Estou procurando produzir 50kW para um projeto solar fora da rede. Idealmente, eu gostaria de ter um sistema de bateria DC de alta tensão com um inversor de bateria de alta potência e um controlador de carga.
Encontrei apenas alguns inversores e controladores de carga de VDC (384V), e eles são de fabricantes chineses. Estou um pouco hesitante em comprar deles.
Todas as grandes empresas usam apenas 12, 24 e 48 VDC. Entendo que é o mais comum e você não precisa de muita energia para uma casa, mas se eu quiser produzir 50kW a 48 VCC, isso é superior a 1000A! Se eu executar isso em paralelo aos inversores de 48V, precisarei de 10 ou mais inversores. Isso é muito trabalho e fio.
Existe uma razão elétrica para que eles limitassem esses produtos a 48 VCC?
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Respostas:
60VDC é o ponto de corte para Segurança Extra Baixa Tensão, ou SELV, conforme descrito na UL 60950-1. Além de serem de baixa voltagem, os circuitos SELV também são isolados da rede elétrica por isolamento reforçado , que possui requisitos específicos de espaçamento e materiais.
Em termos gerais, as tensões do SELV são 'seguras ao toque', o que significa que elas não apresentam risco de choque elétrico por contato direto. 48V cai abaixo desse limite de SELV com alguma margem. Também são convenientemente quatro baterias de chumbo-ácido '12V' conectadas em série (na verdade, até cerca de 58,8V com carga máxima).
Tensões acima do nível SELV são consideradas na mesma classe que a tensão da linha e geralmente requerem a instalação de um eletricista. Razão? Os eletricistas estão familiarizados com os códigos e técnicas para proteger contra o contato inadvertido com tensões potencialmente letais, incluindo o uso de materiais adequados, fusíveis, proteção contra falhas, gabinetes e roteamento de cabos.
Mais aqui: https://www.edn.com/electronics-blogs/power-supply-notes/4414411/What-does-SELV-mean-for-power-supplies
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O hardware da bateria montado em campo não pode sair do SELV sem ajuda
A principal limitação na tensão do barramento CC da maioria dos sistemas fora da rede é de fato devido aos limites de segurança de toque (limite de 60VDC / 42.4VAC SELV), mas isso não é deve a quem o está instalando. Em vez disso, o problema é a disponibilidade de peças: células únicas de chumbo-ácido e monoblocos dos tamanhos usados em sistemas fora da rede geralmente não estão disponíveis em terminais de toque seguro devido a problemas de fabricação e diversidade de aplicações. Isso pode ser superado, dependendo do ambiente, usando um gabinete de bateria ou uma sala de bateria como limite de segurança de toque ou um sistema de armazenamento de energia listado e montado de fábrica e montado, mas isso nos leva ao próximo problema.
Aparelhagem CC é difícil
Aparelhagem de rede CA de baixa tensão para serviços leves (MCBs e sistemas de montagem / ônibus associados, bem como interruptores / seccionadores fusíveis, fusíveis de rede de jardim e assim por diante) está obviamente disponível para tensões de utilização típicas. No entanto, apenas um subconjunto limitado de esta engrenagem está classificado para serviço de DC em tudo , e se assim for, os ratings será limitado a cerca de 48-60VDC. Além disso, os seccionadores e aqueles destinados ao serviço solar , embora classificados para altas tensões CC, têm classificações muito baixas de curto-circuito / interrupção no grande esquema das coisas. Isso ocorre porque os painéis solares são inerentementefontes limitadas atuais: não importa quanto tempo sua corda seja, ela não emitirá muito mais do que o valor nominal de Isc, não importa o que você faça, e os valores de Isc do painel solar são da ordem de amplificadores, não de quilo-lâmpadas.
Isso significa que você precisa de um conjunto de manobra muito mais pesado para serviços de corrente contínua em tensões CC equivalentes à tensão da rede, pois as cordas da bateria são capazes de correntes de falha da classe kiloamp (facilmente equivalentes a uma fonte de rede a esse respeito) e os arcos da CC são indefinidamente auto-sustentável, uma vez atingido vs. arcos CA que se auto-extinguem em zero cruzamentos. Além disso, equipamentos ainda mais pesados, como MCCBs de tipo industrial com classificação CC e interruptores fusíveis para serviços pesados, geralmente são limitados a 125VDC para disjuntores unipolares e 250VDC para comutação unipolar em dispositivos de múltiplos polos. Embora existam alguns interruptores fusíveis por aí com classificações de até 600VCC, eles também são limitados pela incapacidade de obter fusíveis classificados para o serviço OCPD principal em tensões acima de 300VDC, com apenas algumas exceções.
Classificações interrompidas são outra questão; alcançar classificações de curto-circuito do sistema CC acima de 10kA requer uma seleção cuidadosa de componentes, e mesmo os projetos mais robustos de disjuntores e fusíveis disponíveis atingem apenas 100kA ou menos da classificação de interrupção DC.
