usando energia solar quando a rede elétrica está em baixa, por que preciso de baterias?

Esse é um problema XY no nível do setor. Imagine que um cara diga "Projete-me um dimmer" e você projete para ele um excelente dimmer triac, não grande. E então ele diz "Legal, você pode há pouco aderência um VFD para essa coisa? "Facepalm, não de maneira elegante ou econômica.

O mesmo acontece com os painéis solares. Todo mundo e seu cachorro estão vendendo a tecnologia 2007, uma sistema unido à rede porque está estabelecido, construído em escala e os modelos financeiros estão bem estabelecidos para compartilhar lucros com a empresa financeira, etc. etc. Eles podem criar, vender e financiar isso o dia todo a noite toda. É a maneira mais barata de você na porta e falando sobre energia solar. Mas eles estão vendendo o sistema X.

Agora, após o Sandy, há o tom e a clareza para "aproveitar" a capacidade fora da rede, de maneira compatível com os consumidores burros. Eles fizeram isso, mas é deselegante e caro, como trancar um VFD em um triac. O intertravamento para atacantes exige recursos extras. Eu chamaria isso de Sistema XX.

Para o que você deseja, você quer o sistema Y.

E já que você presumivelmente não deseja projetar cada centímetro dele do zero, devemos pegar a lixeira de peças "solares fora da grade" tradicional. Isso significa algumas concessões menores.

Os inversores são simplesmente muito diferentes

Um inversor de ligação à rede precisa seguir as frequências da rede, todos sua potência de entrada e forçar tudo na grade pressionando a tensão o máximo que for necessário.

Um inversor fora da rede precisa gerar sua própria frequência CA, consumir apenas energia de entrada suficiente para fazer o trabalho e fornecer apenas a quantidade de energia que as cargas estão consumindo.

Essas são funções dramaticamente diferentes e um inversor fazendo as duas coisas será um desafio de engenharia caro. Eles existem; existem "inversores híbridos" no mercado capazes de ambos. É claro que eles são caros e têm seus próprios requisitos de design de sistema, principalmente baterias. Provavelmente, é melhor obter inversores COTS de commodities baratos para cada aplicação.

Dito isto, o seu "Sem baterias qualquer que seja"o plano é defeituoso. Em alguns casos, você tem cargas grandes demais para serem carregadas pelos próprios painéis, por exemplo, motores iniciando.

Um sistema fora da rede ", mais"

É aqui que desejo invadir as caixas de peças das pessoas solares fora da rede. A única coisa que não está fora da casa do leme é o inversor de amarração, mas isso não é grande.

Seus sistemas são violentamente com bateria, por razões óbvias. Por esse motivo, não há maneira viável de evitá-lo, mas ninguém diz que sua bateria não pode ser pequena. A última vez que verifiquei, eles vendem baterias de carros usados ​​por US $ 20, lá está.

Agora em casa, temos um painel principal com o disjuntor principal. Possui disjuntores 2: o disjuntor do inversor de ligação à rede e o disjuntor do subpainel.

O subpainel é onde a mágica acontece. Ele possui um "bloqueio de gerador" estilo $ 23 Siemens ou Square D, que retroalimenta dois disjuntores (um de cada vez). Um lado está no utilitário, o outro está no "gerador" (leia-se: inversor fora da rede). Toda carga que você já previu ficar sem energia solar vai para este painel. Se você colocar todas as cargas em sua casa neste subpainel, não direi :)

A operação "normal" envolve o intertravamento do subpainel no modo "Utilitário", o inversor fora da rede não leva a nada (desligá-lo), o controlador de carregamento carrega instantaneamente a minúscula bateria, e desviar toda a energia solar para "despejar". O despejo entra no inversor e é vendido de volta à empresa de energia.

Operação "Power out", você aciona o intertravamento em "Gen", liga o inversor fora da rede. À medida que o inversor fora da rede gasta para fornecer cargas domésticas, o controlador de carregamento desvia a energia conforme necessário, bloqueando o restante da corrente disponível nos painéis (já que "despejo" é um beco sem saída). Se um motor arranca e puxa mais do que os painéis podem fornecer, vemos como a bateria é boa ou grande.

E, se a experiência mostrar que é vantajoso ter uma bateria real, você poderá adquiri-la.

Observe que em todos os casos, fluxo de energia é uma direção apenas, e nada jamais reverte o fluxo. Essa é uma grande vantagem sobre as configurações do tipo "Sistema XX", que fluem de todas as maneiras e precisam "aparafusar" sistemas de intertravamento elaborados e caros para evitar a realimentação. Aqui, a proteção de retorno é um intertravamento simples, exceto o inversor de empate em grade que é compatível com UL 1741; você não consegue encontrar um inversor de empate de rede que não seja.

