¿Cómo funciona exactamente un sistema solar conectado a la red residencial?

Ok... sé cómo se conectan los paneles solares a una caja combinadora y se conectan a un controlador/inversor de carga. También sé que la CA del inversor debe estar en fase con la línea/alimentación principal.

Lo que quisiera saber es lo siguiente:

  1. ¿Exactamente cuánto voltaje (por encima del voltaje de línea) debe tener la salida del inversor para que la corriente fluya hacia la red?

  2. En una línea principal de 100 A, ¿cuánta corriente podría enviarse a la red (suponiendo que su panel solar tuviera una capacidad neta ligeramente mayor de la que su línea es capaz de transportar y qué sucedería con el exceso de energía de su sistema solar si no pudiera enviarse? a la red, debido a que es más alta de lo que la línea principal está calificada para llevar?

  3. ¿Cuál sería la diferencia en la traza de un osciloscopio si observo la salida del sistema solar cuando está conectado a la red frente a la traza normal de la red eléctrica en el osciloscopio si la conexión a la red no estuviera conectada?

Respuestas (2)

(1) La salida del inversor será exactamente la tensión de línea, habiendo aumentado la tensión de línea (local) de acuerdo con la impedancia de la fuente de la línea de suministro y la corriente desarrollada. Como el inversor está conectado a la línea, su salida es la tensión (medida localmente) ) tensión de línea por definición. El "medidor gira hacia atrás" cuando la generación excede el uso, porque detecta la dirección actual. A menudo habría medidores separados para consumo y generación.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Esta es una red de distribución residencial, tu casa es la No.2, la tercera desde el poste del transformador y la única con energía solar. Actualmente está en la sombra, por lo que el voltaje de la línea se reduce un poco más lejos del poste, y la última casa (No.3) ve 109V.

Cuando sale el sol, el voltaje de la línea en el poste sigue siendo de 115 V, pero el voltaje de la línea local también se vuelve de 115 V.

El No. 1 ahora recibe alimentación de ambos lados y su línea aumentará de 113 V a 114 V, y el No. 3 todavía está 2 V por debajo del voltaje de su línea, ahora ve 113 V.

Clima Línea No.1 No.2 No.3
Nublado 115V 113V 111V 109V
Soleado 115V 114V 115V 113V

(2) ¿Dónde estás y en qué régimen de conexión estás? Si se encuentra en el Reino Unido y cumple con el estándar G83/2 para una conexión residencial monofásica, la respuesta es hasta 16A. (Se permite una salida más alta en un estándar separado, G59/2 para conexiones trifásicas). Cualquier exceso de energía simplemente no se extrae del panel (suponiendo que se trata de un sistema conectado a la red sin almacenamiento local)

Nada de esto se aplica fuera del Reino Unido.

(3) Casi nada visible, tal vez un voltaje ligeramente más alto y una forma de onda ligeramente más limpia (suponiendo que su inversor sea legal y cumpla con los estándares aplicables, incluida la distorsión armónica).

La especificación G83/2 ilustra los requisitos de protección contra sobrevoltaje, frecuencia fuera de tolerancia y forma de onda, y la consideración de suma importancia de desconectar inmediatamente si la red falla, para evitar electrocutar a los ingenieros que intentan repararla.

Aquí hay un artículo sobre las reglas en California para que pueda comenzar con los estándares de los EE. UU., que pueden variar de un estado a otro.

La regulación de la red es un tema en sí mismo: no es automático, alguien lo supervisa y agrega o elimina capacidad de generación para mantener sus parámetros (voltaje y frecuencia) dentro de los límites.

Una característica de los generadores tradicionales (spinning metal) es que a medida que los carga, se ralentizan un poco, lo que reduce su voltaje de salida y su contribución a la red, transfiriendo su carga a otros, que a su vez se ralentizan, llegando a un consenso. en la frecuencia real de la red. Puede ver este proceso en el Reino Unido en tiempo real aquí . En este momento, está leyendo 50,007 Hz, por lo que no hay necesidad de capacidad adicional, pero si cae a 49,9 Hz, se realizarán llamadas telefónicas y se encenderá alguna otra fuente de alimentación...

La importancia de esto para los inversores conectados a la red es la forma en que pueden afectar la demanda y los flujos de energía a corto plazo de manera impredecible, para lo que la red no está diseñada actualmente.

