Aspectos prácticos de la carga de vehículos eléctricos fuera de la red
Resumen de dos artículos publicados en: Charged/Electric Vehicles Magazine. Nº 67 y 68. Escrito por Jeffrey Jenkins.
El santo grial para muchos propietarios de vehículos eléctricos es obtener toda la energía necesaria para la recarga de fuentes de energía renovables, y si bien es difícil justificarlo desde un punto de vista puramente económico si hay energía de la red disponible, para quienes viven fuera de la red será casi necesario depender de fuentes de energía renovables, ya que en este caso, hacer funcionar un generador alimentado con combustibles fósiles es la opción económicamente inviable (excepto de manera ocasional, como es su propósito previsto).
Un sistema de energía fuera de la red consta básicamente de solo cuatro componentes clave:
1) una batería para almacenar energía;
2) una o más fuentes de energía renovables (por ejemplo, paneles solares, turbinas eólicas, turbinas hidroeléctricas);
3) un cargador de entrada de corriente continua (CC) adecuado para dicha fuente; y
4) un inversor de CC a corriente alterna (CA) para alimentar la casa, el cargador de vehículos eléctricos, la bomba de pozo, etc. desde la batería.
Dado que ningún recurso de energía renovable está disponible el 100% del tiempo, probablemente necesitará incorporar un generador de respaldo para abastecer un cargador con entrada de CA, pero la buena noticia es que este generador puede ser mucho más pequeño que si tuviera el tamaño adecuado para alimentar la casa directamente, porque el inversor y la batería de almacenamiento se encargarán de las demandas máximas de energía.
Para dimensionar correctamente un sistema de energía fuera de la red eléctrica, es necesario conocer dos parámetros clave: la potencia máxima demandada por todas las cargas que probablemente funcionen simultáneamente y el consumo de energía diario promedio. La demanda de potencia máxima establece el tamaño mínimo del inversor, obviamente, pero también influye en el tamaño de la batería (las baterías más grandes pueden suministrar más corriente, si todo lo demás permanece igual), el tamaño del cableado, los fusibles/disyuntores, etc.
El consumo de energía promedio determina prácticamente todo lo demás, desde la cantidad de paneles solares o el área barrida por la turbina eólica hasta la capacidad de la batería de almacenamiento y la potencia nominal en comparación con el tiempo de funcionamiento del generador de respaldo, su cargador de CA adjunto, etc.
Una buena forma de obtener valores precisos para estos dos parámetros es con un monitor de energía para toda la casa que utiliza pinzas amperimétricas en cada rama de fase entrante en el tablero principal. Si eso no es una opción (quizás porque la ubicación fuera de la red aún no está en funcionamiento), entonces puede estimar la demanda de energía con reglas generales (por ejemplo, suponga que los electrodomésticos principales consumen el 80% de los amperajes nominales de sus disyuntores), etiquetas de datos de los electrodomésticos e incluso evidencia anecdótica. En cuanto a la estimación del consumo de energía diario promedio, un valor típico, estará en el rango de 10 a 25 kWh por día para la primera persona en la casa, y alrededor de otros 2 a 5 kWh por día para cada persona adicional.
Dado que el tamaño de la batería de almacenamiento se escala directamente con esta cifra, vale la pena determinarla con la mayor precisión. Por último, hay que tener en cuenta la potencia nominal del cargador del vehículo eléctrico y, si dicho vehículo se cargará cuando la fuente de energía renovable no esté produciendo (por ejemplo, de noche con un sistema fotovoltaico), entonces también habrá que añadir el consumo diario típico de su capacidad de batería al de la capacidad nominal de la batería de almacenamiento (en kWh, no Ah, ya que las dos baterías no tendrán el mismo voltaje).
La batería de almacenamiento es lo que hace posible un sistema de energía fuera de la red, por lo que es posiblemente el componente más importante. Los tres parámetros clave a considerar aquí, asumiendo un valor nominal de Vcc= 48 V por ejemplo, son la capacidad de energía en kWh, la clasificación de corriente en función del tiempo (es decir, cuánta corriente se permite en escalas de tiempo de segundos, minutos y horas y/o de forma continua, a menudo expresada en C en lugar de amperios) y la vida útil del ciclo en función de la profundidad de descarga.
En lo que respecta al tamaño de la batería de almacenamiento, cuanto más grande, mejor, si el presupuesto (y el espacio) lo permiten, pero un mínimo práctico es suficiente capacidad de energía para hacer funcionar todo como de costumbre durante al menos 24 horas completas, de modo que si la fuente renovable no produce, no tenga que encender inmediatamente el generador. Para aquellos que quieran cifras más concretas, creo que 200 Ah (a 48 V nominales) es el mínimo indispensable para una sola persona, mientras que 400 Ah permitirían un estilo de vida casi sin preocupaciones (suponiendo que haya suficiente energía renovable disponible para alimentar dicha batería).
