Sistem de stocare a energiei conectat la rețeaua de curent alternativ (AC) sau la rețeaua de curent continuu (DC): care arhitectură este mai bună?
Dacă intenționezi să instalezi un sistem de stocare a energiei alături de un sistem fotovoltaic, prima întrebare nu se referă la capacitate, ci la arhitectură. Această decizie determină randamentul sistemului, posibilitatea de extindere și costul instalării. În acest articol vom analiza modul de funcționare al sistemelor cu cuplare AC și DC, care este cea mai importantă diferență tehnică între cuplarea AC și cea DC și ce înseamnă, de fapt, curentul AC-DC în practică.
Vom analiza care dintre aceste soluții este mai eficientă din punctul de vedere al conversiei energetice, când este avantajoasă cuplarea CA în cazul extinderii unui sistem fotovoltaic existent cu un acumulator și când merită totuși să optați pentru un sistem de stocare a energiei cu cuplare CC. Vom aborda compatibilitatea cu invertoarele, alegerea între păstrarea dispozitivului existent sau înlocuirea acestuia cu un invertor hibrid, precum și dimensionarea puterii și a capacității în cazul unei extinderi ulterioare.
În final, cuantificăm pierderile de conversie, analizăm aspectele legate de „zero export” și de gestionarea energiei în cazul sistemelor retrofit, comparăm cele două arhitecturi la scară comercială și industrială mai mare, iar la final veți primi criteriile de decizie SOLARKIT destinate instalatorilor. Dacă panourile solare și bateriile sunt instalate ulterior în sistem, acest set de criterii vă ajută să decideți care dintre opțiuni este cea mai rentabilă.
Cum funcționează sistemele conectate la rețea prin curent alternativ (AC) și curent continuu (DC)?
Diferența dintre cele două arhitecturi constă în locul în care se întâlnesc circuitele panourilor solare și ale bateriei.
Într-un sistem conectat la rețeaua de curent alternativ (AC), panoul solar funcționează cu propriul invertor, iar sistemul de stocare a energiei cu un invertor hibrid separat cu baterie. Cele două dispozitive se conectează pe partea de curent alternativ, de obicei pe șina tabloului de distribuție. Energia produsă de panoul solar este mai întâi transformată în curent alternativ, apoi, atunci când ajunge în acumulator, este transformată din nou în curent continuu, iar la descărcare este transformată pentru a treia oară. Avantajul acestei configurații este că cele două dispozitive funcționează independent unul de celălalt: dacă unul se defectează, celălalt continuă să funcționeze.
Într-un sistem cu conexiune DC funcționează un singur invertor hibrid. Panourile solare și bateria sunt conectate la o bară comună de curent continuu: pe o parte se află un regulator MPPT, iar pe cealaltă un convertor DC/DC de încărcare a bateriei. Curentul continuu provenit de la panourile solare încarcă bateria direct, fără conversie, și se transformă în curent alternativ abia atunci când este dirijat către consumatori sau către rețea.
Din această diferență topologică decurg toate celelalte aspecte: randamentul, scalabilitatea, redundanța și complexitatea instalării. În cazul unui sistem casnic se aplică aceeași logică ca și în cazul unei instalații industriale, doar că la o scară diferită.
Cuplarea AC și cuplarea DC: cele mai importante diferențe tehnice
În practică, cele două arhitecturi se diferențiază în patru puncte.
Numărul de conversii. În cazul cuplării AC, energia solară este convertită de trei ori, iar în cazul cuplării DC, o singură dată. Aceasta determină diferența de randament: atunci când se alimentează de la panouri solare, sistemele cu cuplare AC au, de obicei, un randament ciclic de 90-94%, iar cele cu cuplare DC, de 95-98%.
Recuperarea energiei tăiate. Dacă puterea parcului fotovoltaic depășește puterea nominală de curent alternativ a invertorului, surplusul se pierde. Un sistem de stocare a energiei cu cuplare în curent continuu stochează această energie tăiată (clipping) înainte de a ajunge la invertor, în timp ce sistemul cu cuplare în curent alternativ se poate încărca doar după ce energia a trecut deja prin invertor.