1. Estoy en los Estados Unidos. La energía residencial es de 2 líneas de 120 V que están en fase. ¿Qué es el 'voltaje de arranque'? Estoy preguntando sobre la potencia de salida del inversor a la red. 2. ¿Por qué un flujo de corriente tan bajo (es decir, 16 A) a la red en el Reino Unido? 3. Entonces, ¿cómo se envía la corriente a la red si el voltaje no es más alto? ¿Y cómo gira el medidor en reversa si la salida V no es más alta que la corriente de línea entrante?
Luego, deberá encontrar su código local revisado para la generación distribuida. El límite de 16A es por hogar, para limitar la inestabilidad en los sistemas de red residencial. Si varias casas retroalimentaran 100A, recorrería el vecindario sin un rediseño importante del sistema. Las conexiones de mayor potencia requieren más costos de infraestructura que no entran exactamente bajo la etiqueta "residencial".
¿El límite de 16A en el Reino Unido es por hora?
Los amperios son una medida continua e instantánea: un culombio por segundo = un amperio.
La corriente es una tarifa, por lo que 16A por hora no tiene sentido.
Ok, míralo desde el punto de vista de la potencia (vatios), entonces, por favor. ¿Qué sucede con el V y A en la conexión a la red cuando la energía fluye desde la línea hacia el sistema en comparación con cuando la energía generada fluye en la dirección opuesta? Uno o ambos de V o A tienen que cambiar para que el medidor cambie de dirección, ¿no es así?
Sí, como se explica en la respuesta, la corriente cambia de dirección.
Exactamente, imagina medir por la mañana; para comenzar con Vhouse < Vgrid por una pequeña cantidad y A está fluyendo. A medida que la potencia de los paneles aumenta, A tiende a cero, en cuyo punto Vhouse = Vgrid; entonces A se vuelve "negativo" (es decir, en la otra dirección) y Vhouse > Vgrid por una pequeña cantidad.
@ pjc50: ¿cuánto es esa "pequeña cantidad" cuando Vhouse> Vgrid y qué se traduce en Watts out?
Depende de la resistencia del cable entre los dos puntos en los que elija medir Vhouse y Vgrid. Probablemente milivoltios. Watts out es V * A medido en el medidor, integrado con el tiempo en kWh utilizados en su factura.
¿La carga de la línea por parte de los clientes de servicios públicos no disminuiría la Vgrid y, por lo tanto, haría que la salida de su Vhouse causara que fluyan más vatios a la red (suponiendo que su sistema tuviera la capacidad de generar suficiente energía para intentar aumentar la Vgrid reducida causada por la carga ?
@Brian Drummond: ese es un esquema útil y una buena explicación. Con base en esa información, parecería razonable que la empresa de servicios públicos ajustara su generación en función de cuánto midieron en la línea. Por lo tanto, si yo y muchos otros usuarios solares conectados a la red generáramos la mayor parte de la energía para esa subred, la empresa de servicios públicos podría reducir considerablemente su generación de energía. ¿Es eso correcto?
El sistema de control funciona al revés: el inversor solar tiene una cierta potencia disponible y está tratando de conducir Vhouse lo más alto posible. Su declaración final sobre la compensación de la generación de energía es correcta y absolutamente el punto de todo el sistema.
Hasta el punto de equilibrio en una subred, eso es probablemente cierto. Más allá de ese punto, eso es demasiado simplista. Simplemente no tienen ese nivel de control sobre cada subred... hoy. Lea algunos de los relatos de inestabilidad de la red cuando algo pequeño se dispara (porque su transformador de poste tuvo un sobrevoltaje), sobrecargando algo más y apagando toda la costa oeste durante horas. Podría rediseñar toda la distribución para superar estos problemas, pero eso cuesta dinero y lleva tiempo.
(Obviamente, dentro de los límites de Vhouse: ¡superar el 10% del voltaje normal de la red debería disparar un corte de seguridad!)
¿Se ajusta automáticamente el sistema de red para las cargas variables y cuánto se puede regular un generador antes de que se apague o arranque (dependiendo de cuál sea el caso?
@ pjc50: ¡buen punto sobre la necesidad de protección! Se agregó una referencia a la especificación aplicable en el Reino Unido. Agregando un poco sobre la regulación de la red también.
El ajuste del sistema de red es una combinación de automático y manual. "Cuánto" depende del generador específico. Eche un vistazo a gridwatch.templar.co.uk : el Reino Unido tiene bastante generación a carbón que solo se usa en las noches de invierno.
(Oh, un pequeño detalle adicional: ¡la mayoría de las centrales eléctricas requieren energía para arrancar y funcionar! La pérdida de energía en toda la red requiere un proceso de recuperación de varios días llamado "arranque en negro".)
pjc50 - no hagas esto sobre la raza... jk ;)
¡Creo que le hemos disparado bastante duro, amigos! Ahora todo lo que tengo que hacer es lanzar una moneda para decidir a quién dar mi voto... ¿Puedo seleccionar votos positivos para ambas respuestas o solo para una de ustedes?
Puede votar tantas respuestas como desee, pero solo seleccione una como "correcta", incluso si ambas lo son.
De acuerdo. Supongo que tendré que darles a cada uno un voto positivo por sus respuestas y la ventaja por su dibujo y una explicación más completa, aunque ambos fueron muy útiles. ¡Gracias a los dos por ayudarme a entender mejor!
+1 muchos detalles interesantes. No sé si viste que esencialmente TODO el sur de Australia se vino abajo hace unos días. El daño de la tormenta se activó y... . Tu pareces haberlo restaurado en su mayoría ahora. Principalmente.
