¿Qué se necesita para un sistema fotovoltaico aislado de la red?

Si bien muchas personas sólo piensan en paneles solares cuando escuchan “solar fuera de la red”, la realidad es que es necesario agregar muchos otros componentes para lograr un sistema solar fuera de la red que funcione. Un sistema solar completo fuera de la red es aquel que cuenta con todos los equipos necesarios para generar, almacenar y suministrar energía solar in situ. Dado que los sistemas solares fuera de la red funcionan sin conexión a ninguna fuente de energía externa, también se les conoce como "sistemas de energía solar independientes". Pero, ¿qué componentes se necesitan para crear un sistema solar aislado de la red?

¿Qué equipo requiere un sistema solar fuera de la red?

A diferencia de otros tipos de instalaciones solares, los sistemas fotovoltaicos fuera de la red dependen de baterías (pero no sólo) para proporcionar energía cuando el sol no está disponible. Las baterías, sin embargo, son caras, mucho más que los paneles solares con los que están combinadas. La necesidad de un amplio almacenamiento de baterías en los sistemas solares fuera de la red los hace mucho más caros que los sistemas solares conectados a la red.

Aquí hay una lista de todos los equipos necesarios para un sistema solar fuera de la red que funcione:

• Paneles solares
• Controlador de carga solar
• Inversores solares
• Bateria solar
• Sistema de montaje y bastidor.
• Alambrado
• Cajas de conexión.

Hemos escrito sobre paneles solares fotovoltaicos en artículos dedicados al tema, por lo que no hablaremos de ello aquí. Aquí queremos centrarnos en el regulador de carga y el inversor, así como en las baterías, que deben elegirse cuidadosamente.

Controlador de carga

El controlador de carga es el dispositivo que gestiona el flujo de energía desde los paneles solares hasta la batería. Los controladores de carga garantizan que las baterías se carguen correctamente y no se sobrecarguen, lo cual es importante para la longevidad del banco de baterías. Hay dos tipos principales de controladores de carga, MPPT (seguimiento del punto de máxima potencia) y PWM (modulación de ancho de pulso).

Los controladores de carga PWM utilizan modulación de pulso para activar y desactivar la velocidad a la que se envía la energía de los paneles solares a las baterías. Cuando se utilizan controladores de carga PWM es fundamental que la tensión nominal de los paneles coincida con la tensión nominal de las baterías. Por ejemplo, si su sistema utiliza paneles de 12 voltios, el banco de baterías debe ser de 12 voltios. No hay mucho control sobre la gestión de la energía proveniente de los paneles usando un PWM, esencialmente vierte la energía en las baterías. Los PWM ofrecen una entrada limitada en comparación con un controlador MPPT.

Los controladores de carga MPPT se diferencian en que el voltaje de entrada de los paneles solares debe ser un 30% mayor que el voltaje de la batería (hasta el límite del controlador de carga), por lo que no importa tanto el voltaje que tenga el panel solar que se utiliza. con el sistema. Los controladores de carga MPPT son más eficientes debido a su capacidad de rastrear el punto máximo de energía proveniente de los paneles solares y entregarlo a las baterías. Toma una entrada de voltaje más alto/corriente más baja y la convierte en una salida de voltaje más bajo/corriente más alta para la misma cantidad de energía.

Teniendo en cuenta este hecho, los MPPT controlan con mucho cuidado la cantidad de energía enviada a las baterías, lo cual es importante a medida que las baterías se llenan e intentan satisfacer las cargas del sistema. El principal punto de venta del uso de un controlador MPPT es su capacidad para capturar la mayor parte de la energía del panel solar en un momento dado, a diferencia de la entrada limitada de un controlador PWM.

Es posible que un controlador de carga PWM proporcione la misma potencia que un MPPT, pero nunca proporcionará más potencia que un MPPT. Por estas razones, los MPPT suelen ser la norma a la hora de elegir un controlador de carga para el diseño de un sistema solar.

Inversor

El siguiente componente en un proyecto de sistema solar fuera de la red es un inversor. En casi todos los sistemas solares aislados el inversor es un inversor de batería. El propósito del inversor es tomar la energía CC almacenada en el banco de baterías y convertirla en energía CA utilizable y enviarla a las cargas para que pueda usarse de la misma manera que una toma de CA en un hogar.

Los inversores están disponibles en diferentes tamaños que pueden acomodar cargas más pequeñas o más grandes dependiendo de las cargas fuera de la red requeridas. Otra consideración es asegurarse de que el inversor pueda manejar todas las cargas que se ejecutan en el sistema al mismo tiempo. Cuando se suman todas las cargas del sistema presentes en el sistema fuera de la red, esto determinará la cantidad máxima que el inversor debe poder manejar.

