Tipos de sistemas de batería solar - AC Vs DC acoplado

- May 10, 2020-

Fuente: cleanenergyreview


Qué es el acoplamiento de CA o CC


El acoplamiento de CA o CC se refiere a la forma en que los paneles solares están acoplados o conectados a un sistema de almacenamiento de energía o batería.


El tipo de conexión eléctrica entre una matriz solar y una batería puede ser Corriente alterna (CA) o Corriente directa (DC). AC es cuando la corriente fluye rápidamente hacia adelante y hacia atrás (esto es lo que la red eléctrica utiliza para operar) y DC es donde la corriente fluye en una dirección. La mayoría de los circuitos electrónicos utilizan CC, mientras que los paneles solares producen CC, y las baterías almacenan energía de CC. Sin embargo, la mayoría de los aparatos eléctricos funcionan con aire acondicionado. Esta es la razón por la que todos los hogares y empresas tienen circuitos de aire acondicionado. DC se puede convertir a CA utilizando un inversor, pero, como se explica a continuación, siempre se pierde energía en la conversión.

 

La evolución de la batería solar


Los sistemas de baterías solares acoplados a CC simples se utilizaron una vez solo para sistemas de energía remotos y hogares fuera de la red, pero en la última década la tecnología de inversores avanzó rápidamente y condujo al desarrollo de nuevas configuraciones de almacenamiento de energía acopladas a CA. Sin embargo, los sistemas acoplados a CC están lejos de estar muertos, de hecho cargar un sistema de baterías usando un controlador de carga solar o un inversor solar híbrido sigue siendo el método más eficiente disponible.


En los últimos años, la tecnología de la batería ha mejorado significativamente con muchos nuevos tipos de baterías de litio que surgen a medida que los fabricantes exploran diferentes formas de agregar o acoplar baterías a sistemas solares nuevos o existentes. El Tesla Powerwall original fue el primer sistema de baterías de CC de "alto voltaje". Desde entonces, las baterías de mayor voltaje (200-500V) se han vuelto cada vez más populares y se utilizan con inversores híbridos especializados. Más recientemente, las baterías de CA han sido desarrolladas por muchos fabricantes solares líderes, incluyendo Tesla, Sonnen y Enphase.


Con las muchas variedades complejas de sistemas de almacenamiento de baterías ahora disponibles, aquí explicamos las ventajas y desventajas de cada tipo.


Los 4 tipos principales de sistemas de baterías solares


Sistemas acoplados a CC

Sistemas acoplados a CA

Sistemas de baterías de CA

Sistemas de inversor híbrido


Nota: Solo los sistemas acoplados a CC o CA se utilizan generalmente para instalaciones solares fuera de la red. Explicamos las razones por las que a continuación, así como una comparación de aire acondicionado vs DC acoplado solar para sistemas de energía fuera de la red.


Importante: ¡Esta es solo una guía! Para obtener menos información técnica, consulte la guía básica para seleccionar el sistema de batería solar de enlace a la red doméstica o fuera de la red. Los sistemas de almacenamiento solar y de baterías deben ser instalados por un profesional eléctrico/solar con licencia. Los sistemas de almacenamiento solar/energía generan y almacenan enormes cantidades de energía que pueden resultar en daños o lesiones graves si la instalación no cumple con todas las regulaciones, normas y directrices de la industria pertinentes.

 

1. Sistemas acoplados de CC


Los sistemas acoplados a CC se han utilizado durante décadas en instalaciones solares fuera de la red y sistemas de energía automotriz/boating de pequeña capacidad. Los sistemas acoplados a CC más comunes utilizan controladores de carga solar (también conocidos como reguladores solares) para cargar una batería directamente desde la energía solar, además de un inversor de batería para suministrar energía de CA a los electrodomésticos.


 Basic layout diagram of a DC coupled (off-grid) solar battery system

Diagrama de diseño básico de un sistema de batería solar acoplado (fuera de la red) acoplado por CC

 

Para los micro sistemas, como los utilizados en caravanas/barcos o cabañas, los controladores solares de tipo PWM simples son formas muy de bajo costo para conectar 1 o 2 paneles solares para cargar una batería de 12 voltios. Los controladores PWM (modulación de ancho de pulso) vienen en muchos tamaños diferentes y cuestan tan poco como $25 para una pequeña versión de 10A.


Para sistemas más grandes, los controladores de carga solar MPPT son hasta un 30% más eficientes y están disponibles en una gama de tamaños de hasta 100A. A diferencia de los controladores PWM simples, los sistemas MPPT pueden funcionar a voltajes de cadena mucho más altos, normalmente hasta 150 Voltios DC. Sin embargo, esto sigue siendo relativamente bajo en comparación con los inversores de cadena solar de enlace a la red que operan 300-600V.