@DIYser, Re: su primer comentario: en realidad, en los EE. UU., la mayoría de los clientes residenciales obtienen 240/120 donde tiene 2 líneas de 120 VCA que están desfasadas 180°, no en fase. El voltaje entre esas dos líneas es de 240 V CA (nominal) y cada línea es de 120 V CA (nominal) a neutro/tierra. Si las líneas estuvieran en fase, no habría tensión entre las dos. Esto permite el uso de 240 VCA para aquellas aplicaciones donde se necesita un mayor consumo de energía (por ejemplo, estufas eléctricas, secadoras de ropa, calefacción central) mientras que las dos patas de 120 VCA se usan de forma independiente (es decir, regresan a neutral) para la mayoría de los demás circuitos.
¿Qué pasa si usted es la única casa en su transformador? ¿O todos los vecinos del transformador tienen energía solar y tienen exceso de energía disponible? ¿Puede devolver el exceso de energía a la red aumentándola a través del transformador, o solo puede suministrarla en su lado del transformador?
@Makyen - re "Si las líneas estuvieran en fase, entonces no habría voltaje entre las dos". ¿No necesitan estar en fase para que los voltajes se combinen para obtener 240 V (es decir, 120 V + 120 V)? Si estuvieran fuera de fase, los picos de onda se cancelarían y producirían 0V. A modo de comparación, la potencia trifásica tiene 3 fases que están a 120 grados entre sí y, por lo tanto, proporcionan picos en diferentes momentos para obtener la potencia máxima para un dispositivo eléctrico.
@Brian Drummond: si tuviera un sistema fotovoltaico diseñado para producir 5 kW netos (exactamente) y apagara todos los dispositivos de mi casa y el cielo estuviera completamente despejado todo el día en un día de verano óptimo y supongamos que mi sistema puede emite legalmente un máximo de 16 A @ 125 V = 4 kW a la red, ¿mi medidor de vatios eléctrico indicaría -4 kwh después de 1 hora o algo más? Además, ¿qué pasaría con el 1 kW adicional que generó mi sistema fotovoltaico?
@DIYser, 240/120: dos patas de 120 V CA (nominal a tierra/neutro) están desfasadas 180° entre sí, no en fase. En fase significaría que ambos son positivos (rel a tierra) al mismo tiempo (lo que resulta en 0 V CA entre ellos). 180° desfasado significa que cuando una pata es positiva (relacionada con tierra), la otra es negativa (lo que da como resultado 240 V CA entre las patas). Si tomamos el valor numérico instantáneo del voltaje de cada pierna con respecto a tierra y los sumamos, entonces sí, serían cero (nominalmente). Pero la entrega de potencia se basa en la diferencia entre las piernas, no en su suma numérica relativa al suelo.
@Makyen: he visto un gráfico de una línea de servicio de 240/120 V CA en los EE. UU. y el pico + es ~ + 176 V y el pico - es ~ -176 V. Si la línea 1 está desfasada 180 grados con la línea 2, ¿cómo se combinarían para obtener 240 V sin que las fases se cancelen entre sí? Esperaría que un o-scopio con la sonda de prueba correcta muestre un gráfico con un pico + y - de ~ 350V. Lo que no estoy entendiendo o malinterpretando. Tenga en cuenta que sé exactamente lo que ha dicho, pero no veo cómo un microscopio mostraría la V adecuada si las fases de la línea están desfasadas 180 grados.
@DIYser, 240VAC y 120VAC son valores RMS, no de pico a pico. Los números de pico a pico que usted indica son consistentes con 240 V CA (RMS) y 120 V CA (RMS), que son 679 V y 339 V (pico a pico, todos los valores nominales). Está pensando en cancelar cuando lo que realmente nos importa es la diferencia entre los voltajes, no agregar los dos voltajes en relación con alguna referencia arbitraria (tierra). La diferencia entre dos ondas sinusoidales desfasadas 180° hace que los voltajes se sumen, no se resten. Trazado, la diferencia entre los dos, es lo mismo que una onda sinusoidal con 2* la amplitud de una de las ondas.
@Makyen: eso tiene sentido. ¡Gracias por la aclaración! ¿Puede responder la última pregunta (arriba) que le hice a Brian Drummond?
@DIYser, Gran parte de esta cadena de comentarios merece ser Preguntas y Respuestas separadas. Sin embargo, los conceptos básicos del que usted hace referencia son fáciles: la energía adicional va al mismo lugar que la gran mayoría de la energía solar que llega a la celda fotovoltaica (las celdas son significativamente <30% eficientes): calor en la fotovoltaica (nota: una porción de la radiación solar se refleja, no se absorbe). La celda fotovoltaica establece una diferencia de potencial de CC, no obliga a utilizar la energía eléctrica. El lugar exacto donde se disipan las porciones de esa energía dependería del diseño de su sistema, pero la mayoría debería estar en las celdas fotovoltaicas.
@Makyen: cuando dije 5kW netos, me refería a la potencia real que el sistema fotovoltaico está diseñado para generar, no a 5kW de energía que golpea los paneles. Por ejemplo, si la salida del conjunto fotovoltaico se calculó para 7,2 kW pero en condiciones óptimas reales generó 5 kW. Si el límite legal para mi sistema permitiera exportar solo 4 kW a la red (digamos controlados por mi equipo), entonces se cargarían 4 kWh a la red en 1 hora y el resto se disiparía como calor dentro de los paneles fotovoltaicos o otros componentes dentro de mi sistema local que podrían disipar la energía adicional?
@DIYser, lo que realmente sucede con la energía depende del diseño del sistema. Supuse que el sistema se diseñaría (o se establecerían los parámetros) de manera que nunca generaría una salida a la red superior a la cantidad permitida legalmente. Si no se configuró de esa manera, es posible que se corte energía adicional en la red (depende del sistema). Cualquier exceso de energía disponible en la matriz que no fue consumida por usted, o enviada a la red, terminaría principalmente como calor dentro de las celdas fotovoltaicas que se disiparía en el aire (básicamente, como cualquier otra cosa que esté expuesta al sol). ).

