Sistemas de almacenamiento de energía: llevar la energía solar a las baterías
Cómo la optimización del sistema integra la energía solar con el almacenamiento mediante baterías
Adam Kimmel para Mouser Electronics
Fuente de la imagen: KanawatTH/Stock.Adobe.com
La tecnología de energía solar está en auge, con una mayor capacidad cada año. Pero, ¿cómo pasa la energía de la fuente al sistema de almacenamiento de energía (ESS) y después a la carga? Este proceso (suministro de energía) es simple como concepto, pero complicado para implementar, especialmente debido a que la cantidad de energía y la uniformidad de la fuente de energía varían (frecuentemente de modo impredecible) y el nivel de energía del sistema cambia.
La energía solar aprovechable es muy valiosa. No es suficiente almacenar energía en una batería y después enviarla a la carga a través de un convertidor; primero se debe recolectar esa energía con máxima eficiencia y enviarla al subsistema de almacenamiento de energía con un controlador de alta calidad. Este artículo ofrecerá un resumen general sobre suministro de energía y analizará métodos populares de ESS.
Sistemas de almacenamiento de energía
Tres componentes principales definen un ESS (Imagen 1):
- El recorrido entre una fuente de alimentación y la unidad de almacenamiento de energía (frecuentemente un sistema de almacenamiento de energía de baterías (BESS), aunque también existen otras formas)
- La unidad de almacenamiento de energía y su gestión
- Un inversor de corriente CC/CA entre la unidad de almacenamiento y la carga (es decir, el usuario o las redes finales).
Imagen 1: La batería acepta y acumula energía de diversas fuentes y la transporta como potencia a las cargas a través de un convertidor CC/CA. (Fuente: Mouser Electronics)
El ESS acumula la energía fuente y la distribuye como potencia a la carga bajo demanda. Sin embargo, con la energía solar, esta potencia está disponible solo de forma intermitente. Esta característica hace que la resiliencia energética, fundamental para aplicaciones como residencias y comercios, sea un reto importante. El almacenamiento de energía ha surgido como un intermediario importante para compensar la intermitencia de la energía de fuentes renovables.
Las baterías son una solución líder para el almacenamiento de energía debido a la rápida demanda de composiciones químicas avanzadas que los vehículos eléctricos (EV) han creado. La batería de almacenamiento de energía y el sistema de gestión ubicados entre la fuente y la carga deben mediar la cantidad de energía recolectada y disponible para satisfacer las demandas de potencia.
Arquitectura basada en la capacidad
Existen combinaciones casi infinitas de fuentes de energía y cargas de aplicación. Como resultado, no existe una arquitectura preferida para ofrecer un desempeño óptimo. Además, los dispositivos solares fotovoltaicos (PV) tienen una segmentación muy diversa en base a la magnitud de la potencia.
En el caso de la energía solar, una segmentación de mercado ampliamente usada tiene tres divisiones:
- Residencial: Para espacios privados que requieren de hasta 10 kW de energía
- Comercial: Para oficinas y fábricas que requieren hasta 5 MW de energía
- Gran escala: Instalada en el campo, suministra más de 5 MW de potencia
Consideraciones del escalamiento de la energía solar
Los paneles solares se construyen con múltiples celdas individuales PV, cada una de las cuales produce una salida de voltaje de un dígito. Los diseñadores del sistema conectan estos paneles en series para maximizar la eficiencia de la arquitectura y suministrar la potencia requerida. Como resultado, el tamaño de un sistema de energía solar puede ofrecer la potencia específica para la aplicación de forma más precisa.
Las siguientes secciones se enfocarán en PV con BESS para instalaciones residenciales e incluso comerciales más pequeñas, ya que esta es una aplicación común con la que están familiarizados los consumidores.
Cómo la energía solar carga la batería
Un beneficio conveniente de la energía almacenada en baterías es el potencial para usarla de forma independiente o de conectarla con la red como respaldo o energía de soporte para picos de demanda (Imagen 2).
