Lecciones aprendidas de la instalación de almacenamiento de energía de batería en un conjunto fotovoltaico existente

Por qué tiene sentido adaptar la energía de la batería a los conjuntos fotovoltaicos existentes y cuáles son algunos de los desafíos que se deben superar al hacerlo, tal como lo explica una importante empresa de servicios públicos que realmente lo ha hecho.

Artículo de | Alençon Systems

Solar más almacenamiento. Si está en el negocio de la energía, no solo en el negocio de la energía alternativa, es un término que probablemente escuche todos los días. Tal vez incluso varias veces al día. Un objetivo lógico para acoplar baterías con energía solar se esconde a simple vista: nuestros gigavatios de recursos fotovoltaicos ya instalados. Duke Energy, una de las empresas de servicios públicos más grandes de EE. UU., con sede en Carolina del Norte, busca aprovechar esta oportunidad. Duke ha instalado almacenamiento de energía en algunos de sus conjuntos fotovoltaicos existentes con miras a hacer más en el futuro.

En este artículo, desglosamos los aprendizajes obtenidos de estos esfuerzos con Tom Fenimore, Desarrollo comercial de Duke Energy en Charlotte, Carolina del Norte. Fenimore ha liderado varios de estos esfuerzos para Duke y ha optado por compartir su experiencia con la ejecución de tales proyectos en beneficio de la industria en general. Ese conocimiento incluye los incentivos para instalar almacenamiento en plantas fotovoltaicas existentes y los desafíos prácticos y técnicos que se deben tener en cuenta al hacerlo (¡así como algunas soluciones a esos desafíos!).

Según su sitio web, para fines de 2020, Duke Energy tendrá más de 15 GW de energías renovables en su cartera de generación de energía, una parte importante de la cual, por supuesto, incluye energía solar.

"A medida que más energías renovables ingresen a un circuito, aumentará la necesidad de optimizar ese circuito, a partir de la necesidad de proporcionar estabilización de voltaje y frecuencia. Una de las formas más fáciles de hacerlo es utilizar el almacenamiento de energía y permitir que ese almacenamiento interactúe. con la energía solar, explica Fenimore: "Proporcionar estabilidad a la red es una parte explícita de nuestra carta como empresa de servicios públicos regulada".

La mayor parte del territorio de servicio regulado de Duke Energy se encuentra en el estado de Carolina del Norte. Carolina del Norte ocupa el segundo lugar en la nación, solo después de California, en términos de energía solar fotovoltaica instalada. Una de las principales diferencias entre Carolina del Norte y California es que la energía solar en la azotea es una parte muy pequeña de las instalaciones solares de Carolina del Norte, lo que significa que las plantas fotovoltaicas suelen ser sistemas más grandes montados en el suelo. Este hecho significa que cada instalación fotovoltaica es un mayor contribuyente individual a la energía en un circuito de distribución o transmisión determinado.

Cuando buscan agregar almacenamiento a los activos fotovoltaicos existentes, los propietarios de sistemas como Duke Energy tienen dos opciones: acoplamiento de CA o CC. El acoplamiento de CA del almacenamiento solar y de energía se logra cuando los paneles solares y las baterías están conectados en el lado de CA del inversor, es decir, "detrás del inversor". Por el contrario, en una topología acoplada a CC, la energía solar y el almacenamiento están conectados en el lado de CC del inversor, es decir, "frente al inversor".

Si bien puede haber razones viables para usar el enfoque acoplado de CA o CC para diferentes aplicaciones de almacenamiento solar plus, cuando se trata de instalar almacenamiento en sistemas fotovoltaicos existentes, el Sr. Fenimore cree que el acoplamiento de CC presenta algunas ventajas muy convincentes para el acoplamiento de CA.

Una de las principales ventajas que ofrece el acoplamiento de CC como técnica para integrar el almacenamiento en las plantas fotovoltaicas existentes es la oportunidad de aprovechar la tendencia de relaciones CC:CA cada vez mayores. La relación CC:CA se refiere a la cantidad de paneles fotovoltaicos instalados en relación con la placa de identificación de CA del inversor, que está dictada por el tamaño de la interconexión de CA a la red de distribución de energía.

En los últimos años, debido a la caída del precio de los paneles fotovoltaicos y la mejora de la tecnología de inversores, ha habido una tendencia a aumentar las relaciones CC:CA. Hace años, las plantas fotovoltaicas se diseñaron con relaciones DC:AC modestas, normalmente entre 1,05 y 1,1. Con base en los factores que se acaban de explicar, en años más recientes, las proporciones CC:CA para plantas solares de mayor escala han aumentado entre 1,5 y 1,8 CC:CA. Hay algunos inversores fotovoltaicos incluso capaces de manejar sobreconstrucciones de CC de dos veces la capacidad fotovoltaica de la capacidad nominal de CA de la planta. Puede obtener más información sobre las consideraciones de la relación CC: CA en este artículo reciente.