Todo o sistema é barato, sujo, simples e de última geração. Isso não quer dizer "não use coisas boas" - sim, é claro, use os controladores de carga Morningstar ou Midnight Solar. Mas estamos usando seu equipamento padrão, não exótico para fins especiais.

Claro, se você quiser telefonar para uma das finanças - quero dizer, as empresas de instalação solar, elas não serão familiarizadas com um sistema simples como este. Eles não vão querer construir algo como eu descrevo aqui; eles têm um Pacote padrão eles vendem repetidamente que sabem construir.

Quanto aos painéis

Muitos painéis vendidos hoje possuem "micro-inversores" integrados à rede, portanto sua saída é 120 / 240VAC e eles desaparecem se a rede falhar. Maneira barata de cumprir Desligamento Rápido NEC 690.12, mas totalmente inútil off-line. Existem outros painéis com inteligência também. Você deseja painéis de saída CC comuns comuns de Jane, novamente, a coisa mais barata do mercado.

Há também a lei a ser enfrentada. Os telhados têm um trabalho super importante, e eu não sou fã de comprometer isso com vários buracos. Muitos outros lugares em sua propriedade se beneficiariam de abrigo para sombra / neve, por isso digo "construa prateleiras independentes sobre sua vaga de estacionamento etc." Mas se você montar no telhado, precisará cumprir o 690.12:

• Se seus painéis forem <30V (isto é, painéis flutuantes comuns "12 volt" / 19V), você não precisará fazer nada.
• Se você adicionar comutadores e relés de bombeiro, poderá empilhá-los em série para 80V por segmento e empilhar esses segmentos para qualquer coisa que desejar, mas muito mais em torno do 80V começa a colocar você fora dos limites para controladores comuns e baratos de carga fora da rede . Observe que os relés podem ser alimentados por um painel solar <30V :)

Tudo dentro ou tudo fora

Painéis não são mais apenas painéis. Muitos possuem eletrônicos embutidos (como microinversores) para "ajudar" o instalador. Como tal, não há mais meio caminho. Você não pode simplesmente deixar essas pessoas instalarem o que quiserem e esperar invadir mais tarde: você pode, mas está confiando na sorte. Então você realmente está numa encruzilhada corajosa; você precisa pular all-in, de um jeito ou de outro.

• Aceitar exatamente o que eles instalam, como chave na mão sistema que você nunca modificará e pagará a conta.
• Assuma o controle do processo, faça a pesquisa e especifique tudo você mesmo como uma noz. Você é responsável pelo resultado, mas também tem flexibilidade para fazer do seu jeito e obtém os melhores preços de longe. E sem financiamento.

Porque mesmo quando não está escuro, pode haver nuvens.

A quantidade de energia que você pode obter dos painéis solares depende enormemente da quantidade de luz solar que os atinge. Minha regra geral é que as nuvens claras reduzem a produção de energia para um décimo do máximo, e as nuvens pesadas a reduzem para um centésimo ou menos.

Se você tiver apenas painéis apontando para um lado, também há o problema de que o sol não esteja brilhando sobre eles a qualquer momento e você estará recebendo energia apenas da luz do dia. Nesses casos, nuvens de luz podem até aumentar a geração.

Se você tentasse consumir mais energia do que os painéis estão gerando a qualquer momento, o inversor teria que desligar. Isso pode ser realmente inconveniente se você estiver no meio de algo.

A adição de uma bateria permite que o inversor passe por esses problemas. Você pode continuar operando com potência máxima até a bateria ficar descarregada.

As baterias são um "buffer"

A saída do painel solar varia inerentemente com vários fatores, mesmo quando o sol está fora: temperatura, sombreamento de obstáculos, ângulo de incidência e muito mais. Como resultado, qualquer sistema de energia solar que não conte com a rede para absorver flutuações na produção de energia exige outros meios para fazer o mesmo, especialmente em condições de baixa produção, e isso praticamente significa que você precisa de um banco de baterias para fazer o trabalho, pois outras tecnologias de sistemas de armazenamento de energia em pequena escala simplesmente ainda não tiveram tempo de amadurecer.

Os inversores também não são iguais

Outra complicação em seus planos é que os inversores não são 100% intercambiáveis. Em particular, existem três tecnologias de inversor diferentes, a saber: tipo transformador, sem transformadore microfone, cada um com seus próprios benefícios e desvantagens.