Imagen 2: El diagrama de flujo de bloques de funciones críticas requerido para un sistema de almacenamiento de energía impulsado completamente por energía solar que impulsa las cargas locales y la red si es necesario. (Fuente: Infineon Technologies AG)
La interfaz electrónica entre los paneles de celdas PV y las baterías es un convertidor CC/CC con características de reductor, elevador o reductor/elevador. El tipo de convertidor que un diseñador selecciona depende de la comparación del voltaje máximo relativo de la salida PV y los voltajes máximos de la red de baterías.
Sin embargo, lograr un suministro de energía óptimo desde los paneles solares requiere un controlador de carga como el Controlador PLCnext de Phoenix Contact AXC F 2152. El controlador de carga transfiere la máxima potencia de la salida de la celda PV primero al convertidor CC/CC y después a la batería de almacenamiento al punto de máxima potencia (MPP), en el que la fuente de alimentación se ajusta a la carga. El controlador AXC F 2152 es ideal para aplicaciones solares, ya que ofrece el máximo desempeño en entornos exigentes.
Una celda solar produce corriente en proporción a la cantidad de luz solar que caiga sobre ella mientras que su voltaje de circuito abierto se mantiene relativamente constante. La salida máxima de potencia ocurre en el punto de inflexión de cada curva, donde la celda pasa de un voltaje constante a un dispositivo de corriente constante, como se muestra en las curvas de potencia de la Imagen 3.
Imagen 3: La salida máxima de potencia del panel solar ocurre cuando la celda pasa de un voltaje constante a un dispositivo de corriente constante. (Fuente: Analog Devices)
El MPP varía en función de las características y temperatura ambiental de la fuente de energía solar o de los paneles PV. El diseño del cargador de gran eficiencia alinea el voltaje de salida del panel solar al punto de potencia máxima cuando los niveles de luz solar no pueden mantener las exigencias de potencia completa del cargador. Esta función extrae más potencia de la etapa de conversión e impulsa la eficiencia energética.
Por ello, para extraer la máxima potencia del panel PV con el uso, los ingenieros deben monitorear el MPP y la carga del panel para controlar el inversor y optimizar la salida de potencia de forma dinámica (Imagen 4). Esta acción se conoce como seguimiento del punto de potencia máxima o MPPT.
Imagen 4: La gestión básica del MPP (en este caso, de una batería de ácido-plomo) requiere ajustar el convertidor CC/CC conforme a la carga que el panel percibe dependiendo de la salida del panel. (Fuente: ResearchGate)
El MPPT requiere una estrategia en el controlador de carga para determinar el MPP y después monitorearlo. Los ingenieros utilizan dos técnicas para monitorear la potencia máxima: el voltaje constante del panel y la perturbación y observación.
Voltaje constante del panel
La técnica de monitoreo más sencilla configura el voltaje del panel a un nivel constante determinado por el voltaje de circuito abierto (VOC) de la celda, suministrado por la ficha técnica de la celda. Los ingenieros de diseño estiman el voltaje a máxima potencia (VMP) de la celda a un voltaje fijo justo por debajo del VOC. Para simplificar el método, el equipo de diseño considera el coeficiente de temperatura al VMP igual al VOC y lineal a lo largo del rango de la temperatura esperada. Estas aproximaciones permiten una resistencia simplificada compensada por temperatura para configurar el voltaje del panel a VMP.
Perturbación y observación (P&O)
El panel de voltaje constante tiene una desventaja: no puede seguir ofreciendo la máxima eficiencia si las condiciones cambian, como la exposición a diversas densidades de nubes y el uso y desgaste normales de los componentes PV.