Todo ese exceso de energía fotovoltaica conduce a la posibilidad de grandes cantidades de energía potencial recortada, es decir, la producción fotovoltaica es restringida por el inversor cuando la generación fotovoltaica supera la potencia nominal del inversor. La técnica de acoplamiento de CC de combinar energía solar y almacenamiento permite que el exceso de generación se desvíe a una batería durante los períodos de sobreproducción. Esta generación capturada puede luego descargarse más tarde en el día o en la noche para suavizar la producción de una planta fotovoltaica, convirtiendo un recurso de energía intermitente como la energía solar en uno verdaderamente gestionable. Cuando usted es una empresa de servicios públicos regulada que contrata a millones de usuarios finales para garantizar que las luces se enciendan cada vez que activan un interruptor en su hogar o negocio, es fundamental poder controlar con precisión el despacho de su capacidad de generación. El acoplamiento de CC de energía solar y almacenamiento ayuda a ofrecer a Duke Energy este beneficio.

Además de la oportunidad de capturar lo que de otro modo podría ser energía recortada (es decir, desechada), el acoplamiento de CC también ofrece al propietario del sistema algunos beneficios financieros únicos. De acuerdo con las regulaciones gubernamentales actuales, el almacenamiento de energía solo puede reclamarse bajo el crédito fiscal a la inversión (ITC) cuando se carga directamente desde el PV.

"La clave para instalar con éxito el almacenamiento de energía es hacerlo con impuestos favorables u otros beneficios financieros. Una vez que descubramos cómo hacerlo como una industria con regularidad, realmente veremos cómo se mueve la aguja", explica Fenimore. "Uno de los desafíos que hemos tenido con el almacenamiento es capitalizar los créditos fiscales a la inversión. El acoplamiento de CC permite que eso suceda más fácilmente que el acoplamiento de CA porque solo podemos cargar la batería desde la energía solar. Hacerlo lo convierte en una clara caso desde una perspectiva financiera de donde provienen los kilovatios hora que cargan la batería".

Al igual que muchos proyectos nuevos, si bien la instalación de baterías en un conjunto fotovoltaico existente mediante el acoplamiento de CC tiene mucho sentido, "siempre parece más fácil en el papel", señala Fenimore.

"Uno de los desafíos para ejecutar una actualización de almacenamiento acoplada a CC en una planta fotovoltaica existente es comprender y manejar las prácticas de cableado del sitio existente y toda la infraestructura física. Siempre es más fácil en un diagrama de bloque. Una vez que ingresa el campo puede ser más difícil hacer que todo funcione", explica Fenimore.

Uno de esos desafíos imprevistos, el problema de incorporar baterías flotantes en un conjunto fotovoltaico conectado a tierra, surgió en una actualización de almacenamiento que Duke Energy ejecutó en 2019 en su planta de McAlpine Solar.

"Nos encontramos con el problema del almacenamiento de acoplamiento de CC con paneles solares conectados a tierra positivamente. Superar ese desafío requirió la instalación de optimizadores de CC aislados galvánicamente de Alencon Systems para crear una tierra flotante entre los sistemas fotovoltaicos y las baterías. Eso fue completamente inesperado cuando comenzamos ", explica Fenimore.

"Los paneles requerían esta necesidad imprevista. Inicialmente, pensamos que podíamos superar este problema simplemente haciendo cambios en el nivel del inversor. Resultó que la única solución era crear aislamiento entre el conjunto fotovoltaico y las baterías. La era de la energía solar La fabricación de módulos puede complicar la instalación de almacenamiento en un conjunto fotovoltaico existente".

Figura 1 En 2019, Duke Energy implementó un sistema de almacenamiento solar plus acoplado a CC mediante el cual instalaron un sistema de almacenamiento de energía de batería en un conjunto fotovoltaico existente. Una clave técnica para hacerlo fue la instalación de optimizadores de CC-CC con aislamiento galvánico de Alencon para aislar el sistema fotovoltaico con conexión a tierra positiva de las baterías flotantes en un bus de CC común.

Como se mencionó anteriormente, una de las lecciones técnicas aprendidas por Duke Energy en su última modernización o almacenamiento acoplado a CC de almacenamiento en una planta fotovoltaica existente es la necesidad de aislar la conexión a tierra del sistema fotovoltaico de la batería recién instalada. Por lo general, esto no es un problema con los sistemas de almacenamiento solar plus acoplados a CA, ya que los inversores individuales detrás de la energía fotovoltaica y las baterías crean este aislamiento de conexión a tierra automáticamente.