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TLDR: As indústrias usam equipamentos industriais e as residências não têm demanda de 50kw. Sério.
Isso não pode ser enfatizado o suficiente:
DC é um cliente desagradável .
É fácil ficar complacente depois de passar uma juventude e uma carreira trabalhando com dóceis, inofensivas 5-24 volts DC ou tensões de 100 - 240 V CA bem comportadas por causa de seus frequentes cruzamentos de zero.
DC nesse mesmo intervalo é um bêbado médio. Você pode estar em casas muito antigas e sentir interruptores que tinham um SNAP definitivo quando ligado ou desligado. Esses são retrocessos de quando a energia da casa era CC, e eles cortam bastante os contatos, para garantir que um arco seja apagado. Acima disso, você precisa de "blowouts" magnéticos ou pneumáticos projetados para puxar o arco para dentro de uma calha de arco para explodi-lo. ,
Porque se o arco de corrente contínua começar, ele queimará quase tudo. (observe neste vídeo sobre como o arco demora um pouco para começar e, em seguida, rasga o bonde. Continue assistindo, ele reaparece algumas vezes.)
Veja as classificações CC para contatores e relés. Você verá classificações de tensão muito diferentes para CC e CA.
Como resultado, os vários regulamentos tratam a tensão mais alta DC de maneira diferente da baixa tensão, e os máximos permitidos estão tipicamente na faixa de 30 a 50 volts.
Desligamento Rápido
Dois limiares de particular interesse para os instaladores de painéis solares (que trabalham em telhados) são as regras do Rapid Shutdown de 2017. Agora você deve deixar "corredores" entre grupos de painéis solares para bombeiros acessarem o teto. Isso significa que existem grupos de painéis que ainda estão adjacentes.
Para instalações no telhado, deve haver um interruptor acessível aos bombeiros que faça duas coisas. a) Reduza a tensão dentro de um grupo de painéis para 80 volts DC ou menos. b) Reduzir a tensão entre os grupos para 30 volts é menor.
Se a tensão do sistema for inferior a 30 volts, não serão necessárias disposições especiais.
Este é um reflexo direto dos riscos de tensões mais altas.
Para uma instalação sem teto, isso não é um problema; alimento para o pensamento.
Pilhas altas de bateria são menos confiáveis
As baterias são uma série de células de 1,2 a 3 volts por célula. Como tal, uma pilha de alta tensão possui muitas células. Quanto mais células, maior o risco de uma falha da célula limitar ou reduzir a pilha inteira. Os VEs conquistaram isso em grande parte com baterias exóticas, mas você não terá a mesma sorte com os velhos ácidos de chumbo.
A voltagem da bateria não precisa coincidir com a voltagem solar
Não há nada errado com a alta tensão nos painéis solares (notando que é inerentemente limitada em corrente) e a baixa tensão na bateria (que literalmente não tem limite de corrente e explodirá alegremente). O controlador de carregamento solar precisaria converter rapidamente , mas está fazendo isso de qualquer maneira.
Você realmente precisa de 50 kW?
Sim, se você estivesse fazendo isso comercialmente, por exemplo, para executar um farm de servidores ou aumentar as luzes, sim - você subdividiria o projeto em pedaços menores que se ajustassem ao hardware do inversor disponível. Lembre-se de que vários inversores não podem ter suas saídas paralelas porque não podem sincronizar. Se eles caírem de fase um com o outro, isso equivale a um curto espaço de tempo entre eles. Se você espera que os inversores sincronizem automagicamente entre si ou com a grade, redefina essa expectativa.
Se esse é um empreendimento comercial, por exemplo, operação de ventiladores e bombas em uma mina remota, você investe em equipamentos de nível industrial e paga os preços de hemorragia nasal pelo mesmo. O próprio fato de você estar pensando em queijo barato parece lançar isso como um problema de proprietário.
Casas não fazem isso
Uma das grandes falácias do movimento "eco" é a substituição de unidades, para que você possa manter seus processos exatamente iguais. Remova o fertilizante nitrato e insira o guano do morcego, remova o Roundup e substitua pela marca X, mas continue cultivando exatamente da mesma maneira . Eleve um edifício com peças da marca X em vez da marca Y e reivindique a certificação LEED (porque as peças são LEED), ignorando completamente a proteção da terra, o projeto solar passivo e outros vencedores reais no campo. Essa abordagem é errada. Tragicamente comum, mas errado.
E, honestamente, obtemos isso mais dos pessimistas: olhando para o disjuntor do painel principal 200A, multiplicando por 240 e declarando que precisam de um sistema solar de 48KW, e o pessimista imediatamente lança alguns números para provar que um sistema solar de 48kw é totalmente impraticável. Sem cocô Sherlock . Nesse caso, o pessimista está desviando maliciosamente a substituição de unidades especificamente para assassinar a idéia de que a vida fora da rede é prática .