 

Controladores de carga solar MPPT de mayor voltaje


Controladores solares más potentes y de mayor voltaje están disponibles; hasta 250V de Victron Energy y 300V de AERL en Australia. También hay unidades de 600V aún más altas disponibles en Schneider Electric y Morningstar. Estos son mucho más caros y no tienen múltiples entradas MPPT como muchos inversores de cadena solar utilizados en sistemas acoplados a CA. Sin embargo, el controlador de carga MPPT sigue siendo una forma relativamente barata y muy segura de garantizar que las baterías se carguen incluso en caso de que se apague el inversor de CA- esto es especialmente importante en lugares remotos.

 

Ventajas

Eficiencia muy alta - hasta 99% de eficiencia de carga de la batería (usando MPPT)

Gran configuración de bajo costo para sistemas fuera de la red de menor escala de hasta 5 kW

Ideal para pequeños sistemas de automóviles o marinos que requieren sólo 1 - 2 paneles solares.

Modular - Paneles y controladores adicionales se pueden agregar fácilmente si es necesario.

Muy eficiente para alimentar electrodomésticos de CC y cargas.

Si un proveedor de servicios de electricidad restringe o limita la capacidad de la energía solar de enlace a la red permitida (es decir, 5 kW máx),se puede agregar energía solar adicional mediante el acoplamiento de CC de un sistema de batería.


Desventajas

Más complejo para configurar sistemas por encima de 5 kW, ya que a menudo se requieren varias cadenas en paralelo, además de la fusión de cadenas.

Puede llegar a ser caro para sistemas por encima de 5 kW, ya que se requieren múltiples controladores de carga solar de mayor voltaje.

Eficiencia ligeramente menor si se alimentan grandes cargas de CA durante el día debido a la conversión de DC (PV) a DC (batt) a CA.

Muchos controladores solares no son compatibles con sistemas de baterías de litio "administrados", como el LG Chem RESU o BYD B-Box.

 

2. Sistemas acoplados de CA


Los sistemas acoplados a CA utilizan un inversor solar de cadena junto con un inversor multimodo avanzado o un inversor/cargador para gestionar la batería y la red/generador. Aunque son relativamente fáciles de configurar y muy potentes, son ligeramente menos eficientes (90-94%) al cargar una batería en comparación con los sistemas acoplados a CC (98%). Sin embargo, estos sistemas son muy eficientes para alimentar altas cargas de CA durante el día y algunos se pueden ampliar con múltiples inversores solares para formar micro-redes.

 

Basic layout diagram of an AC coupled solar battery system - Grid-tie (hybrid) setup

Diagrama de diseño básico de un sistema de batería solar acoplado de CA - Configuración de enlace de rejilla (híbrido)

 

La mayoría de los hogares fuera de la red modernas utilizan sistemas acoplados a CA debido a los avanzados inversores/cargadores multimodo, controles de generadores y funciones de gestión de energía. También como los inversores solares de cadena funcionan con altos voltajes de CC (600V o superior), los paneles solares más grandes se pueden instalar fácilmente. El acoplamiento de CA también es adecuado para sistemas comerciales de 3 fases de mediana a gran.

  

Ventajas

Mayor eficiencia cuando se utiliza para alimentar aparatos de CA durante el día, como aire acondicionado, bombas de piscina y sistemas de agua caliente, (hasta 96%).

Generalmente menor costo de instalación para sistemas más grandes por encima de 5 kW.

Puede utilizar inversores solares de varias cadenas en múltiples ubicaciones (microredes acopladas por CA)

La mayoría de los inversores solares de cuerda por encima de 3 kW tienen entradas MPPT duales, por lo que las cadenas de paneles se pueden instalar en diferentes orientaciones y ángulos de inclinación.

Los sistemas acoplados a CA avanzados pueden utilizar una combinación de acoplamiento de CA y CC (Nota: esto no es posible con algunas baterías de litio)


Desventajas

Menor eficiencia al cargar un sistema de baterías - aprox 92%

Los inversores solares de calidad pueden ser caros para sistemas pequeños.

Menor eficiencia al alimentar cargas de CC directas durante el día.

 

3. Baterías de CA


Las baterías de CA son una nueva evolución en el almacenamiento de la batería para los hogares conectados a la red que permiten que las baterías se aco coupleen fácilmente a su instalación solar nueva o existente. Las baterías de CA consisten en pilas de litio, un sistema de gestión de baterías (BMS) y un inversor/cargador en una unidad compacta.