Las opciones más comunes de tipo de batería son el fosfato de hierro y litio, todas las demás químicas de iones de litio (incluidas las baterías recicladas de vehículos eléctricos desechados) y, finalmente, el plomo-ácido. Para alcanzar el estándar de facto de 48 V nominales (el voltaje real puede llegar hasta cerca de 58 V, dependiendo de la química de la batería), puede conectar cuatro baterías de 12 V en serie o la cantidad adecuada de celdas desnudas (normalmente 16 para LFP).
Se podría decir que la LFP es la mejor opción para sistemas fuera de la red, ya que tiene una vida útil muy larga (en el rango de 2000 ciclos al 100 % de DoD a 10 000 ciclos o más si se opera en el rango del 80 % del estado de carga hasta el 20 %), y puede tolerar altos consumos de corriente pico y continua de hasta 4 C y 1 C, respectivamente, con un impacto insignificante en la longevidad o la capacidad energética. Hay dos opciones principales de baterías LFP: las que están pensadas como reemplazos directos de las baterías de plomo-ácido; y las baterías de 48 V a medida que están diseñadas específicamente para uso fuera de la red. Los primeros vienen en una amplia gama de clasificaciones de Ah y tienen un BMS interno que protege contra sobrecarga, sobredescarga y sobrecorriente. Estos por lo general carecen de la capacidad de comunicarse con otras baterías en una cadena en serie (u otros dispositivos), ni vienen con ningún medio para monitorear la carga total que entra y sale de la batería.
La primera deficiencia se puede solucionar con un balanceador activo externo (también conocido como ecualizador de carga) que transfiere automáticamente la carga de la batería de mayor voltaje en la cadena en serie a la de menor hasta que todas tengan el mismo voltaje. La última deficiencia se maneja fácilmente con un monitor de batería externo/contador de culombios (idealmente con la capacidad de informar dichos datos a una pantalla remota o un teléfono inteligente a través de Ethernet, Bluetooth o WiFi). Sin embargo, tenga en cuenta que los ecualizadores de carga generalmente tienen clasificaciones de corriente modestas en el rango de 1 A a 10 A, por lo que no pueden corregir un paquete muy desequilibrado, ni uno con una batería que tenga significativamente menos Ah que el resto.
El precio más alto de las baterías de 48 V para montaje en rack se compensará en parte al no necesitar un balanceador externo, por supuesto, además de ser más fáciles de cablear. Probablemente también podrán comunicarse con otras baterías (conectadas en paralelo) y/o dispositivos (por ejemplo, para notificar al inversor que se apague en el DoD mínimo, en lugar de un voltaje mínimo) e incluir alguna forma de monitoreo y/o conteo de culombios, junto con una pantalla local de dicha información. Dicho esto, un monitor de batería externo seguirá siendo más versátil y conveniente, especialmente si las baterías están ubicadas en un edificio diferente.
El peso prohibitivo de las baterías de plomo-ácido es un problema menor en los sistemas fuera de la red que en los vehículos eléctricos y son famosas por no gustarles que se descarguen por debajo del 50% de su capacidad nominal, aunque incluso entonces no se debe contar con más de unos pocos cientos de ciclos de vida. Además, el consumo de corriente continua debe limitarse a una fracción de C (normalmente C/4) para evitar la pérdida de capacidad por el infame efecto Peukert. Esto significa básicamente que una batería de almacenamiento de plomo-ácido tendrá que tener entre 2 y 5 veces más capacidad energética en relación con las baterías de plomo-ácido, lo que elimina efectivamente toda la diferencia de costo entre estas dos químicas.
El siguiente componente clave en un sistema fuera de la red es un inversor, que convierte los 48 Volts cc nominales de la batería de almacenamiento en los 120/240 V CA que requiere la casa, el cargador de vehículos eléctricos, etc. Elimine el tipo más económico de “onda sinusoidal modificada”, ya que su salida es en realidad solo una onda cuadrada de 50/60 Hz con un ciclo de trabajo inferior al 50% que a muchos dispositivos no les gustará (los reguladores de intensidad estándar y los motores de inducción son dos ejemplos notables). El otro tipo crea una onda sinusoidal pura modulando sinusoidalmente el ciclo de trabajo de una onda cuadrada de frecuencia mucho más alta y luego filtrando los componentes de alta frecuencia con una red LC.
La última elección importante a considerar es si optar por un inversor independiente con cargadores de entrada de CC y CA separados, o una unidad que combina una o ambas funciones de carga (este último a menudo se llama un "inversor solar híbrido" o AIO, por All In One). Sin embargo, tenga en cuenta que no desea un inversor "conectado a la red" en un sistema fuera de la red, ya que no funcionará sin la presencia de CA de la red eléctrica. El tipo AIO puede ser un poco menos costoso, porque combina los tres dispositivos en una sola caja, pero su principal ventaja es la capacidad de priorizar si la energía para las cargas de CA proviene de los paneles solares (o, muy raramente, una turbina eólica), la red eléctrica o el generador de CA, o la batería. Esta es una excelente solución para el funcionamiento parcialmente fuera de la red (por ejemplo, el funcionamiento con energía solar durante el día y la red eléctrica por la noche), pero si va a funcionar completamente fuera de la red, hay más flexibilidad en el uso de dispositivos separados, ya que la priorización inteligente no será tan útil.
