¿Por qué las configuraciones solares fuera de la red son de solo 12, 24, 48 VCC?

Estoy buscando producir 50kW para un proyecto solar fuera de la red. Idealmente, me gustaría tener un sistema de batería de CC de alto voltaje con un inversor de batería de alta potencia y un controlador de carga.

Solo he encontrado un par de inversores de alto VDC (384 V) y controladores de carga, y son de fabricantes chinos. Dudo un poco en comprarles.

Todas las grandes empresas solo usan 12, 24 y 48 VDC. Entiendo que es lo más común y que no necesita mucha energía para un hogar, pero si quiero producir 50kW a 48 VDC, ¡eso es más de 1000A! Si ejecuto eso en paralelo a los inversores de 48V, necesitaría 10 o más inversores. Eso es mucho alambre y trabajo.

¿Hay alguna razón eléctrica por la que limitarían estos productos a 48 VCC?

60VDC es el límite para voltaje extra bajo de seguridad, o SELV, como se detalla en UL 60950-1. Además de tener un voltaje más bajo, los circuitos SELV también están aislados de la red eléctrica mediante aislamiento reiniformado , que tiene requisitos específicos de espacio y materiales.

En términos generales, los voltajes SELV son 'seguros al tacto', lo que significa que no presentan un riesgo de descarga eléctrica con contacto directo. 48V cae por debajo de este umbral SELV con cierto margen. También es convenientemente cuatro baterías de plomo-ácido de '12V' conectadas en serie (realmente hasta 58.8V con carga de flotación completa).

Los voltajes por encima del nivel SELV se consideran en la misma clase que el voltaje de línea, y generalmente requieren la instalación de un electricista. ¿Razón? Los electricistas están familiarizados con los códigos y las técnicas para proteger contra el contacto involuntario con voltajes potencialmente letales, incluido el uso de materiales adecuados, fusibles, protección contra fallas, gabinetes y enrutamiento de cables.

Más aquí: https://www.edn.com/electronics-blogs/power-supply-notes/4414411/What-does-SELV-mean-for-power-supplies

El hardware de la batería ensamblado en el campo no puede salir del SELV sin ayuda

La limitación principal en el voltaje del bus de CC de la mayoría de los sistemas fuera de la red se debe a los límites de seguridad táctil (límite de 60VDC / 42.4VAC SELV), pero eso no se debe a quién lo está instalando. En cambio, el problema es la disponibilidad de piezas: las celdas individuales de ácido de plomo y los monobloques de los tamaños utilizados en los sistemas fuera de la red generalmente no están disponibles con terminales táctiles seguros debido a problemas de fabricación y diversidad de aplicaciones. Esto puede superarse, dependiendo del entorno, utilizando un gabinete de batería o una sala de batería como límite de seguridad táctil, o utilizando un sistema de almacenamiento de energía ensamblado y listado en fábrica, pero eso nos lleva a nuestro próximo problema.

La aparamenta de CC es difícil

La aparamenta de red de CA de baja tensión de baja tensión (MCB y sistemas de montaje / bus asociados, así como interruptores / seccionadores fusibles, fusibles de red de jardín, etc.) está, por supuesto, fácilmente disponible para los voltajes de utilización típicos. Sin embargo, sólo un subconjunto limitado de este arte tiene para el servicio de CC en absoluto , y si es así, sus calificaciones se limitará a alrededor de 48-60VDC. Además, los seccionadores y similares destinados al servicio solar , aunque están clasificados para altos voltajes de CC, tienen clasificaciones muy bajas de cortocircuito / interrupción en el gran esquema de las cosas. Esto se debe a que los paneles solares son inherentementefuentes limitadas actuales: no importa qué tan larga sea su cadena, no emitirá mucho más que su Isc nominal sin importar lo que le haga, y los valores de Isc del panel solar están en el orden de amperios, no kiloamperios.

Esto significa que necesita una aparamenta de servicio mucho más pesado para el servicio de CC a voltajes de CC equivalentes a la tensión de red, ya que las cadenas de batería son capaces de corrientes de falla de clase de kiloamperios (fácilmente equivalentes a una fuente de red en este sentido), y los arcos de CC son indefinidamente autosustentable una vez golpeado contra arcos de CA que se apagarán automáticamente en cruces por cero. Además, incluso los equipos de servicio más pesado, como los MCCB de tipo industrial con clasificación CC y los interruptores fusibles de servicio pesado, a menudo se limitan a 125 VCC para interruptores unipolares y 250 VCC para la conmutación de todos los polos en dispositivos de múltiples polos. Si bien hay algunos interruptores fusibles que tienen clasificaciones de hasta 600 V CC, estos también están limitados por la imposibilidad de obtener fusibles clasificados para el servicio OCPD de la red a voltajes superiores a 300 V CC con solo unas pocas excepciones.

Las calificaciones de interrupción son otro problema; lograr clasificaciones de cortocircuito del sistema de CC de más de 10 kA requiere una cuidadosa selección de componentes, e incluso los diseños de disyuntores y fusibles más robustos disponibles solo alcanzan una clasificación de interrupción de CC de 100 kA o menos.