Amplasare și redundanță. Un sistem de stocare a energiei conectat la curent alternativ (AC) poate fi instalat la distanță de parcul fotovoltaic, iar cele două invertoare funcționează independent. În cazul configurației conectate la curent continuu (DC), bateria trebuie să rămână în apropierea invertorului, iar defectarea unui singur dispozitiv oprește întregul sistem.
Costuri și instalare. În cazul unei investiții „greenfield”, conectarea la curent continuu (DC) este mai ieftină, deoarece este suficient un singur invertor hibrid. În cazul unui sistem existent, însă, conectarea la curent alternativ (AC) reprezintă soluția cea mai rapidă, deoarece nu este necesară intervenția asupra părții fotovoltaice funcționale.
Semnificația curentului AC-DC
Merită să clarificăm noțiunile de bază, deoarece toate diferențele menționate mai sus se bazează pe acestea.
Curentul continuu (DC – direct current) circulă într-o singură direcție, iar tensiunea sa este constantă. Panourile solare produc acest tip de curent, iar bateria stochează energia sub această formă. Într-un șir rezidențial, aceasta înseamnă, de obicei, o tensiune continuă cuprinsă între 600 și 1000 V.
Curentul alternativ (AC) își schimbă periodic direcția, în Europa având o frecvență de 50 Hz. Rețeaua electrică și majoritatea consumatorilor casnici funcționează pe această bază.
Invertorul face legătura între cele două: o etapă DC/DC reglează nivelul tensiunii, iar o etapă DC/AC transformă ieșirea într-un curent alternativ sinusoidal de 230 V. Fiecare astfel de conversie implică pierderi, de aceea este important numărul de etape prin care trece curentul.
Care soluție este mai eficientă din punctul de vedere al conversiei energetice?
Pe hârtie, răspunsul este clar: conectarea la curent continuu (DC). Atunci când sunt alimentate de la panouri solare, sistemele conectate la curent continuu funcționează cu un randament de 95–98%, iar cele conectate la curent alternativ (AC) cu un randament de 90–94%, deoarece curentul trece prin mai puține etape de conversie.
În practică, însă, ceea ce contează este traseul pe care îl parcurge energia.
Dacă energia produsă de panourile solare ajunge imediat la consumatori, ambele arhitecturi efectuează aceeași singură conversie CC/CA. Diferența de randament se referă exclusiv la energia stocată, adică importanța acesteia este cu atât mai mare cu cât proporția de stocare a sistemului este mai mare.
În cazul încărcării de la rețea, situația se inversează: randamentul sistemului conectat la curent continuu scade în acest caz la aproximativ 87%, din cauza conversiei suplimentare, în timp ce performanța sistemului conectat la curent alternativ rămâne mai echilibrată, indiferent de sursa de încărcare. Acest aspect capătă o importanță sporită oriunde modelul de afaceri include tarife dinamice sau servicii de rețea.
În regimul de pană de curent, conectarea la rețeaua de curent alternativ (AC) poate fi, de asemenea, mai avantajoasă: în acest caz, puterea invertorului fotovoltaic și a invertorului bateriei se cumulează, astfel încât se poate acoperi și un consum instantaneu mai mare.
În cifre: în cazul unui acumulator de 10 kWh, diferența de randament de 3-5% reprezintă o diferență anuală de aproximativ 200-400 kWh. Această valoare, luată separat, justifică rareori înlocuirea invertorului, dar contează în cazul proiectării de la zero.
Extinderea unui sistem fotovoltaic existent cu o baterie: când este avantajoasă conectarea la curent alternativ (AC)?
Extinderea sistemului fotovoltaic existent cu o baterie este astăzi o operațiune tipică pe majoritatea piețelor europene. În cea mai mare parte a sistemelor instalate în a doua jumătate a anilor 2010 funcționează un invertor de tip string simplu, care alimentează rețeaua și care nu poate integra o baterie.
În aceste cazuri, conectarea la curent alternativ (AC) este, fără îndoială, alegerea mai bună în patru situații.
