.

1.3 La “Escasez de Fuentes de Energía ”en Escenarios Aislados de la Red

En proyectos aislados de la red, cada kilovatio-hora proviene de paneles fotovoltaicos o generadores diésel. El costo por kWh de la generación diésel en zonas remotas puede superar fácilmente los 3 RMB, y el costo integral por kWh puede ascender a 4,1 RMB. En minas remotas en el extranjero, los costos de generación diésel pueden alcanzar 0,4 –1,0 USD/kWh, es decir, 4 –5 veces el costo de la electricidad de la red. Las pérdidas en vacío consumen “energía preciosa, ”no“energía económica, ”por lo que su costo económico se amplifica aún más.

2. ¿Qué compone las pérdidas en vacío? —¿Cómo funciona? “- ¿ Qué? ”¿Electricidad?

2.1 La naturaleza de las pérdidas en vacío

Las pérdidas en vacío (pérdidas en el núcleo) están determinadas principalmente por el material del núcleo. No dependen de la carga operativa y ocurren tan pronto como el transformador se energiza. Incluyen las pérdidas por histéresis y las pérdidas por corrientes parásitas. Puede considerarlas como la energía que consume el transformador ’s“metabolismo basal » — del mismo modo que un teléfono consume energía incluso cuando no está realizando una llamada, un transformador genera pérdidas en vacío siempre que esté conectado a la red.

2.2 El material del núcleo es el factor decisivo

Los transformadores tradicionales utilizan láminas convencionales de acero al silicio, por lo que las pérdidas en vacío permanecen elevadas. Las pérdidas en el núcleo de los transformadores de aleación amorfa son un 70 % –80 % inferior al de los transformadores tradicionales con núcleos de acero al silicio. En comparación con la última generación de transformadores secos de acero al silicio de grado 1, los transformadores de aleación amorfa ultraeficientes más recientes reducen las pérdidas en vacío en un 65,2 %.

2.3 Desafíos especiales en escenarios aislados de la red

Los sistemas aislados de la red suelen enfrentar ciclos frecuentes de carga alta-baja, lo que impone mayores exigencias sobre la estabilidad del circuito magnético del transformador. Las pérdidas en vacío siguen consumiendo energía durante los períodos de carga ligera y en vacío, y precisamente esos son los momentos en que el almacenamiento de energía en los sistemas aislados de la red se encuentra más “sobrecargado. ”En escenarios extremos, las pérdidas en vacío en los sistemas aislados de la red pueden obligar a incrementar la capacidad de los paneles fotovoltaicos y del sistema de almacenamiento para compensar la capacidad de suministro “consumida ”por las pérdidas.

3. Un cálculo económico que no puede ignorar

3.1 Modelo de cálculo del consumo anual de energía

Tomemos como ejemplo un transformador de 1000 kVA. Las pérdidas en vacío varían considerablemente según la categoría de eficiencia energética:

Nota: El consumo anual en vacío = pérdidas en vacío ×8.760 horas. Los datos reales varían según el modelo de producto y la tasa de carga.

La actualización del Grado 3 al Grado 1 puede ahorrar aproximadamente 15.000 RMB al año en costes de respaldo diésel derivados únicamente de las pérdidas en vacío.

3.2 Perspectiva del costo del ciclo de vida (LCOE)

Aunque los transformadores de grado 1 tienen un costo inicial más elevado, sus pérdidas en vacío son un 30 % –un 50 % menores, lo que puede ahorrar una cantidad considerable de costos eléctricos durante un período operativo de 25 años. Por ejemplo, al comparar el transformador SCB14 (grado 1) con el SCB11 (grado 2), los ahorros anuales de electricidad pueden alcanzar los 20 000 kWh. La inversión inicial para una subestación prefabricada de grado 1 es mayor, pero en escenarios aislados de la red, los ahorros en costos eléctricos superan ampliamente la diferencia de precio de compra.

3.3 El “Factor de amplificación ”en Escenarios Aislados de la Red

Los precios de la electricidad (o los costos de respaldo con diésel) en proyectos aislados de la red son mucho más altos que los precios de la electricidad en redes interconectadas. Con un costo de respaldo con diésel de 3 RMB/kWh, un transformador de grado 1 de 1 000 kVA puede ahorrar aproximadamente 75 000 RMB en costos eléctricos por pérdidas en vacío durante un período de 5 años frente a un transformador de grado 3. Tras considerar las pérdidas del transformador y de los cables, la producción energética de un sistema aislado de la red puede reducirse un 2,3 %. –4,6 %. Estas pérdidas requieren finalmente una capacidad adicional de PV o diésel para compensarlas.

4. Jiangsu Unita ’soluciones optimizadas de pérdidas en vacío para sistemas aislados

4.1 Actualización del material del núcleo de hierro

Jiangsu Unita Electric ’las subestaciones prefabricadas específicas para PV de Jiangsu Unita Electric cumplen con devanados totalmente de cobre y estándares de eficiencia energética de clase 1. Las series SCB13/S20 reducen las pérdidas en vacío en más del 25 % respecto al estándar nacional, y un modelo de 2500 kVA ahorra más de 30 000 kWh por año. Para subestaciones prefabricadas de gran capacidad, los núcleos de aleación amorfa son opcionales y reducen las pérdidas en vacío en otro 50 %. La serie S20 utiliza núcleos de acero eléctrico laminado en frío de alta permeabilidad y devanados de cobre sin oxígeno de alta pureza, lo que reduce las pérdidas en vacío en un 15 % –un 20 % respecto a la serie S13, con una eficiencia que supera el 99 % en rangos de carga habituales.