TLDR: las industrias usan equipos industriales y las casas no tienen una demanda de 50kw. De Verdad.

Esto no puede ser enfatizado suficientemente:

DC es un cliente desagradable .

Es fácil volverse complaciente después de pasar una juventud y una carrera trabajando con dóciles e inofensivos voltajes de 5 a 24 voltios de CC o con buen comportamiento de 100 a 240 V CA debido a sus frecuentes cruces por cero.

DC en ese mismo rango es un borracho malo. Es posible que haya estado en casas muy antiguas y haya sentido interruptores que tenían un SNAP definitivo al encender o apagar. Esos son retrocesos a cuando el poder de la casa era DC, y ajustan los contactos bastante amplios, para asegurar que se apague un arco. Por encima de eso, necesita "reventones" magnéticos o neumáticos diseñados para tirar del arco hacia arriba dentro de una rampa de arco para soplarlo. ,

Porque si se inicia el arco de CC, se quemará a través de casi cualquier cosa. (tenga en cuenta en este video de fuego de tranvía cómo el arco tarda un tiempo en comenzar, y luego desgarra el tranvía. Siga mirando, se vuelve a encender un par de veces).

Mire las clasificaciones de CC para contactores y relés. Verá clasificaciones de voltaje muy diferentes para DC que AC.

Como resultado, las diversas reglamentaciones tratan el voltaje DC más alto de manera diferente del voltaje bajo, y los máximos permitidos están típicamente en el rango de 30-50 voltios.

Apagado rápido

Dos umbrales de particular interés para los instaladores de paneles solares (que trabajan en techos) son las reglas de cierre rápido de 2017. Ahora debe dejar "pasillos" entre grupos de paneles solares para que los bomberos accedan al techo. Esto significa que hay grupos de paneles que aún están adyacentes.

Para instalaciones en techos, debe haber un interruptor accesible para los bomberos que haga dos cosas. a) Reduzca el voltaje dentro de un grupo de paneles a 80 voltios CC o menos. b) Reducir el voltaje entre grupos a 30 voltios son menores.

Si el voltaje del sistema es inferior a 30 voltios, no se necesitan disposiciones especiales.

Esto es un reflejo directo de los riesgos de voltajes más altos.

Para una instalación sin techo, esto no es un problema; Comida para el pensamiento.

Las pilas altas son menos confiables

Las baterías son una serie de celdas de 1.2 a 3 voltios por celda. Como tal, una pila de alto voltaje tiene muchas celdas. Cuantas más celdas, mayor es el riesgo de una falla de la celda que limita o reduce la pila completa. Los vehículos eléctricos lo han conquistado en gran medida con baterías exóticas, pero no tendrá la misma suerte con los ácidos de plomo viejos.

El voltaje de la batería no necesita coincidir con el voltaje solar

No hay nada malo con el alto voltaje en los paneles solares (señalando que es inherentemente limitado por la corriente) y el bajo voltaje en la batería (que literalmente no tiene límite de corriente y explotará alegremente). El controlador de carga solar necesitaría convertir dinero , pero lo está haciendo de todos modos.

¿Realmente necesitas 50 kW?

Sí, si estaba haciendo esto comercialmente, por ejemplo, para ejecutar una granja de servidores o hacer crecer las luces, entonces sí, subdividiría el proyecto en trozos más pequeños que se ajusten al hardware del inversor disponible. Tenga en cuenta que varios inversores no pueden tener sus salidas en paralelo porque no pueden sincronizarse. Si caen fuera de fase entre sí, eso equivale a un punto muerto entre ellos. Si espera que los inversores se sincronicen automáticamente entre sí o con la red, restablezca esa expectativa.

Si se trata de una empresa comercial, p. Ej., Hacer funcionar ventiladores y bombas en una mina remota, entonces debe apostar por equipos de nivel industrial y pagar los precios de las hemorragias nasales. El hecho mismo de que estés contemplando Cheese barata parece considerar esto como un problema para los propietarios de viviendas.

Las casas no hacen esto

Una de las grandes falacias en el movimiento "eco" es la sustitución de unidades para que pueda mantener sus procesos exactamente igual. Retire el fertilizante de nitrato e inserte el guano de murciélago, elimine Roundup y reemplácelo con la marca X, pero siga cultivando exactamente de la misma manera . Levante un edificio con partes de la marca X en lugar de la marca Y y solicite la certificación LEED (porque las partes son LEED), mientras ignora por completo el diseño solar pasivo que protege la tierra y otros ganadores reales en el campo. Ese enfoque es equivocado. Trágicamente común, pero equivocado.

Y, sinceramente, obtenemos más de los detractores: mirando su interruptor de panel principal de 200 A, multiplicándolo por 240 y declarando que necesitan un sistema solar de 48KW, y el detractor arroja de inmediato algunos números para demostrar que un sistema solar de 48kw es totalmente poco práctico. No caca Sherlock . En este caso, el detractor se desvía maliciosamente hacia la sustitución de unidades específicamente para asesinar la idea de vivir fuera de la red, incluso siendo práctico .