Dacă invertorul existent este în stare bună și se află încă în garanție. Nu are sens să arunci un echipament funcțional doar pentru a câștiga câteva procente de randament. Iar valoarea reziduală a invertorului demontat reprezintă doar o fracțiune din cea a unui invertor nou.
Dacă nu merită să se modifice structura de decontare existentă. Tarifele mai avantajoase, obținute anterior, sunt de obicei legate de puterea de producție declarată și de acordul de racordare la rețea. Extinderea pe partea de curent alternativ (AC) nu afectează aceste aspecte, însă înlocuirea invertorului poate declanșa o nouă procedură de autorizare.
În cazul în care locația parcului fotovoltaic și cea a bateriei sunt diferite. Invertorul cu baterie poate fi instalat liber în apropierea distribuitorului.
Dacă se urmărește o execuție rapidă. Printre sistemele de stocare a energiei EcoFlow se regăsesc atât variante All-in-One, cât și configurații tradiționale, cu invertor separat. Pentru extinderea ulterioară, varianta All-in-One este cea mai evidentă: invertorul și modulele de baterii formează o singură unitate, care poate fi conectată la partea de curent alternativ (AC), astfel încât o instalare poate fi finalizată, de obicei, într-o singură zi. Dacă bateria este integrată ulterior în sistem, conectarea la rețeaua de curent alternativ (AC) reprezintă soluția care necesită cea mai mică intervenție.
Când merită să alegeți un sistem de stocare a energiei cu conectare DC?
În patru situații, însă, conectarea la curent continuu (DC) este decizia rațională.
În cazul unei investiții de la zero. Dacă panourile solare și sistemul de stocare sunt instalate simultan, un singur invertor hibrid este mai ieftin și mai eficient decât două dispozitive separate.
Dacă invertorul existent trebuie oricum înlocuit. Durata de viață a unui invertor de string de 8-10 ani se apropie de sfârșit; în acest caz, invertorul hibrid nu mai reprezintă un cost suplimentar, ci o înlocuire planificată.
Dacă parcul fotovoltaic este supradimensionat. La un raport DC/AC ridicat, recuperarea energiei tăiate se poate amortiza de la sine.
Dacă spațiul este limitat. Un singur invertor hibrid înseamnă mai puține echipamente, mai puține cabluri și o interfață comună de monitorizare.
Decizia se bazează întotdeauna pe o evaluare la fața locului: tipul invertorului existent, vechimea acestuia și puterea de conectare determină împreună care arhitectură este cea mai rentabilă.
Compatibilitatea invertoarelor și aspectele legate de proiectarea sistemului
După alegerea arhitecturii, succesul proiectului nu este determinat, de obicei, de randament, ci de capacitatea echipamentelor alese de a funcționa împreună.
Trebuie să se țină cont de trei aspecte: intervalul de tensiune, protocolul de comunicație și aprobarea producătorului. Majoritatea invertoarelor hibride destinate uzului casnic funcționează cu baterii LiFePO4 de 48 de volți, prin interfață CAN sau RS485, în timp ce platformele de înaltă tensiune necesită un sistem propriu de baterii cu tensiuni cuprinse între 100 și 1000 V, adesea cu protocol închis.
O etichetă de 10 kWh poate desemna două produse complet diferite: un modul de 48 de volți și un bloc de baterii de înaltă tensiune conectat la un invertor hibrid. Cele două nu sunt interschimbabile.
Comunicarea în buclă închisă nu este o opțiune suplimentară: fără aceasta, invertorul estimează nivelul de încărcare doar pe baza tensiunii, ceea ce este imprecis având în vedere caracteristica plată a bateriilor LiFePO4 și poate fi necesar din punctul de vedere al garanției producătorului.
Păstrarea invertorului existent sau înlocuirea acestuia cu un invertor hibrid
Pentru a lua o decizie, trebuie colectate patru date la fața locului.
Vechimea invertorului și perioada de garanție rămasă. În cazul unui echipament vechi de 2-3 ani, conectarea la rețeaua de curent alternativ (AC) este aproape întotdeauna cea mai avantajoasă opțiune.
