¿Por qué necesito baterías para usar energía solar cuando la red está caída?

Este es un problema XY a nivel de la industria. Imagina que alguien dice "Diséñame un atenuador" y tú le diseñas un excelente atenuador triac, no muy grande. Y luego dice: "Genial, ¿puedes simplemente conectar un VFD a esta cosa?" Facepalm, no de una manera elegante o rentable.

Así es con los paneles solares. Todo el mundo y su perro están vendiendo tecnología de 2007, un sistema únicamente conectado a la red porque está establecido, construido a escala, y los modelos financieros están bien establecidos para compartir las ganancias con la compañía financiera, etc., etc. Pueden construir, vender y financiar todo eso. día toda la noche. Es la forma más económica de entrar por la puerta y hablar de energía solar . Pero están vendiendo el sistema X.

Ahora, después de Sandy, existe el alboroto para "atornillar" la capacidad fuera de la red, de una manera compatible con los consumidores tontos. Lo hicieron, pero es poco elegante y costoso, como conectar un VFD a un triac. El enclavamiento para linieros requiere recursos adicionales. Yo lo llamaría Sistema XX.

Para lo que quieres, quieres el sistema Y.

Y dado que presumiblemente no desea diseñar cada centímetro desde cero, deberíamos sacar del tradicional contenedor de piezas "solar fuera de la red". Eso significa algunas concesiones menores.

Los inversores son simplemente demasiado diferentes.

Un inversor conectado a la red necesita seguir las frecuencias de la red, tomar toda su potencia de entrada y forzarla a que entre en la red presionando el voltaje tanto como sea necesario.

Un inversor fuera de la red necesita generar su propia frecuencia de CA, tomar solo la potencia de entrada suficiente para hacer el trabajo y proporcionar solo la potencia que consumen las cargas.

Estos son roles dramáticamente diferentes y un inversor que haga ambos será un desafío de ingeniería costoso. Ellos existen; hay "inversores híbridos" en el mercado capaces de ambos. Por supuesto, son caros y tienen sus propios requisitos de diseño del sistema, entre ellos las baterías. Probablemente sea mejor que obtenga inversores COTS básicos baratos para cada aplicación.

Dicho esto, su plan "Sin pilas en absoluto " es defectuoso. Habrá casos en los que tenga cargas simplemente demasiado grandes para que las carguen los paneles, por ejemplo, motores en marcha.

Un sistema aislado, "plus"

Aquí es donde quiero asaltar los contenedores de piezas de la gente solar fuera de la red. Lo único que no está fuera de su timonera es el inversor conectado a la red, pero eso no es gran cosa.

Sus sistemas están violentamente centrados en la batería, por razones obvias. Debido a esto, no existe una forma viable de evitarlo, pero nadie dice que su batería no pueda ser pequeña . La última vez que revisé, venden baterías de auto usadas por $ 20, ahí lo tienes.

Ahora en la casa, tenemos un panel principal con el interruptor principal. Tiene 2 disyuntores: el disyuntor del inversor conectado a la red y el disyuntor del subpanel.

El subpanel es donde ocurre la magia. Tiene un "interbloqueo del generador" estilo Siemens o Square D de $ 23 que retroalimenta dos interruptores (uno a la vez). Un lado está en la red pública, el otro está en el "generador" (léase: inversor fuera de la red). Cada carga que alguna vez prevé que se quede sin energía solar va en este panel. Si pones cada carga de tu casa en este subpanel, no lo diré :)

La operación "normal" involucra el enclavamiento del subpanel en el modo "Utilidad", el inversor fuera de la red conduciendo hacia la nada (apagado), el controlador de carga recargando instantáneamente la pequeña batería y desviando toda la energía solar para "descargar " . El volcado luego va al inversor conectado a la red y se vende de nuevo a la compañía eléctrica.

Operación de "apagado", lanza el enclavamiento a "Gen", enciende el inversor fuera de la red. A medida que el inversor fuera de la red se alimenta para alimentar las cargas domésticas, el controlador de carga le desvía la energía según sea necesario, bloqueando el resto de la corriente disponible de los paneles (ya que "volcar" es un callejón sin salida). Si un motor arranca y tira más de lo que pueden entregar los paneles, entonces vemos qué tan buena o grande es su batería.

Y, si la experiencia le demuestra que es ventajoso tener una batería real, puede obtener una.

Tenga en cuenta que, en todos los casos, el flujo de energía es solo en una dirección y nada invierte el flujo. Esa es una gran ventaja sobre las configuraciones de tipo "Sistema XX", que fluyen la energía en todas direcciones y necesitan "atornillar" sistemas de enclavamiento costosos y elaborados para evitar la retroalimentación. Aquí, la protección de retroalimentación es un enclavamiento simple, excepto para el inversor conectado a la red que cumple con UL 1741; no puede encontrar un inversor conectado a la red que no lo sea.