Para desglosar este desafío con mayor detalle, los sistemas fotovoltaicos instalados, en particular los conectados a inversores centrales, generalmente están conectados a tierra. En muchos casos, los sistemas fotovoltaicos instalados están conectados a tierra negativamente. En el caso del reciente proyecto McAlpine de Duke Energy, la planta fotovoltaica existente tenía una cosecha más antigua de paneles SunPower que tenían un requisito de conexión a tierra positivo. Es posible que los paneles fotovoltaicos deban conectarse a tierra por varias razones, incluida la necesidad de mantener su rendimiento durante veinte a veinticinco años y protegerse contra condiciones como la degradación inducida potencial (PID).

Figura 2 Una llamada típica que se encuentra en los dibujos construidos en sistemas fotovoltaicos instalados más antiguos con paneles SunPower. Dichos avisos indican la importancia de mantener el arreglo en una configuración positiva a tierra. Por el contrario, generalmente se requiere que las baterías floten por motivos de seguridad.

Por otro lado, los sistemas de almacenamiento de energía de la batería deben tener terrenos flotantes. La necesidad de terrenos flotantes es un requisito de seguridad clave para las baterías. Específicamente, este requisito es necesario con sistemas de baterías grandes porque tener una tierra flotante permite que ocurran dos fallas para que surja una situación de seguridad grave. Al permitir dos fallas, la primera falla puede ser detectada por los sistemas de detección de fallas a bordo y desconectar la batería de manera segura antes de que ocurra un problema. Dado que se está prestando toda la atención a los incendios de ESS a raíz de los recientes incidentes en Corea del Sur, Arizona y otros lugares, es fundamental prestar atención a las pautas de seguridad de los fabricantes de baterías.

Figura 3 El aislamiento galvánico se usa cuando dos o más circuitos eléctricos deben comunicarse, pero sus conexiones a tierra pueden tener diferentes potenciales. Los convertidores CC-CC de Alencon Systems constan de un inversor y una sección de rectificador con un transformador de aislamiento entre ellos para lograr un aislamiento galvánico total entre la entrada y la salida. La aplicación de electrónica de potencia de carburo de silicio permite que los dispositivos de Alencon sean muy eficientes y pequeños.

El aislamiento galvánico se utiliza cuando dos o más circuitos eléctricos deben comunicarse, pero sus conexiones a tierra pueden tener diferentes potenciales. El aislamiento galvánico es un método efectivo para romper los bucles de tierra al evitar que fluya una corriente no deseada entre dos unidades que comparten un conductor de tierra. Cuando CC acopla energía solar y almacenamiento, se requiere un convertidor CC-CC para mapear las diferencias de voltaje entre el sistema fotovoltaico y la batería. Un convertidor CC-CC aislado galvánicamente, como los fabricados por Alencon Systems, tiene el doble propósito de mapear el voltaje fotovoltaico al voltaje de la batería mientras aísla los esquemas diferenciales de conexión a tierra que podrían estar presentes. En el caso de los productos de Alencon, pueden lograr este beneficio en un paquete muy compacto y eficiente mediante la aplicación de electrónica de potencia de carburo de silicio de última generación.

Figura 4 Los convertidores CC-CC de Alencon sirven para mapear los voltajes diferenciales entre los sistemas fotovoltaicos y las baterías colocadas en el mismo bus de CC. Este mapeo se demuestra arriba.

A medida que más energía fotovoltaica ingrese a la red eléctrica, habrá una mayor necesidad e incentivo para emparejar baterías con nuestros recursos fotovoltaicos ya instalados para asegurar el funcionamiento confiable de la red eléctrica y mantener la viabilidad de fuentes limpias de generación para ayudarnos a ganar nuestra batalla contra cambio climático. Sin embargo, la forma en que logramos estos beneficios no está exenta de desafíos técnicos. Afortunadamente, existen soluciones tecnológicas escalables y comercializadas para resolver estos problemas. Uno de esos desafíos es la necesidad de combinar sistemas fotovoltaicos conectados a tierra con baterías flotantes, que se pueden superar mediante la aplicación de convertidores CC-CC con aislamiento galvánico de Alencon Systems. Afortunadamente, los innovadores como Duke Energy están abiertos a compartir sus experiencias para superar estos desafíos.

Alencon Systems es el principal fabricante de optimizadores de CC:CC de alta potencia y alto voltaje para aplicaciones de energía alternativa que incluyen energía solar, almacenamiento de energía en baterías, microrredes, celdas de combustible y carga de vehículos eléctricos. Las ofertas de convertidores CC:CC de Alencon incluyen los convertidores CC:CC de las series SPOT, BOSS y CUBE.

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