Configurația stringurilor. Dacă se trece la un invertor hibrid, valorile de tensiune și curent ale stringurilor existente trebuie să se încadreze în fereastra MPPT a noului dispozitiv. Acest lucru implică adesea reconectarea sau rearanjarea stringurilor.
Lista de compatibilitate. Verificați întotdeauna lista actualizată și aprobată de producător, inclusiv la nivel de model și versiune de hardware, deoarece și compatibilitatea firmware-ului contează. Am realizat un rezumat separat privind compatibilitatea între bateriile FoxESS și invertoare.
Costul întreruperii. Într-o instalație comercială, zilele de pierdere a producției depășesc rapid câștigul de eficiență.
Dacă vreunul dintre aceste aspecte este incert, conectarea la rețeaua de curent alternativ (AC) reprezintă opțiunea cu risc mai mic: nu afectează partea de panouri solare, iar setările autorizate ale sistemului existent rămân neschimbate.
Dimensionarea puterii și a capacității în cazul extinderii ulterioare a sistemului cu panouri solare și baterii
La dimensionare, trebuie tratate separat două valori diferite: capacitatea (kWh) și puterea (kW).
Capacitatea este determinată de vârful de consum de seară, nu de consumul total zilnic. Dacă sarcina de seară este de 8-10 kWh pe zi, nu are sens să se instaleze 20 kWh: peste un raport de 2:1 față de panoul solar, autonomia energetică abia se îmbunătățește.
Puterea este limitată de rata C și de invertor. O baterie de 20 kWh care poate fi încărcată la 0,5C furnizează 10 kW la nivelul bateriei, iar puterea de ieșire pe partea de curent alternativ este mai mică decât aceasta.
În cele din urmă, ia în calcul capacitatea utilă, nu cea nominală: din cauza adâncimii de descărcare, a randamentului și a deratării termice, valoarea reală poate fi cu 20-35% mai mică. Acest aspect este deosebit de important în cazul extinderilor cu conectare la rețeaua de curent alternativ, deoarece puterea invertorului alimentat de baterie se adaugă la sistem în paralel cu invertorul fotovoltaic existent.
Pierderi de conversie în sistemele cu conectare la rețea de curent alternativ (AC) și de curent continuu (DC)
Pierderea nu apare în baterie, ci în etapele de conversie și în consumul în standby.
Într-un sistem conectat la rețeaua de curent alternativ (AC), energia stocată (kWh) trece prin trei etape de conversie, în timp ce într-un sistem conectat la rețeaua de curent continuu (DC), la încărcarea cu panouri solare, trece doar printr-o singură etapă. În cazul unui sistem de stocare care procesează 4 000 kWh pe an, aceasta înseamnă o pierdere de 400 kWh la un randament al ciclului de 90%, respectiv 160 kWh la un randament de 96%. Diferența este de aproximativ 240 kWh pe an.
Al doilea element, adesea neglijat, este consumul în standby. Consumul în gol al unui invertor cu baterie separată rămâne, de obicei, sub 1% din puterea nominală, dar chiar și un consum continuu de 20-40 de wați înseamnă un consum anual de 175-350 kWh. În cazul conectării la curent alternativ (AC), două dispozitive consumă energie în paralel, iar în cazul conectării la curent continuu (DC), unul singur.
Nici pe partea de curent continuu pierderile nu sunt zero: controlerul de încărcare, sistemul BMS și cablajul consumă energie, doar că aceste pierderi sunt de un ordin de mărime mai mic. În cazul sistemelor de joasă tensiune, de 48 de volți, pierderile din cabluri sunt mai semnificative decât în cazul sistemelor de înaltă tensiune, datorită curentului mai mare.
De aceea, nu este suficient să se compare randamentul ciclului complet indicat în catalog. Realizați o simulare pe baza jurnalelor reale de producție: câtă energie (kWh) trece efectiv prin baterie și câtă ajunge direct la consumatori. În ambele arhitecturi, această din urmă cantitate are același cost.