Todo el sistema es tecnología barata, sucia, simple y de nivel inferior. Eso no quiere decir "no use cosas buenas", sí , por supuesto, use controladores de carga Morningstar o Midnight Solar. Pero estamos usando su equipo repetitivo estándar, no exóticos para propósitos especiales.

Por supuesto, si quiere llamar a uno de los financieros... me refiero a las empresas de instalación solar, no van a estar versados ​​en un sistema simple como este. No querrán construir algo como lo que describo aquí; tienen un paquete estándar que venden una y otra vez y que saben cómo construir.

En cuanto a los paneles

Muchos paneles que se venden hoy en día tienen "microinversores" integrados conectados a la red, por lo que su salida es de 120/240 VCA y se desconectan si falla la red. Manera barata de cumplir con NEC 690.12 Rapid Shutdown , pero totalmente inútil fuera de línea . También hay otros paneles con inteligencia a bordo. Desea paneles de salida de CC comunes y corrientes de Jane, nuevamente, lo más barato del mercado.

También hay que lidiar con la ley. Los techos tienen un trabajo muy importante, y no soy partidario de comprometer eso con un montón de agujeros. Muchos otros lugares en su propiedad se beneficiarían de refugios de sombra/nieve, por lo que digo "construya estantes independientes sobre su lugar de estacionamiento, etc." Pero si hace montaje en techo, debe cumplir con 690.12:

• Si sus paneles tienen <30 V (es decir, paneles flotantes comunes de "12 voltios"/19 V), no necesita hacer nada.
• Si agrega un interruptor de bombero y relés, puede apilarlos en serie a 80 V por segmento, y apilar en serie esos segmentos a cualquier cosa que desee, pero mucho más de 80 V comienza a dejarlo fuera de los límites para controladores de carga fuera de la red comunes y económicos. . Tenga en cuenta que los relés pueden ser alimentados por un panel solar <30V :)

Todo dentro o todo fuera

Los paneles ya no son solo paneles. Muchos tienen componentes electrónicos integrados (como microinversores) para "ayudar" al instalador. Como tal, ya no hay mitad de camino. No puedes simplemente dejar que estas personas instalen lo que les plazca y esperar piratearlo más tarde: es posible, pero estás confiando en la suerte. Así que realmente estás en una encrucijada valiente; tienes que saltar all-in, de una forma u otra.

• Acepte exactamente lo que instalan, como un sistema llave en mano que no modificará nunca, y pague la factura.
• Tome el control del proceso, investigue y especifique todo usted mismo desde la sopa hasta las nueces. Eres responsable del resultado, pero también tienes la flexibilidad para hacerlo a tu manera y obtienes los mejores precios con diferencia. Y sin financiación.

Las baterías son un "tampón"

La salida del panel solar varía inherentemente con una variedad de factores, incluso cuando el sol está afuera: temperatura, sombra de obstáculos, ángulo de incidencia y más. Como resultado, cualquier sistema de energía solar que no pueda contar con la red para absorber las fluctuaciones en la producción de energía requiere algún otro medio para hacer lo mismo, especialmente durante condiciones de baja producción, y esto prácticamente significa que necesita un banco de baterías para hacer el trabajo, ya que otras tecnologías de sistemas de almacenamiento de energía a pequeña escala simplemente no han tenido tiempo de madurar todavía.

Los inversores tampoco son todos iguales

Otra complicación en sus planes es que los inversores no son 100% intercambiables. En particular, existen tres tecnologías de inversores diferentes, a saber, de tipo transformador , sin transformador y micro , cada una con sus propias ventajas y desventajas.

Partimos del inicio histórico, que es el inversor tipo transformador. Los primeros inversores solares en trabajos fuera de la red fueron inversores de vehículos (recreativos/marinos) reutilizados, diseñados para funcionar con baterías de plomo-ácido de ciclo profundo a un voltaje de bus de batería de 12 o 24 VCC. Esto requería que usaran un transformador elevador para aislar los lados de CA y CC entre sí y para convertir el voltaje de la batería conmutada (PWMed o MSWed) al voltaje de red correcto. Como resultado de esto, estos inversores se pueden utilizar con sistemas de CC conectados a tierra, así como con sistemas de CC flotantes, y tampoco requieren costosos componentes de conmutación de alto voltaje, pero lo compensan con el costo y el peso del inversor. magnetismo Esto también significó que los primeros inversores conectados a la red también estaban basados ​​en transformadores, ya que eran inversores de batería con controles anti-isla que cumplen con UL 1741 (y quizás también seguimiento del punto de máxima potencia) "atornillados". Con el tiempo, se agregaron funciones como el cambio de alimentación, la carga de la batería y el funcionamiento multimodo, lo que dio como resultado elinversores híbridos que son el pilar del trabajo moderno fuera de la red.