1) Para razonar sobre esto, considere aplicar la ley de ohm a la línea que conduce a su casa. No es posible que el voltaje sea más alto en el lado de la casa que el tamaño de la red por más de una cantidad determinada por la resistencia del cable, que será muy pequeña. Probablemente decenas a cientos de milivoltios.

2) El flujo de corriente está limitado por la potencia de salida. Tengo un sistema solar de 3,8 kW en el Reino Unido que produce hasta los 16 A mencionados en el otro comentario. Ocupa todo mi techo y está justo por debajo del límite de 4kW al que se aplica un régimen diferente de permisos y tarifas de alimentación, momento en el que sería un sistema "industrial".

100A en un sistema de 110V de EE. UU. sería de 11kW, un sistema bastante sustancial que cuesta alrededor de $15k.

Obviamente, ningún régimen de permisos le permitirá colocar un sistema de salida de >100 A en una línea de 100 A, ya que eso derretiría la línea.

3) Difícil de decir, aunque espero que sea más limpio. Es posible que pueda captar una salida armónica del inversor, que se muestra como una ligera ondulación en la onda sinusoidal. Ciertamente está obligado a tener la misma frecuencia y voltaje RMS.

Editar: tengo un sistema de conexión a la red en el Reino Unido, por lo que realmente no puedo hablar sobre cuestiones de código o red de EE. UU.