4.2 Optimización del proceso de devanado

Jiangsu Unita Electric insiste en un diseño de devanado totalmente de cobre. Las pérdidas por carga son del 25 % –30 % inferior al de los devanados de aluminio, la disipación del calor es mejor y la vida útil es más larga. La serie SCB13 utiliza devanados de cobre sin oxígeno + película de poliimida, con una resistencia térmica de 220 °°C, soportando 10 años más de choques a altas temperaturas que los conductores convencionales. En la producción, se emplea el “método de solapamiento en una sola pieza de 5 o 7 pasos ”para mejorar la estructura cristalina, reduciendo eficazmente las pérdidas por histéresis. Las pérdidas en vacío se reducen un 30 % y las pérdidas bajo carga, más del 10 %.

4.3 Personalización basada en escenarios y adaptación a entornos extremos

Los proyectos aislados suelen implementarse en zonas remotas con condiciones ambientales severas. Zhongmeng Electric personaliza soluciones de protección IP54/IP65 y protección contra la corrosión C5-M para condiciones complejas como montañas, niebla salina costera y tormentas de arena desérticas, garantizando un funcionamiento estable desde -40 °C a +55 °C. Para escenarios de alta altitud, Zhongmeng personaliza un aislamiento reforzado + una estructura anticondensación de doble capa + un sistema inteligente de control de temperatura. Un proyecto fotovoltaico de 200 MW en alta altitud en Qinghai, a más de 3800 metros sobre el nivel del mar, ha registrado cero fallos de equipo durante dos años de operación.

4.4 Datos validados en campo

Un transformador prefabricado Jiangsu Unita puesto en servicio en 2013 en una central eléctrica del noroeste de China aún mantiene su pérdida en el núcleo de hierro estable al 95 % de su valor inicial, mientras que otras marcas en el mismo emplazamiento han sustituido sus núcleos de hierro dos veces. En una central eléctrica de meseta a 4500 metros de altitud en Tíbet, los equipos Jiangsu Unita han operado durante 8 años sin ningún fallo, mientras que una central vecina ’de otra marca tuvo que sustituir su carcasa tres veces debido a grietas provocadas por bajas temperaturas. Estos casos confirman la fiabilidad a largo plazo de los equipos Zhongmeng ’en entornos extremos.

5. Puntos clave para la selección de transformadores elevadores para sistemas fotovoltaicos aislados de la red

5.1 Prioridad: grado de eficiencia energética

Dar prioridad a productos de eficiencia energética de Grado 1 o Grado 2 que cumplan con GB 20052-2024. Las pérdidas en vacío pueden reducirse un 30 % –50 %. Verificar con ambos “etiquetas de eficiencia energética + datos medidos ”para evitar “alta eficiencia falsa ”productos con calificaciones engañosas.

5.2 Ajuste de capacidad —Evitar “Un caballo grande tirando de un carro pequeño ”

Una capacidad excesiva provoca una operación prolongada a baja carga, y la proporción de pérdidas en vacío se dispara. Una capacidad insuficiente provoca una operación sobrecargada en la carga máxima, y los costos de reparación por fallas son 3–5 veces los ahorros iniciales en equipos . La práctica estándar de la industria consiste en configurar la capacidad de la subestación tipo caja en 1.1–1,3 veces la capacidad instalada de PV . Esto reserva espacio para la degradación del módulo y evita picos de pérdidas en vacío causados por cargas ligeras. Por ejemplo, un proyecto fotovoltaico de 10 MW puede utilizar una subestación prefabricada de 11 –13 MVA.

5,3 Árbol de decisiones para la selección del material del núcleo de hierro

5.4 Recomendaciones de selección basadas en escenarios

Estaciones base de comunicación remotas: Enfóquese en las pérdidas en vacío y en el grado de protección. Las estaciones base aisladas de red suelen enfrentar costos eléctricos elevados, y la optimización de las pérdidas en vacío afecta directamente la economía operativa.

Microrredes aisladas de red: Debe admitir conversión bidireccional e interfaces de almacenamiento. Se recomienda incluir las pérdidas en vacío del transformador en el cálculo de la capacidad de almacenamiento durante la fase de diseño del sistema, para evitar una capacidad de almacenamiento insuficiente debida a las pérdidas.

Altitud elevada/clima extremo: Enfóquese en la adaptabilidad a la temperatura y en el grado de protección contra la corrosión. Los equipos Zhongmeng pueden operar de forma estable desde -40 °C a +55 °°C, con calificaciones opcionales de protección IP54/IP65.

Conclusión

En los sistemas aislados, las pérdidas en vacío del transformador no son “un cambio pequeño » — sino un gasto fijo que opera las 24 horas del día. Tomemos como ejemplo un transformador de 1 000 kVA. En un escenario aislado con un costo de respaldo diésel de 3 RMB/kWh, un transformador de Clase 1 frente a uno de Clase 3 puede ahorrar más de 75 000 RMB solo en pérdidas en vacío durante 5 años —lo suficiente como para cubrir la diferencia de precio de compra del producto de Clase 1 y aún sobrar.

Los desarrolladores de proyectos aislados deben incluir las pérdidas en vacío en la evaluación del costo del ciclo de vida en la etapa de selección, en lugar de considerar únicamente el precio de compra. Para los proyectos aislados ya en operación, también vale la pena evaluar la rentabilidad económica del reemplazo del transformador —especialmente en escenarios con altos costos de respaldo diésel, donde el período de recuperación de la inversión al sustituir por transformadores de bajas pérdidas puede ser más corto de lo esperado.