Sin embargo, a medida que los sistemas conectados a la red se volvieron más populares, la gente quería más eficiencia, lo que requería voltajes de cadena más altos, y los interruptores de energía de alto voltaje también se volvieron más baratos, lo que pesaba en contra del uso de transformadores grandes y pesados ​​en el sistema. Introducir inversores string sin transformador; estos, que representan la mayor parte de los inversores de cadena puramente conectados a la red en estos días, toman CC de alto voltaje (~ 400 V) de la cadena de paneles solares o etapa MPPT y lo cambian directamente a la salida para producir la forma de onda de CA de la red. Esto elimina el transformador, a costa de requerir semiconductores de conmutación de alto voltaje, y también a costa de requerir un panel solar flotante de alto voltaje, ya que ya no está aislado de la red de CA. Además, los inversores sin transformador requieren hardware de sistema de almacenamiento de energía especializado en lugar de poder integrarse con baterías COTS económicas, debido a los desafíos de administrar cadenas de baterías de alto voltaje y los problemas de distribución de CC que plantea un bus de 400 V CC integrado en campo.

Sin embargo, la arquitectura del inversor tipo transformador no se hizo. Algunas chispas brillantes pensaron en reducirlo a una caja que pudiera administrar la salida de uno o dos paneles y convertirlo en CA mientras se colocaba en el techo, detrás del panel. Esto se conoció como un microinversor y se hizo popular porque minimiza la necesidad de hardware de distribución de CC especializado al tiempo que permite que todo el cableado funcione con voltajes eficientes (a menudo 240 VCA), manteniendo bajos el tamaño y el costo del cable. Estos también pueden realizar un MPPT eficiente panel por panel (hay otras formas de hacer esto, usando la electrónica MPPT DC-DC, pero están más allá del alcance de esta discusión), pero tienen el costo de que, como Los inversores sin transformador son más difíciles de usar en aplicaciones fuera de la red y multimodo.

Lo que buscas es un sistema solar multimodo

La funcionalidad que busca (exportar cuando la red está presente, ejecutar cargas en espera cuando la red falla) se denomina sistema solar "multimodo" en el Código (y partes del comercio), y hay dos formas básicas de lograr esto. (Piénselo como un híbrido de un sistema conectado a la red y fuera de la red, por cierto).

Uno es lo que se llama acoplamiento AC, donde la salida del panel solar se invierte a CA, que luego se rectifica nuevamente a CC y se almacena mediante un inversor/cargador multifunción conectado a un banco de baterías (Outback Radian, Schneider Conext, Victron MultiPlus) o un sistema de almacenamiento de energía integrado (como un Powerwall ), con un medio de transferencia de un solo tiro integrado en el sistema en un punto adecuado para evitar la retroalimentación de la red. Esto tiene la ventaja de que es más fácil de integrar con el hardware fotovoltaico conectado a la red existente y también permite una variedad más amplia de arquitecturas de inversores para evitar algunas de las dificultades relacionadas con las cadenas de paneles de CC de alto voltaje, como la protección contra fallas de arco fotovoltaico. y apagado rápido en matriz NEC 2017. Sin embargo, la desventaja es que se reduce la eficiencia de la batería solar-> debido a las múltiples conversiones,

Sin embargo, existe una alternativa, y se llama acoplamiento de CC de su sistema. En este caso, los paneles solares alimentan un controlador de cargaque alimenta un bus de CC de baja tensión (<60 V CC), con baterías, inversores y convertidores CC-CC conectados a ese bus de CC. Esto está más en línea con la forma en que se diseñan los sistemas fuera de la red y tiene la desventaja de que lo restringe un poco en la topología de su sistema con respecto a lo que vive en los paneles, lo que lo obliga a enfrentar problemas como el apagado rápido, la distribución de CC y PV. protección contra fallas de arco más o menos frontal. Sin embargo, ofrece mucha más flexibilidad y eficiencia en algunos aspectos; no tiene pérdidas de conversión de CC-CA-CC redundantes, y también puede manejar un desajuste entre los deseos solares conectados a la red y las demandas de cortes de energía más fácilmente aquí, siempre que esté utilizando un buen hardware de control de carga. También es mejor para impulsar cargas de CC de bajo voltaje, como la iluminación y la electrónica de bajo voltaje, que si bien no son un factor en un sistema multimodo,