În cazul sistemelor „zero export” și al sistemelor retrofit de gestionare a energiei
În cazul multor autorizații de racordare la rețea, limitarea sau interzicerea totală a alimentării cu energie este o condiție obligatorie. Această orientare de reglementare influențează, în sine, alegerea arhitecturii.
În sistemele conectate la curent continuu (DC), limitarea este simplă: invertorul hibrid preia puterea MPPT într-un singur circuit de reglare, exact în măsura în care consumatorii și bateria o absorb.
În cazul unei modernizări cu conectare la rețeaua de curent alternativ (AC), situația este mai complicată, deoarece invertorul cu baterie nu poate dezactiva direct invertorul fotovoltaic existent. Rămân două soluții: fie absorbi surplusul în baterie printr-o încărcare cu putere variabilă, fie reglezi partea fotovoltaică prin comunicație sau, eventual, prin deplasarea frecvenței. Cea din urmă opțiune este mai lentă și depinde în mare măsură de marca echipamentului.
De aici rezultă o regulă generală de proiectare: sistemul „zero export” cu racord la rețeaua de curent alternativ funcționează în mod fiabil numai dacă puterea de încărcare a invertorului cu baterie atinge puterea nominală a invertorului fotovoltaic existent.
Avantajul din perspectiva gestionării energiei este același, dar invers: surplusul care rămâne sub limita de alimentare se păstrează în baterie și nu se pierde.
În ambele cazuri, semnalul de retur măsurat la punctul de racordare închide circuitul, sub forma unui transformator de curent sau a unui contor inteligent. La punerea în funcțiune, verificați direcția transformatorului de curent, ordinea fazelor și timpul de eșantionare și lăsați o mică marjă pe partea de import în loc de zero.
Acumulator cu cuplaj CA sau CC pentru sisteme comerciale și industriale de mari dimensiuni?
La scară mai mare, criteriile se schimbă: nu randamentul este decisiv, ci strategia de venituri și conectarea la rețea.
Un singur punct de racordare este un argument în favoarea configurației cu cuplare DC. Aceasta înseamnă o analiză mai simplă a rețelei și un număr mai mic de transformatoare; în plus, în cazul unui parc fotovoltaic puternic supradimensionat, recuperarea energiei nefolosite generează un volum mare de energie. De aceea, un sistem de stocare a energiei cu cuplare DC proiectat pentru o centrală solară nouă este astăzi scenariul de bază.
Un argument în favoarea configurației cu conectare la rețeaua de curent alternativ (AC) este independența. Un sistem de stocare a energiei conectat la rețeaua de curent alternativ poate furniza energie rețelei independent de producția fotovoltaică, permite extinderea modulară, iar defectarea unui singur invertor nu afectează întreaga instalație. Aceasta este soluția viabilă pentru sistemele existente instalate pe acoperișurile clădirilor industriale.
Există un aspect care se opune conectării la rețeaua de curent alternativ: reacționează mai lent la comenzile rapide ale rețelei, cum ar fi răspunsul la frecvență, deoarece este necesară sincronizarea simultană a mai multor invertoare.
Fii atent la două capcane. Extinderea ulterioară a unui sistem cu conectare DC este dificilă, deoarece intervalul de tensiune al noilor baterii nu corespunde, de obicei, cu cel al celor vechi. În cazul reducerii sarcinilor de vârf, dimensionează puterea PCS în funcție de vârful care trebuie redus, iar capacitatea în funcție de durata vârfului.
Pentru proiecte mai mari, veți găsi soluții scalabile, în dulapuri și containere, în gama de acumulatori de energie FoxEss; totuși, dimensionarea trebuie să pornească întotdeauna de la profilul de sarcină pe sfert de oră al amplasamentului.
Recomandarea SOLARKIT: criterii de decizie pentru instalatorii de panouri solare
Din experiența noastră, majoritatea deciziilor arhitecturale greșite provin din lipsa unei evaluări prealabile, nu din lipsă de cunoștințe tehnice. De aceea, vă recomandăm ca, înainte de a prezenta orice ofertă, să notați cinci date.
