Sistemas de armazenamento de energia: obtenção de energia solar para as baterias

Como a otimização do sistema integra a energia solar com armazenamento em bateria

Adam Kimmel para Mouser Electronics

Fonte da imagem: KanawatTH/Stock.Adobe.com

A tecnologia da energia solar está em rápido crescimento, com mais capacidade sendo adicionada a cada ano. Mas como a energia é transferida da fonte para o sistema de armazenamento de energia (ESS) e depois para a carga? Este processo—distribuição de energia elétrica— é simples em conceito, mas complicado de ser implementado, especialmente porque a quantidade de energia e a consistência da fonte de energia apresentam variações (muitas vezes de forma imprevisível) e o nível de potência do sistema muda.

A energia solar utilizável é preciosa. Não basta armazenar a energia em uma bateria e, em seguida, enviá-la para a carga por meio de um inversor; primeiramente é preciso coletar essa energia com eficiência máxima e encaminhá-la para o subsistema de armazenamento de energia por meio de um controlador de alta qualidade. Este artigo oferecerá uma visão geral de distribuição de energia elétrica e examinará métodos comuns de ESS.

Sistemas de armazenamento de energia

Três componentes principais definem um ESS (Figura 1):

• O caminho entre uma fonte de energia e a unidade de armazenamento de energia (muitas vezes um sistema de armazenamento de energia por bateria (BESS), embora outra formas sejam possíveis)
• A unidade de armazenamento de energia e seu gerenciamento
• Um inversor CC/CA entre a unidade de armazenamento e a carga (ou seja, usuário final ou redes).

Figura 1: A bateria aceita e acumula energia de várias fontes e a transfere como potência para as cargas por meio de um inversor CC/CA. (Fonte: Mouser Electronics)

O ESS acumula a energia da fonte e a distribui como potência para a carga sob demanda. No entanto, com a energia solar, essa energia está disponível apenas de forma intermitente. Isso faz com que a resiliência de potência elétrica, crítica para aplicações como residências e empresas, seja um desafio significativo. O armazenamento de energia surgiu como um intermediário importante para suavizar a intermitência da energia da fonte renovável.

As baterias são uma solução primordial para o armazenamento de energia devido à rápida demanda por produtos químicos avançados que os veículos elétricos (VEs) criaram. A bateria de armazenamento de energia e o sistema de gerenciamento localizados entre a fonte e a carga precisam mediar a quantidade de energia coletada e disponível para atender às demandas de energia elétrica.

Arquitetura orientada pela capacidade

Existem combinações quase infinitas de fonte de energia e cargas de aplicação. Como resultado, não existe uma arquitetura preferida que ofereça o desempenho ideal. Além disso, os dispositivos fotovoltaicos (PV) baseados em energia solar apresentam segmentação amplamente variável com base na magnitude da potência.

Para a energia solar, uma segmentação de mercado amplamente utilizada consiste de três divisões:

• Residencial: para espaços privativos que exigem até 10 kW de potência
• Comercial: para escritórios e ambientes fabris que exigem até 5 MW de potência
• Escala de serviços públicos: instalada no campo, fornecendo mais de 5 MW de potência

Considerações sobre expansão de energia solar

Os painéis solares são construídos com várias células fotovoltaicas individuais, cada uma produzindo uma saída de tensão de um dígito. Os projetistas de sistemas conectam esses painéis em série para maximizar a eficiência da arquitetura e fornecer a potência necessária. Como resultado, o porte de um sistema de energia solar pode fornecer a energia elétrica para aplicações específicas com mais precisão.

As seções a seguir serão focadas em BESS baseado em PV para instalações residenciais e até mesmo para instalações comerciais menores, pois esta é uma aplicação comum de conhecimento dos consumidores.

Como a energia solar carrega a bateria

Um benefício prático da energia armazenada em bateria é o potencial de usá-la independentemente ou conectá-la com a rede de distribuição como energia de reserva ou de suporte para demandas de pico (Figura 2).

Figura 2: Fluxograma de blocos de funções críticas necessárias para um sistema completo de armazenamento de energia alimentado por energia solar que alimenta cargas locais e a rede, se necessário. (Fonte: Infineon Technologies AG)

A interface eletrônica entre os painéis de células fotovoltaicas e as baterias é um conversor CC/CC com características buck, boost ou buck/boost. O tipo de conversor que um projetista seleciona depende da comparação da tensão máxima relativa da saída PV e as tensões máximas do arranjo de baterias.

No entanto, habilitar a distribuição de energia elétrica ideal originada de painéis solares exige um controlador de carga, como o Phoenix Contact AXC F 2152 PLCnext Controller. O controlador de carga transfere a potência máxima da saída da célula fotovoltaica primeiramente para o conversor CC/CC e, em seguida, para a bateria de armazenamento no ponto de potência máxima (MPP), no qual a potência da fonte corresponde à carga. O controlador AXC F 2152 é ideal para aplicações de energia solar, uma vez que oferece desempenho máximo em ambientes severos.

Uma célula solar produz corrente em proporção à quantidade de luz solar que incide sobre ela enquanto a tensão em seu circuito aberto permanece relativamente constante. A potência máxima de saída ocorre na inflexão de cada curva, onde o a célula passa de uma tensão constante para um dispositivo de corrente constante, conforme mostrado pelas curvas de potência na Figura 3.

Figura 3: A potência máxima de saída do painel solar ocorre quando a célula passa de uma tensão constante para um dispositivo de corrente constante. (Fonte: Analog Devices)

O MPP é uma função das características de energia do painel fotovoltaico/fonte solar e da temperatura ambiente. O projeto do carregador da mais alta eficiência alinha a tensão de saída do painel solar ao ponto máximo de potência, quando os níveis de luz solar não suportam os requisitos de potência total do carregador. Este recurso extrai mais potência da etapa de conversão, intensificando a eficiência energética.