Começamos pelo começo histórico, que é o inversor do tipo transformador. Os primeiros inversores solares em trabalho fora da rede foram inversores de veículos (recreacionais / marítimos), projetados para funcionar com baterias de chumbo-ácido de ciclo profundo a uma tensão de barramento de bateria de 12 ou 24 VDC. Isso exigia que eles usassem um transformador de expansão para isolar os lados CA e CC um do outro e converter a tensão da bateria comutada (PWMed ou MSWed) na tensão correta da rede elétrica. Como resultado, esses inversores podem ser usados ​​com sistemas CC aterrados (aterrados), bem como sistemas DC flutuantes, e também não requerem componentes de comutação de alta tensão caros, mas compensam isso com o custo e o peso do inversor magnética. Isso também significava que os primeiros inversores de ligação à grade também eram baseados em transformadores, pois eram inversores de bateria com controles anti-ilhamento compatíveis com UL 1741 (e talvez também o rastreamento máximo de pontos de energia) "aparafusados". Eventualmente, funcionalidades como comutação de energia, carregamento da bateria e operação multimodo foram adicionadas a eles, resultando nos atuais inversores híbridos que são a base do trabalho moderno fora da rede.

À medida que os sistemas ligados à rede se tornaram mais populares, porém, as pessoas queriam mais eficiência, o que exigia tensões mais altas nas cordas, e os interruptores de alta tensão também ficaram mais baratos, o que pesava contra o uso de transformadores grandes e pesados ​​no sistema. Entrar inversores de fio sem transformador; estes, que representam a maior parte dos inversores puros de amarração de rede existentes atualmente, retiram CC de alta tensão (~ 400V) da coluna do painel solar ou do estágio MPPT e o alternam diretamente para a saída para produzir a forma de onda CA principal. Isso elimina o transformador, com o custo de exigir semicondutores de comutação de alta tensão e também com o custo de exigir um painel solar flutuante e de alta tensão, já que ele não fica mais isolado da rede elétrica CA. Além disso, os inversores sem transformador exigem hardware especializado do sistema de armazenamento de energia, em vez de poderem integrar-se a baterias COTS baratas, devido aos desafios do gerenciamento de cordões de bateria de alta tensão e aos problemas de distribuição DC que um barramento 400VDC integrado em campo apresenta.

A arquitetura do inversor do tipo transformador não foi concluída. Algumas faíscas brilhantes pensavam em encolher para uma caixa que pudesse gerenciar a saída de um ou dois painéis e convertê-la em CA enquanto encaixava no telhado, atrás do painel. Isso ficou conhecido como um microinvertere tornou-se popular, pois minimiza a necessidade de hardware de distribuição DC especializado, permitindo que toda a fiação seja executada em tensões eficientes (geralmente 240VAC), mantendo o tamanho e o custo do fio baixo. Eles também podem executar MPPT eficiente painel a painel (existem outras maneiras de fazer isso, usando a eletrônica MPPT DC-DC, mas estão além do escopo desta discussão), mas têm o custo de que eles, como inversores sem transformador, são mais difíceis de usar em aplicações fora da rede e multimodo.

O que você procura é um multimodo sistema solar

A funcionalidade que você procura (exportar quando a grade estiver presente, executar cargas em espera quando a grade cair) é chamada de sistema solar "multimodo" no Código (e em partes do comércio), e há duas maneiras básicas de conseguir isso. (Pense nisso como um híbrido de um sistema ligado à rede e um fora da rede, a propósito.)

Um é o que é chamado Acoplamento CA, onde a saída do painel solar é invertida para CA, que é retificada de volta para CC e armazenada por um inversor / carregador multifuncional conectado a um banco de baterias (Outback Radian, Schneider Conext, Victron MultiPlus) ou sistema integrado de armazenamento de energia (como um Powerwall ), com meios de transferência de lançamento único integrados ao sistema em um ponto adequado para impedir o retorno da grade. Isso tem a vantagem de ser mais fácil de integrar com o hardware fotovoltaico existente vinculado à rede e também permite uma variedade maior de arquiteturas de inversores, a fim de evitar algumas das dificuldades envolvidas com as strings de painel CC de alta tensão, como a proteção contra falhas de arco fotovoltaico e desligamento rápido em matriz 2017 NEC. A desvantagem, no entanto, é que você reduz a eficiência da bateria solar-> devido a várias conversões, e também pode limitar a quantidade de energia solar que você pode provisionar sem sobrecarregar o sistema de carregamento da bateria / ESS, dependendo dos detalhes do sistema escolhido. topologia.