Estos sistemas combinan una batería de CC con un inversor de batería de CA, pero solo están diseñados para sistemas conectados a la red, ya que los inversores (sin transformadores) normalmente no son lo suficientemente potentes como para funcionar la mayoría de los hogares completamente fuera de la red. La batería de CA más conocida es la Tesla Powerwall 2, junto con la SonnenBatterie que es más común en Europa y Australia. La empresa líder en micro inversores Enphase Energy también fabricante de un sistema de baterías de CA muy compacto para uso doméstico. Estos sistemas son generalmente fáciles de instalar, modulares y una de las opciones más económicas para almacenar energía solar para su uso posterior.

 

Basic layout diagram of a AC battery coupled with a AC solar system - Grid-tie (no backup shown)

Diagrama de diseño básico de una batería de CA junto con un sistema solar de CA - Grid-tie (no se muestra respaldo)


Inversores de batería acoplados a CA

Una tendencia más reciente es utilizar un inversor de acoplamiento de CA 'retrofit' para crear un sistema de batería de CA. Estos sistemas utilizan un inversor de batería acoplado de CA especializado, como el almacenamiento de niño soleado SMA junto con una batería de CC común como el popular LG chem RESU.


Ventajas

Fácil adaptación - se puede añadir a los hogares con una instalación solar existente

Forma económica de añadir almacenamiento de energía.

Generalmente fácil de instalar.

Sistema modular para permitir la expansión.


Desventajas

Menor eficiencia debido a la conversión (DC - CA - DC) - aprox 90%

Algunas baterías de CA no pueden funcionar como un suministro de respaldo (Enphase)

No está diseñado para instalaciones fuera de la red.

 

4. Sistemas de inversor híbrido


Los sistemas híbridos se pueden describir como sistemas de baterías solares acoplados a CC conectados a la red. Vienen en muchas configuraciones diferentes y normalmente utilizan un inversor híbrido o multimodo. Los modernos inversores híbridos incorporan controladores/s MPPT de alta tensión y cargadores/inversores de batería dentro de una unidad común. Los inversores híbridos de primera generación eran compatibles con los sistemas de baterías de plomo-ácido o litio de 48V, sin embargo, en los últimos años los sistemas híbridos de mayor voltaje (400V+) se han vuelto cada vez más populares.


¿Alto Voltaje o Bajo Voltaje? Las baterías de "alto voltaje" de nueva generación funcionan en el rango de 300-500V DC (400V nominal) a diferencia de los sistemas de baterías tradicionales de 48V. Esto ofrece varias ventajas, incluyendo una mayor eficiencia, ya que la matriz solar normalmente funciona a 300-600V, que es muy similar a la tensión de la batería.


Las baterías de mayor voltaje de nueva generación (400V) y los inversores híbridos compatibles utilizan sistemas de baterías de litio que funcionan entre 200-500V DC, en lugar de 48V. Las baterías de mayor voltaje se pueden configurar de dos maneras diferentes:

DC acoplado entre la matriz solar y el inversor.


DC acoplado directamente a un inversor híbrido compatible (como se muestra a continuación).

Dado que la mayoría de los paneles solares operan a altas tensiones alrededor de 300-600V, las baterías de alto voltaje utilizan convertidores CC-CC eficientes con pérdidas muy bajas. La primera generación de Tesla Powerwall fue la primera batería de 400V disponible y se apareaba con el popular inversor híbrido SolarEdge Storedge.


La nueva gama de baterías LG chem RESUH es ahora uno de los sistemas de baterías LV 400V más populares disponibles siendo compatible con muchos inversores híbridos, incluyendo SolarEdge Storedge, almacenamiento de niño soleado SMA y Solax X-hybrid Gen 3.

 

Basic layout diagram of a hybrid solar inverter with DC battery system

Diagrama de diseño básico de un inversor solar híbrido con sistema de batería de CC


Ventajas

Económico y sencillo de instalar

Opciones de batería compactas y modulares

Tamaño de cable más pequeño y bajas pérdidas utilizando alto voltaje (sistemas de baterías de 400V)

Se puede adaptar a "algunas" instalaciones solares existentes.

Carga de la batería de alta eficiencia - aprox 95%

Número creciente de inversores híbridos disponibles


Desventajas

Algunos sistemas no pueden funcionar como fuente de alimentación de respaldo

Muchos sistemas con respaldo tienen un retraso de 3-5 segundos durante un apagón

Generalmente no es adecuado para instalaciones fuera de la red debido a inversores híbridos sin transformador con baja clasificación de sobretensión y sin controles de generador.