Otro hecho importante es que el inversor debe corresponder "en términos de voltaje" al sistema en el que se utiliza. Por ejemplo, un inversor de 12 voltios no se puede usar con un banco de baterías de 24 voltios, pero debe usarse con un banco de baterías de 12 voltios. A diferencia de los controladores de carga, el voltaje de un inversor no se puede cambiar, ya que es fijo y debe coincidir con el voltaje de la batería del sistema.

Dada esta información, es importante elegir sabiamente un inversor al diseñar un sistema, especialmente si planea ampliar su sistema. Elegir un inversor es una decisión importante a tomar correctamente en un principio debido al coste asociado a los mismos. En la mayoría de los sistemas fuera de la red, elegimos utilizar inversores "cargadores de batería". ¿Qué hace un cargador inversor? En la práctica, funciona como un inversor normal, pero también actúa como cargador de baterías. Esto significa que el inversor no sólo tiene una salida, sino también una entrada.

Esto es importante porque permite que el sistema utilice una fuente de energía externa, como un generador de petróleo, para alimentar las cargas del sistema y deja de consumir energía del banco de baterías. Una vez que se satisfacen las cargas del sistema, el exceso de energía que se alimenta al sistema desde la fuente de alimentación externa se utiliza para cargar el banco de baterías. Esto permite la redundancia en el sistema, que se necesita si hay varios días nublados y el panel solar no puede proporcionar suficiente energía para cargar el banco de baterías.

banco de baterias

El último componente importante del sistema solar es el banco de baterías, que es una de las consideraciones más importantes y la más cara. En la industria de la energía solar, existen dos químicas principales de baterías: plomo ácido y litio. Con plomo ácido hay varias opciones de baterías, lo que significa que hay muchas formas de construir el paquete de baterías. Los dos tipos principales de baterías de plomo-ácido que se utilizan en la energía solar son las baterías de plomo-ácido inundadas y las baterías AGM selladas.

El fosfato de litio y hierro (LiFePO4) es la composición química de las baterías de litio. Las baterías de litio se diferencian significativamente de las baterías inundadas y AGM en muchos aspectos, no sólo en tamaño/peso, sino también en cómo se pueden cargar y descargar. El fosfato de hierro y litio es una sustancia química extremadamente segura, lo que significa que no desprende gases y puede almacenarse sin necesidad de ventilación. Las baterías de litio no requieren ningún mantenimiento y no necesitan cargarse completamente, a diferencia de las baterías de plomo-ácido. La química LiFePO4 también está diseñada específicamente para una cantidad significativa de ciclos de carga.

Estas características hacen que las baterías de litio sean extremadamente ventajosas para aplicaciones solares fuera de la red. Otra ventaja es que las baterías de litio tienen un BMS (sistema de gestión de batería) incorporado. El BMS monitorea constantemente el estado operativo de la batería. Esto significa que si la batería se descarga excesivamente o si está demasiado caliente o demasiado fría, el BMS obliga a la batería a apagarse hasta que se hayan resuelto las violaciones de los parámetros. Piense en el BMS como una capa de protección para las baterías, lo que dificulta dañarlas.

Otra ventaja del litio es que puede apilar o ampliar un banco de baterías existente sin afectar la vida útil del banco existente. Agregar baterías a un banco de baterías de plomo-ácido existente eventualmente resultará en la falla de todo el banco de baterías. Las baterías de litio también se pueden comprar en variantes de 12 V, 24 V y 48 V para que pueda apilarlas fácilmente al voltaje nominal del sistema. Esto es importante porque si el BMS fuerza una batería a entrar en modo de apagado, no se apagará todo el paquete de baterías. Es posible que sea necesario reducir las cargas para acomodar la batería inutilizable, pero las baterías restantes aún estarán disponibles.

En todos los aspectos, las baterías de litio son significativamente superiores a las de plomo-ácido. La profundidad de descarga, el número de ciclos de carga, la química segura y un BMS integrado suponen un duro golpe a largo plazo para las baterías de plomo-ácido. Sin mencionar que las baterías de litio también se cargan más rápido y proporcionan una cantidad significativa de energía de forma continua sin dañar la batería. Además, todos los fabricantes de renombre ofrecen garantías para las baterías de litio durante aproximadamente 10 años, lo que es sustancialmente más que las garantías proporcionadas para las baterías de plomo-ácido. Otra ventaja es que el espacio necesario para un banco de baterías de litio es mucho menor.