É claro que agora um sistema solar de 50kw é realmente imaginável, mas ainda é tão ridículo quanto quando o opositor "o propôs" .
Uma casa aleatória sem medidas de conservação consome 1000 watts em média. Isso é de acordo com as empresas de energia, que avaliam as usinas em termos de número de casas atendidas. Esse é um sistema bastante grande (100KWH de bateria para percorrer 100 horas de tempestade), então você pensa em cargas e como minimizá-las, principalmente cargas de vampiros que são 24x7.
A maior carga de vampiros em toda a sua casa é o inversor. Mesmo sem carga, ele queima 1% de sua classificação simplesmente por ser "girado". Então, a 50kw, são 500 watts de potência - lembre-se do que leva uma casa não otimizada média ? Então você já está lá - quão desperdício é isso !? Portanto, é importante manter os inversores de bom tamanho.
E você faz isso pensando cuidadosamente nas cargas , e não tendo um cliente gigante que controla o tamanho do inversor.
Projeto de carga cuidadoso
Aqui está o que você não faz: Evite uma geladeira nova de US $ 600 mantendo a antiga, fazendo com que você precise provisionar uma capacidade fotovoltaica adicional de US $ 3000 para alimentar a coisa ineficiente.
Por exemplo, o calor elétrico do rodapé é o Right Out. Forno elétrico, não; use gás. O calor do edifício deve ser um projeto solar passivo e, em seguida, um sistema solar-térmico ativo. Água quente, solar térmica com tanques de armazenamento.
Há uma exceção: o bombeamento de calor é perfeitamente razoável, porque a eficiência de 20% do painel solar x a eficiência de 300-1000% da bomba de calor> o que você poderia obter com a solar-térmica.
O resultado é a única carga elétrica realmente grande que você esperaria de uma casa fora da rede elétrica: o ar condicionado. O inversor seria dimensionado de acordo .
Como tal, 48V é bastante bateria.
Água quente sob demanda
Eu estive pensando sobre qual carga requer exatamente 50kw por um curto período de tempo , e minha conclusão é "calor sob demanda de água quente". Eu os amo, mas sim. Não ... Apenas não.
Isso viola dois princípios: aquecer com energia fotovoltaica e acionar um inversor para uma carga que não se preocupa com a CA.
No mínimo, você deve desligá-lo diretamente do DC, talvez usando simples conversores de impulso por canal, que só funcionam quando o aquecedor está pedindo calor nesse canal. Mas, como você usaria de 3 a 4 canais de qualquer maneira em um aquecedor grande, basta fazer 3 aquecedores menores - localizados bem na torneira, para reduzir o tempo de espera longo e muito caro da água quente até a torneira (com a água quente do tubo agora cheia sendo abandonada).
A maneira correta de fazer isso é usar a energia solar térmica com um grande tanque de armazenamento, possivelmente aumentado com uma bomba de calor. O tanque de armazenamento é aquecido o mais quente possível (90 ° C, se possível), então é trocado de calor para fazer água quente sanitária ou usado como dissipador de calor para um aquecedor de água com bomba de calor (tanque). As bombas de calor são mais eficientes ao bombear "ladeira abaixo", de modo que o grande tanque solar-térmico de água quente economiza muita energia fotovoltaica, mesmo que não seja usado diretamente.
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A tensão DC ideal também depende do tipo de bateria que você vai instalar. O ácido-chumbo é mais acessível, mas se esgota após ~ 1000 ciclos de descarga e, para um sistema de alta tensão, seria necessário conectar em série um grande número deles. As baterias de íon de lítio existem em configurações de alta tensão (ca 500 V DC), que reduzem significativamente as perdas de fiação, pois as correntes são proporcionalmente mais baixas e têm uma vida útil muito mais longa.
No ano passado, instalei um inversor "blueplanet hybrid 10.0 TL3", 10KW, com faixa de 200 a 900 V DC no lado fotovoltaico e uma bateria de 500 V DC Li-Ion. A bateria é realmente da China (Byd-HV), o inversor é fabricado na Alemanha. A desvantagem é que o firmware para ativar o modo de ilha só estará disponível no final de setembro de 2019 devido a atrasos na certificação ... Fora isso, ele está funcionando perfeitamente desde um ano no modo interativo de grade, e a fiação pode ser feita com Cabos solares de 10mm2 (para minha instalação de 10 KW).
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Você pode definitivamente obter inversores de CA fora da rede maiores. Por exemplo, o SMA Sunny Island chega a 100kW.
https://www.sma-america.com/products/battery-inverters/sunny-island-4548-us-6048-us.html
E sim, eu também hesitaria nos inversores fabricados na China, se você tiver alternativas. Felizmente, neste caso, acho que sim.
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