Tipul exact al invertorului și anul de fabricație. Acestea determină dacă acesta poate fi păstrat.
Valorile tensiunii și intensității curentului în șiruri. În cazul trecerii la un invertor hibrid, aceasta este condiția de bază.
Puterea de conectare și limita de alimentare. Dacă modificarea acestora necesită autorizație, balanța înclină în favoarea conectării la rețeaua de curent alternativ (AC).
Nevoia de alimentare de siguranță. În regim de pană de curent, în cazul sistemului cu conexiune la rețeaua de curent alternativ (AC), invertorul cu baterie trebuie să funcționeze în modul de formare a rețelei, iar invertorul fotovoltaic existent trebuie să poată colabora cu acesta. În caz contrar, partea fotovoltaică se oprește pur și simplu în cazul unei întreruperi de curent.
Profilul de sarcină de seară. Acesta determină capacitatea necesară, nu consumul total zilnic.
Concluzia noastră este simplă: pentru un sistem nou, conectare DC; pentru un invertor existent și funcțional, conectare AC. Excepția o reprezintă cazul în care invertorul trebuie oricum înlocuit, deoarece atunci soluția hibridă rezolvă problema dintr-o singură mișcare.
În calitate de instalator, merită să aveți stocuri pregătite pentru ambele arhitecturi. Cine oferă doar soluții cu invertoare hibride pierde o mare parte din piața de modernizare, iar cine oferă doar sisteme de stocare cu conectare AC renunță la proiectele de construcții noi.
Întrebări frecvente: Stocarea energiei conectată la AC și la DC
Se poate instala un sistem de stocare a energiei conectat la curent continuu (DC) într-un sistem cu microinvertoare?
Nu. Microinvertoarele transformă deja producția în curent alternativ în spatele modulului, astfel încât nu există o bară de curent continuu la care să poată fi conectată bateria. În cazul unui astfel de sistem, se poate lua în considerare exclusiv conectarea la curent alternativ (AC), însă aceasta este o soluție firească: sistemul de stocare se conectează pur și simplu la invertorul conectat la curent alternativ (AC).
Se pierde garanția invertorului existent în cazul unei extinderi cu conectare la curent alternativ?
De obicei nu, deoarece sistemul de stocare conectat la rețeaua de curent alternativ se conectează de la tabloul de distribuție, după invertorul fotovoltaic, și nu interferează cu circuitul acestuia. În schimb, în cazul înlocuirii cu un invertor hibrid, garanția rămasă a vechiului dispozitiv se pierde. Înainte de instalare, cere întotdeauna o confirmare în scris de la producător sau distribuitor.
Se pot combina conexiunile AC și DC într-un singur sistem?
Da, într-un sistem bine proiectat, cele două pot coexista. Un caz tipic este acela în care invertorul fotovoltaic existent rămâne pe partea de curent alternativ (AC), iar lângă acesta se instalează un nou invertor hibrid cu propriul câmp de panouri solare și baterie. În acest caz, controlul trebuie asigurat de un sistem de gestionare a energiei.
Cu cât este mai mare producția de energie solară necesară pentru încărcarea unei baterii conectate la rețeaua de curent alternativ?
Aproximativ cu 5-10%. Datorită celor două conversii, fiecare cu un randament de aproximativ 95%, pentru încărcarea unei baterii de 20 kWh este necesară o producție de energie solară cu aproximativ 2 kWh mai mare. Acest surplus contează puțin atunci când producția de vârf de la prânz nu ar fi oricum utilizată.
Se încarcă bateria conectată la rețeaua de curent alternativ (AC) de la panourile solare în timpul unei întreruperi de curent?
Doar dacă invertorul bateriei creează o rețea locală stabilă în modul de generare a rețelei, iar invertorul fotovoltaic poate funcționa împreună cu acesta. Anumite invertoare hibride ridică frecvența la 52-53 Hz atunci când bateria este încărcată complet, pentru a deconecta partea fotovoltaică. Acest comportament trebuie verificat la nivel de model înainte de instalare.