Assim, para extrair o máximo de potência do painel fotovoltaico durante o uso, os engenheiros precisam monitorar o MPP e a carga do painel para controlar o conversor e otimizar a saída de potência de modo dinâmico (Figura 4). Esta ação é chamada rastreamento do ponto de potência máximo, ou MPPT.

Figura 4: Gerenciamento básico de MPP (aqui, para uma bateria de chumbo-ácido) exige o ajuste do conversor CC-CC uma vez que a carga visualizada pelo painel depende da saída do painel. (Fonte: ResearchGate)

O MPPT exige uma estratégia ou algoritmo no controlador de carga para determinar o MPP e, em seguida, rastreá-lo. Os engenheiros empregam duas técnicas para rastrear a potência máxima: tensão constante no painel e perturbação e observação.

Tensão constante do painel
A técnica de rastreamento mais direta define a tensão do painel para um nível constante determinado pela tensão de circuito aberto da célula (VOC), fornecida pela folha de dados da célula. Os engenheiros de projeto estimam a tensão do painel solar à potência máxima (VMP) em uma tensão fixa logo abaixo de VOC. Para simplificar a abordagem, a equipe de projeto considera o coeficiente de temperatura a VMP igual a VOC e linear ao longo da faixa de temperatura esperada. Essas aproximações permitem que um resistor simplificado com compensação de temperatura ajuste tensão do painel à VMP.

Perturbação e observação (P&O)
A tensão constante do painel traz uma desvantagem: não pode continuar a fornecer eficiência máxima à medida que as condições mudam, como exposição a densidades variáveis de nuvem e desgaste normal dos componentes fotovoltaicos.

Uma abordagem mais avançada que se adapta às condições de rastreamento MPPT é chamada de "perturbação e observação" (P&O). O MPPT de P&O avalia a inclinação da mudança na potência em relação à mudança na tensão (ΔP/ΔV), que é positivo à esquerda do MPP, negativo à direita do MPP e zero no local de máximo, denotando a tensão ideal. O algoritmo MPPT dinâmico mapeia quaisquer alterações em MPP deliberadamente "perturbando" a carga do painel levemente em torno de seu valor nominal e em seguida observando as mudanças (para melhor ou para pior) na saída.

O algoritmo MPPT incorporado do controlador oferece eficiência máxima em termos de potência colhida das células e transferida para a saída, independentemente das condições ambientais variáveis, como irradiação, sujeira e temperatura. Depois de terminar seu modo de inicialização, o controlador inicia um modo MPPT para procurar o ponto de máxima potência. A Figura 5 mostra como o ciclo de carga do sinal por modulação de pulso (PWM) é alterado para localizar o ponto de inclinação zero na curva.

Figura 5: A abordagem MPPT avalia as características de inclinação de mudança na potência em relação à mudança de tensão do painel fotovoltaico em torno de seus pontos nominais de operação. (Fonte: SN Applied Sciences)

Obtenção de energia elétrica

O direcionamento de energia para a bateria é apenas metade do desafio em um BESS. O objetivo do sistema é obter a energia elétrica acumulada das baterias e direcioná-la para a carga, em geral uma linha de 120/240 VCA que pode alimentar sistemas e dispositivos operados na linha.

A função de saída exige um inversor CC/CA, que toma a saída CC da bateria e a transforma em CA compatível com a linha. Assim como a eletrônica entre a fonte e as baterias, este inversor não é uma unidade "tamanho único". Os engenheiros devem considerar a topologia e o projeto dos inversores e os muitos desafios e compensações do projeto. Embora não exista um conjunto formal de definições, os especialistas do setor geralmente classificam inversores em três categorias de potência e atributo: baixo, médio e alto.

Microinversor (Baixa potência)
Classificado entre 50 W e 400 W, um microinversor de baixa potência integra um inversor separado e rastreador MPP em cada painel solar e é mais eficiente do que os inversores string. Existe cablagem CC mínima, mas exige cablagem CA extensa. Sendo assim, ele é uma adequação boa e econômica apenas para sistemas pequenos.

String (Média potência)
Um string é uma configuração de média potência entre 1 kW e 20 kW. Nesta abordagem, os painéis solares são conectados a vários inversores em série (ou strings), na maioria das vezes um por string. O processo habilita alta eficiência porque cada string pode operar independentemente em seu ponto de potência máxima.

Inversor central (Alta potência)
Um inversor central é uma configuração de alta potência que opera a 20 kW e acima. Esta categoria organiza strings em paralelo, com apenas um único inversor para um conjunto de painéis solares. Como os strings estão em diferentes tensões, os engenheiros adicionam diodos especiais para levar os painéis à potência máxima. No entanto, os diodos trazem perda inerente, o que reduz a eficiência. Portanto, um inversor central pode não permitir que todos os painéis solares atinjam o ponto de potência máxima.

Conclusões

A energia renovável traz novas oportunidades para o controle da demanda de energia elétrica, em áreas como fornecimento intermitente e arquitetura de distribuição de energia elétrica. A conexão de um painel solar a uma bateria com um controlador simples e utilização da bateria para energização pode funcionar ocasionalmente, mas também traz deficiências de desempenho, preocupações de segurança, e questões de eficiência.

Em vez disso, a seleção de um controlador apropriado e uma topologia CC/CC para o trajeto fonte de energia–bateria de armazenamento–gerenciamento da bateria proporciona um método melhor. Os engenheiros devem otimizar o inversor CC/CA selecionado para garantir eficiência de desempenho, consistência, longevidade e resiliência.