Una técnica más avanzada que se adapta a las condiciones para el monitoreo de MPPT se llama perturbación y observación (P&O). La perturbación y observación del MPPT evalúa la pendiente de cambio en potencia en comparación con el cambio en voltaje (ΔP/ΔV), que es positiva a la izquierda del MPP, negativa a la derecha del MPP y cero en el máximo local, lo que indica el voltaje óptimo. El algoritmo dinámico del MPPT traza cualquier cambio en MPP "perturbando" deliberadamente la carga del panel ligeramente alrededor de su valor nominal y después observando los cambios (para bien o para mal) en la salida.
El algoritmo integrado del MPPT en el controlador ofrece eficiencia máxima en términos de potencia obtenida de las celdas y transferida a la salida, independientemente de las condiciones ambientales variables como irradiación, polvo y temperatura. Una vez que el controlador ha concluido su modo de inicio, activa un modo MPPT para buscar el punto de potencia máxima. La Imagen 5 muestra cómo la señal del ciclo de trabajo de la modulación por ancho de pulsos (PWM) cambia al localizar el punto de pendiente cero en la curva.
imagen 5: La técnica del MPPT evalúa la pendiente de cambio en comparación con el cambio en las características de voltaje para el panel PV alrededor de sus puntos de operación nominal. (Fuente: SN Applied Sciences)
Obtención de energía
Dirigir la energía a la batería es solo la mitad del reto en un BESS. El sistema busca llevar la potencia acumulada de las baterías a la carga, generalmente a una línea de 120/140 VAC que pueda alimentar los sistemas y dispositivos operados por esta.
La función de salida requiere un controlador CC/CA, que toma la salida CC de la batería y la transforma en una CA compatible con la línea. Al igual que con los dispositivos electrónicos entre la fuente y las baterías, este convertidor no es una unidad "universal". Los ingenieros deben considerar la topología y el diseño de los convertidores y los diversos retos, ventajas y desventajas del diseño. Aunque no existe un conjunto formal de definiciones, los expertos de la industria frecuentemente clasifican los convertidores en tres categorías de potencia y atributos: bajo, medio y alto.
Microinversor (Potencia baja)
Con una clasificación de entre 50 W y 400 W, un microinversor de baja potencia integra un convertidor separado y un seguidor de MPP en cada panel solar y es más eficiente que los inversores en cadena. Hay un mínimo de cableado CC, pero requiere una gran cantidad de cableado de CA. Así que solo es una opción buena y económica para sistemas pequeños.
Cadena (Potencia media)
Una cadena es una instalación de potencia media para entre 1 kW y 20 kW. En este enfoque, los paneles solares se conectan a múltiples inversores en serie (o cadenas), más frecuentemente, uno por cadena. El proceso hace posible una alta eficiencia porque cada cadena puede operar de forma independiente en su máximo punto de potencia.
Inversor central (Potencia alta)
Un inversor central es una instalación de alta potencia que opera a 20 kW y más. Esta categoría ordena las series en paralelo, con solo un inversor individual para un conjunto de paneles solares. Puesto que las cadenas tienen diferentes voltajes, los ingenieros agregan diodos especiales para impulsar los paneles a la máxima potencia. Sin embargo, los diodos conllevan pérdida inherente, lo que reduce la eficiencia. Por lo tanto, un inversor central podría impedir que todos los paneles solares alcancen su punto máximo de potencia.
Conclusiones
La energía renovable ofrece nuevas oportunidades para el control de potencia, en áreas como suministro intermitente y arquitectura de distribución de potencia. Conectar un panel solar a una batería con un controlador común y usar la batería como fuente de alimentación puede funcionar de forma ocasional, pero también conlleva deficiencias de rendimiento y problemas de seguridad y eficiencia.
Por otro lado, seleccionar un controlador apropiado y topología CC/CC para el recorrido fuente de alimentación-almacenamiento en batería-gestión de batería ofrece un mejor método. Los ingenieros deben optimizar el inversor CC/CA seleccionado para garantizar la eficacia, uniformidad, durabilidad y resiliencia del desempeño.