Por supuesto, ahora, un sistema solar de 50kw es realmente imaginable, pero sigue siendo tan ridículo como cuando el detractor lo "propuso" .

Una casa aleatoria sin medidas de conservación consume 1000 vatios en promedio. Eso es de acuerdo con las compañías eléctricas, que califican las plantas eléctricas en términos de número de casas atendidas. Ese es un sistema bastante grande (100KWH de batería para atravesar 100 horas de tormenta), por lo que piensa en las cargas y cómo minimizarlas, particularmente las cargas de vampiros que son 24x7.

La mayor carga de vampiros en toda tu casa es el inversor. Incluso sin carga, quema el 1% de su calificación simplemente al "girar". Entonces, a 50kw, eso es 500 vatios de potencia: ¿recuerda lo que toma una casa promedio no optimizada? Así que ya estás allí , ¿qué desperdicio es eso? Por lo tanto, mantener los inversores de un tamaño razonable es importante.

Y lo hace pensando cuidadosamente en las cargas y no teniendo un cliente gigante que controle el tamaño del inversor.

Diseño cuidadoso de la carga.

Esto es lo que no debe hacer: evite un refrigerador nuevo de $ 600 al conservar el viejo, lo que hace que necesite aprovisionar $ 3000 adicionales de capacidad fotovoltaica para alimentar la cosa ineficiente.

Entonces, por ejemplo, el calor del zócalo eléctrico está justo afuera. Horno eléctrico, no; usar gas El calor del edificio debe ser un diseño solar pasivo y luego un sistema solar térmico activo. Agua caliente, solar térmica con tanques de almacenamiento.

Hay una buena excepción: el bombeo de calor es perfectamente razonable, porque el 20% de eficiencia del panel solar x el 300-1000% de eficiencia de la bomba de calor> lo que podría obtener de la energía solar térmica.

El resultado es que la única carga eléctrica realmente grande que esperaría de una casa sin conexión a la red es el aire acondicionado. El inversor se dimensionará en consecuencia .

Como tal, 48V es mucha batería.

Agua caliente a pedido

He estado atormentando mi cerebro sobre qué carga requiere exactamente 50kw por un corto tiempo , y mi conclusión es "calor de agua caliente a pedido". Los amo, pero sí. No simplemente no.

Eso viola dos principios: generar calor con la energía fotovoltaica y hacer funcionar un inversor para una carga que no se preocupa por la CA.

Por lo menos, lo conectaría directamente a DC, quizás utilizando simples convertidores de impulso por canal que solo giran cuando el calentador está pidiendo calor en ese canal. Pero dado que estaría haciendo de 3 a 4 canales de todos modos en un calentador grande, solo haría 3 calentadores más pequeños, ubicados justo en la espita, por lo que pone a cero ese tiempo de espera largo y muy costoso para que el agua caliente llegue a la espita (con el agua caliente de la tubería ahora llena siendo abandonada).

La forma correcta de hacer esto es usar energía solar térmica con un gran tanque de almacenamiento, posiblemente aumentado con una bomba de calor. El tanque de almacenamiento se calienta lo más caliente posible (90 ° C si es posible), luego se intercambia por calor para producir agua caliente sanitaria o se usa como disipador de calor para un calentador de agua con bomba de calor (tanque). Las bombas de calor son más eficientes cuando se bombea "cuesta abajo", por lo que el gran tanque termosolar de agua caliente ahorra mucha energía fotovoltaica incluso si no se usa directamente.

El voltaje de CC óptimo también depende del tipo de baterías que vaya a instalar. El plomo-ácido es más asequible, pero se desgasta después de ~ 1000 ciclos de carga y descarga, y para un sistema de alto voltaje necesitaría conectar en serie un gran número de ellos. Las baterías de iones de litio existen en configuraciones de alto voltaje (ca 500 V CC) que reducen en gran medida las pérdidas de cableado ya que las corrientes son proporcionalmente más bajas y tienen una vida útil mucho más larga.

El año pasado instalé un inversor "blueplanet hybrid 10.0 TL3", 10KW, con un rango de 200 a 900 V CC en el lado fotovoltaico y una batería de iones de litio de 500 V CC. La batería es de hecho de China (Byd-HV), el inversor está hecho en Alemania. La desventaja es que el firmware para habilitar el modo isla solo llegará a fines de septiembre de 2019 debido a retrasos en la certificación ... Aparte de eso, ha estado funcionando sin problemas desde hace un año en modo interactivo de red, y el cableado se puede hacer con Cables solares de 10 mm2 (para mi instalación de 10 KW).

Definitivamente, puede obtener inversores de CA fuera de la red más grandes. Por ejemplo, SMA Sunny Island sube a 100kW.

https://www.sma-america.com/products/battery-inverters/sunny-island-4548-us-6048-us.html

Y sí, también dudaría acerca de los inversores de fabricación china, si tiene alternativas. Afortunadamente, en este caso, creo que sí.