Existe uma alternativa, porém, que é chamada Acoplamento DC Seu sistema. Nesse caso, os painéis solares alimentam uma controlador de carregamento que alimenta um barramento CC de baixa tensão (<60VDC), com baterias, inversores e conversores CC-CC conectados a esse barramento CC. Isso está mais de acordo com a forma como os sistemas fora da grade são projetados e tem a desvantagem de restringi-lo na topologia do sistema em relação ao que fica nos painéis, forçando você a enfrentar problemas como desligamento rápido, distribuição DC e PV proteção contra falha de arco mais ou menos frontal. No entanto, oferece muito mais flexibilidade e eficiência em alguns aspectos; você não possui perdas redundantes de conversão DC-AC-DC e também pode lidar com uma incompatibilidade entre desejos solares ligados à rede e demandas de falta de energia aqui, desde que esteja usando um bom hardware de controle de carga. Também é melhor para acionar cargas CC de baixa tensão, como iluminação e eletrônicos de baixa tensão, que, embora não sejam um fator em um sistema multimodo, levam a que essa seja a maneira predominante de projetar um sistema totalmente fora da rede.

Nem todos os instaladores solares estão à altura desta tarefa

Dado o que sabemos agora sobre os vários tipos de inversores existentes e que tipo de sistema você está vendo, fica claro qual é o seu problema agora. Seus instaladores são "empurradores de caixas" no que diz respeito a tudo a jusante dos painéis solares, treinados para vender e instalar um determinado conjunto de caixas (inversores SolarEdge + otimizadores e Powerwalls). Como resultado disso, eles não têm o integração de sistemas recursos e know-how para lidar com sistemas multimodo mais sofisticados (ou fora da rede, por sinal!). Dada a sua situação, recomendo que você encontre um instalador familiarizado com o trabalho fora da grade / multimodo; alguém que seja um revendedor Outback ou Victron seria um bom ponto de partida, pois eles são os principais fabricantes dos inversores usados ​​nesses tipos de sistemas.

O que eu faria se estivesse sendo barato é a versão automática da abordagem de Harper

Se eu estava tentando fazer um sistema solar multimodo barato, o que seria semelhante ao diagrama de Harper, exceto por duas coisas:

1. Eu faria não coloque toda a casa no sistema inversor de espera. Isso mantém a maior parte das cargas verdadeiramente colossais fora do sistema em espera e permite que seja mantida em tamanho razoável, especialmente se você conseguir gerenciar o aquecimento de sua casa sem precisar gastar muita eletricidade no trabalho. De fato, eu restringiria o inversor de espera a (talvez um subconjunto de) circuitos de iluminação dedicados, bem como algumas cargas fixas importantes, como a bomba de poço, a geladeira e o sistema de aquecimento (em espera / emergência). Talvez a água quente também seja uma opção, mas você deve maximizar sua eficiência aqui se fizer isso, o que significa que um aquecedor elétrico de tanque barato é não é uma opção, e tankless também está fora.
2. Em vez de usar o intertravamento de transferência manual que Harper descreve, eu usaria uma combinação de ATS / subpainel para alimentar as cargas de espera CA, com o inversor de reserva substituindo a entrada "gerador" no comutador de transferência. (Um Cummins RA112L1 é adequado para isso, desde que você o alimente com 12VDC a partir de uma caixa DC-DC do banco de baterias, para que os controles de transferência possam ser ajustados para funcionar corretamente; a Kohler também faz isso, mas em uma caixa NEMA 3R , que funciona ao ar livre, mas é difícil de usar em ambientes fechados.) Como a abordagem de Harper, isso permite o uso de qualquer inversor de onda senoidal antigo para o inversor de reserva, com o custo de talvez limitar o que você pode usar para um inversor de amarração de rede baseado em sua seleção do controlador de carregamento, mas também fornece funcionalidade de troca automática, por um custo menor do que um inversor híbrido.

Obviamente, se você não estiver com um orçamento apertado, eu procuraria um sistema baseado em um inversor híbrido / multimodo, que combina toda a inversão e transferência de imposto em uma única caixa, fornecendo o efeito líquido do Harper's System XX sem o deselegante, "bolt on" design. De qualquer maneira, isso permite que você use uma tecnologia de bateria mais barata (como baterias de ciclo profundo marinho, carrinho de golfe ou baterias de chumbo-ácido AGM), que é outro benefício de custo sobre o que você está sendo proposto com os Powerwalls, dependendo de quanto fatores de custo da bateria na equação, é claro.

Para não ser cínico: qualquer sistema movido a energia solar que exija baterias não paga (onde a energia da rede está disponível).

Dito isto, isso me parece estranho. Eu sempre aprendi que as baterias alimentam o inversor. As baterias são carregadas pelos painéis solares (quando disponíveis) ou pela rede (quando a energia solar não está disponível).

Em uma instalação de gerador (onde a energia da rede está disponível), o gerador alimenta apenas certos circuitos "críticos", como geladeira, forno, bomba de poço, etc. Isso reduzirá os requisitos de energia da massa.
$ 0.02