No todos los instaladores solares están a la altura de esta tarea

Dado lo que ahora sabemos sobre los múltiples tipos de inversores que existen y el tipo de sistema que está viendo, está claro cuál es su problema ahora. Sus instaladores son "empujadores de cajas" con respecto a todo lo que se encuentra detrás de los paneles solares, capacitados para vender e instalar un conjunto determinado de cajas (inversores SolarEdge + optimizadores y Powerwalls). Como resultado de esto, no tienen las capacidades de integración de sistemas ni los conocimientos para abordar sistemas multimodo más sofisticados (¡o fuera de la red, para el caso!). Dada su situación, le recomiendo en este punto que busque un instalador que esté familiarizado con el trabajo fuera de la red/multimodo; alguien que sea distribuidor de Outback o Victron sería un buen punto de partida, ya que son los principales fabricantes de los inversores utilizados en este tipo de sistemas.

Lo que elegiría si estuviera siendo barato es la versión automática del enfoque de Harper.

Si estuviera tratando de hacer un sistema solar multimodo de forma económica , lo que saldría sería similar al diagrama de Harper, excepto por dos cosas:

1. No pondría toda la casa en el sistema inversor de reserva. Esto mantiene la mayoría de las cargas verdaderamente colosales fuera del sistema de reserva y permite que se mantenga en un tamaño razonable, especialmente si puede calentar su casa sin tener que gastar mucha electricidad en el trabajo. De hecho, restringiría el inversor de reserva a (quizás un subconjunto de) circuitos de iluminación dedicados, así como algunas cargas fijas clave, como la bomba del pozo, el refrigerador y el sistema de calefacción (de reserva/de emergencia). El agua caliente es quizás una opción también, pero querrá maximizar su eficiencia aquí si hace esto, lo que significa que un calentador de tanque eléctrico barato no es una opción , y sin tanque también está fuera.
2. En lugar de usar el enclavamiento de transferencia manual que describe Harper, usaría una combinación de ATS/panel secundario para alimentar las cargas de reserva de CA, con el inversor de reserva ocupando el lugar de la entrada del "generador" en el interruptor de transferencia. (Un Cummins RA112L1 es adecuado para esto, siempre y cuando lo alimente con 12 VCC desde una caja de CC-CC del banco de baterías para que los controles de transferencia puedan manipularse para que funcionen correctamente; Kohler también fabrica tal cosa, pero en una caja NEMA 3R , que funciona al aire libre, pero es difícil de usar en interiores). Al igual que el enfoque de Harper, esto permite el uso de cualquier inversor de onda sinusoidal antiguo para el inversor de reserva a costa de quizás limitar lo que puede usar para un inversor conectado a la red basado en su selección de controlador de carga, pero también proporciona la funcionalidad de cambio automático, por un costo menor que el de un inversor híbrido.

Por supuesto, si no tiene un presupuesto ajustado, yo buscaría un sistema basado en un inversor híbrido/multimodo, ya que combina toda la inversión y el servicio de transferencia en una sola caja, brindándole el efecto neto del Sistema XX de Harper sin el poco elegante diseño "atornillado". De cualquier manera, esto le permite usar tecnología de batería menos costosa (como baterías marinas de ciclo profundo, de carrito de golf o de plomo-ácido AGM), lo cual es otro costo beneficio sobre lo que se le está proponiendo con los Powerwalls, dependiendo de cuánto factores de costo de la batería en la ecuación, por supuesto.

Porque incluso cuando no está oscuro, puede haber nubes.

La cantidad de energía que puede obtener de los paneles solares depende enormemente de la cantidad de luz solar que les llega. Mi regla general aproximada es que las nubes ligeras reducen la potencia de salida a una décima parte del máximo, y las nubes pesadas la reducen a una centésima, o menos.

Si solo tiene paneles que apuntan en una dirección, también existe el problema de que es posible que el sol no brille sobre ellos en un momento dado, y solo obtiene energía de la luz del día ambiental. En tales casos, las nubes ligeras pueden incluso aumentar la generación.

Si intentara tomar más energía de la que generan los paneles en un momento dado, el inversor tendría que apagarse. Esto podría ser realmente inconveniente si estuvieras en medio de hacer algo.

Agregar una batería permite que el inversor supere tales problemas. Puede seguir funcionando a plena potencia hasta que se agote la batería.

No sea un cínico: cualquier sistema de energía solar que requiera baterías no paga (donde la red eléctrica está disponible).

Dicho esto, esto me parece extraño. Siempre he aprendido que las baterías alimentan el inversor. Las baterías son cargadas por los paneles solares (cuando están disponibles) o por la red (cuando la energía solar no está disponible).

En una instalación de generador (donde la red eléctrica está disponible), el generador solo alimenta ciertos circuitos "críticos", como el refrigerador, el horno, la bomba del pozo, etc. Esto reducirá los requisitos de energía de la batería.
$0.02