El sistema de EE. UU. es normalmente un par de líneas de 110 V en antifase (es decir, un sistema de 220 V con derivación central), por lo que 11 kw serían 50 A en cada rama, de lo contrario habría un grave desequilibrio.
En realidad, cuando mido el voltaje de cada línea, muestra 120 V a 125 V hasta que muchos usuarios cargan la línea, luego el voltaje disminuye de 117 a 120 V. Nunca he entendido por qué algunas personas se refieren a esto como 110 V. Nunca he visto 110 V en ninguna línea que haya medido.
Ni idea, probablemente sea algún tipo de reliquia cultural. Parece que el estándar oficial es 120V.
En mi experiencia, es raro ver la entrega de servicios residenciales de 120 VCA en los EE. UU. Por lo general, es de tres hilos, monofásico, conectado a tierra (también conocido como "fase dividida") de 240 V CA, con algún intento de equilibrar los tomacorrientes de pared. (Incluso mi casa de bombas, que está en un sistema separado de la residencia, recibe servicio de fase dividida). Solo puedo imaginar lo que podría pasar si se intentara 100A en solo la mitad del secundario de ese transformador de fase dividida.
@jonk: mi línea eléctrica está arriba. Tiene 2 cables de cobre y un cable de alta tensión a lo largo de los cuales corren las líneas de cobre. El disyuntor principal es de 100 A y las 2 barras colectoras de cobre tienen 120+ V CA cada una la mayor parte del día. Nunca los he mirado en un osciloscopio, sin embargo, el personal de servicios públicos me ha dicho que ambas líneas están en fase. Pensé que era el cableado residencial estándar en los EE. UU. Nunca he visto un voltaje de línea inferior a 115 VCA en ningún lugar donde haya medido el voltaje (que incluye varios estados de EE. UU.). Acabo de agregar esta propaganda para mayor aclaración.
@DIYser encontrará que no están en fase, sino separados 180 grados. Eso le permite usar ambos juntos para un aparato de 220/240V... ¡aunque tenga cuidado con ese alcance!
@Brian Drummond: gracias por esa información, ¡tendré que analizarla algún día!
@DIYser Brian tiene razón. 120VAC requiere demasiada corriente para un horno (hasta 8kW aproximadamente) o una estufa (hasta 5kW aproximadamente). Los calentadores de agua y las secadoras también son otros dispositivos de uso frecuente. Por lo tanto, el servicio de 240 VCA es útil para reducir la cantidad de cobre requerida. Demasiadas personas requieren un horno en sus hogares, por lo que dije que es raro ver 120 VCA residenciales.
@DIYser El resultado habitual de intentar usar un osciloscopio normal en la red eléctrica es (en el mejor de los casos) el cable de tierra volado. El shock es posible y aquí hubo una historia triste de una persona que usó un alcance USB en la red eléctrica y frió no solo la caja sino también toda su PC.
>100A en una línea de 100A no derretirá la línea para sobrecargas sensibles (como sé que usted sabe) pero causará más caídas de voltaje y pérdidas de lo deseable. (por ejemplo, 200A = 4 x pérdidas nominales máximas, todavía solo 'caliente' si eso). Tengo dos alimentaciones de fase (reales) de 230 VCA aquí. Ambos están teóricamente clasificados por debajo del peso del conductor deseado actualmente debido a razones históricas, pero mi impedancia de línea medida es extremadamente baja (según las pruebas de la compañía eléctrica).
@Russell McMahon: ¿cuál es el amperaje de sus líneas de 230 VCA (si tuviera conductores del tamaño adecuado)? ¿De qué tamaño son sus conductores y cuánta corriente pueden manejar con seguridad?
@DIYser He vivido aquí por ~= 30 años. El hombre 2 antes que yo tenía energía trifásica y una pequeña fábrica en el patio trasero. Moldeador de plástico et al. nunca lo vi Cuando lo compré tenía alimentación de 2 fases. Nunca tuve problemas durante 20-25 años con el uso doméstico y comercial ligero habitual. ¿Como 5? hace años se fundió el fusible del poste, muy posiblemente debido a la corrosión/casualidad. El liniero dijo que los conductores eran demasiado pequeños para el fusible (¿60A?) y colocó uno más pequeño. Que, por supuesto, explotó en unos meses. Pusieron uno de tamaño original y en proceso de certificación hacen una prueba de impedancia que estaba en el extremo inferior...
... de la escala. Olvidé la figura, pero sugirió una corriente fallida potencial de enorme. Me han informado de manera informal y verbal que el feed necesita aumentar su tamaño, pero 30 años de uso por mi parte y probablemente más de 50 años en general, más Z bajo y ningún problema sugiere que el certificador original estaba feliz y correcto. || "Adecuado", en realidad no lo sé, pero 60A x 2 fases sería muy adecuado para mi uso.
¿Cómo funciona exactamente un sistema solar conectado a la red residencial?
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