Nos centraremos en las fuentes de energía renovables en sí.
Por razones prácticas (y de disponibilidad), el énfasis estará en la energía solar, pero también se analizarán brevemente la energía eólica. El principal problema con la energía eólica es que rara vez se justifica económicamente, y la justificación a menudo citada de que el viento puede producir energía cuando la energía solar no puede (por la noche, durante una tormenta, etc.) hace que sea un argumento difícil de sostener. En primer lugar, la velocidad del viento aumenta con la altura y todos los tipos de turbinas eólicas, ya sean de arrastre, como la Savonius, o de sustentación, como el tipo clásico de hélice horizontal, funcionan mejor cuando el flujo del viento no es turbulento (es decir, laminar), por lo que la turbina debe colocarse lo más lejos (y por encima) posible de cualquier obstrucción, incluidos árboles, edificios, etc. El costo de incluso una torre de al menos 10 m de altura será el mismo que el de 6 o más paneles solares montados en el suelo, mientras que el área despejada necesaria para el generador eólico podría soportar fácilmente más paneles, por lo que es mejor comprar los paneles.
En segundo lugar, la mayoría de los generadores eólicos a escala residencial (es decir, en el rango de 200 W a 2 kW de potencia nominal) están diseñados para entregar potencia nominal a una velocidad del viento de 8 m/s, o 28.8 Km/h y la potencia de salida es una función cúbica de la velocidad del viento, por lo que si su velocidad promedio del viento es de solo 4 m/s, entonces prepárese para decepcionarse por una reducción de 8 veces en la producción.
En tercer lugar, las condiciones de viento fuerte son potencialmente un problema aún mayor, tanto por razones mecánicas como eléctricas. Las RPM de la turbina son directamente proporcionales a la velocidad del viento (si el par de frenado, es decir, el consumo de amperaje, es constante), pero generalmente se necesita un viento realmente fuerte (y sostenido) para causar una falla mecánica. Un factor potencialmente más preocupante es que el voltaje generado también es proporcional a las RPM, y es muy posible que pueda aumentar hasta niveles peligrosos durante una tormenta normal. Existen soluciones puramente mecánicas para protegerse contra el exceso de velocidad, como los reguladores y el giro automático (para girar las palas en dirección contraria al viento por encima de ciertas RPM), pero por lo general son demasiado costosas para resultar económicas en turbinas eólicas de pequeña escala, por lo que la solución habitual es simplemente hacer que el controlador de carga sea más tolerante a voltajes de entrada altos (lo que en sí mismo implica una penalización en mayores pérdidas eléctricas) y/o conectar una resistencia de carga adicional para aplicar más par de frenado.
Como la mayor parte del planeta recibe una cantidad decente de luz solar por día (también conocida como insolación), se podría decir que es la opción más práctica entre las fuentes de energía renovable. También es relativamente fácil equilibrar la eficiencia, el área requerida, la complejidad del sistema de montaje, etc., para lograr una cierta cantidad de producción de energía y la producción de energía diaria promedio con energía solar fotovoltaica, y es mucho más fácil aumentar la producción de energía de un sistema fotovoltaico existente en comparación con la energía eólica o hidroeléctrica.
En términos generales, la ubicación ideal para un conjunto de paneles fotovoltaicos tiene una vista despejada hacia el norte durante la mayor parte del día posible (pero al menos durante las horas pico de generación de 10 am a 6 pm), y la mayor cantidad de energía se generará si los paneles siguen al sol a lo largo del día, mientras que el ángulo de inclinación varía a lo largo de cada estación. Dicho esto, estos sistemas de seguimiento solar mecánicamente complejos proporcionan un aumento relativamente modesto en la producción total de energía (entre un 10 y un 20 % es lo habitual) en comparación con sus costos, por lo que montar los paneles en un ángulo de inclinación fijo (aproximadamente el mismo que la latitud) apuntando directamente al norte suele ser la opción más económica.
Las dos opciones de montaje principales son en el suelo o en un techo. El montaje en el suelo es el más flexible con respecto a las consideraciones anteriores de ángulo de inclinación y orientación, pero cualquier obstrucción que pueda hacer sombra a los paneles debe estar más lejos y/o más corta. Los sistemas de montaje en el techo tienden a ser mucho más económicos y la ganancia en altura relaja los problemas de sombreado, pero solo consideraría tal opción si el techo tiene una vida útil superior a los 25 años y, por supuesto, el techo tiene una pendiente aproximadamente igual a la latitud y está orientado al norte. Si la mayor parte del techo está orientada al este y al oeste, es posible dividir los paneles en dos bancos que alimenten controladores de carga separados, partiendo de la premisa de que el conjunto orientado al este proporcionará energía durante más horas por la mañana, mientras que el conjunto orientado al oeste hará lo mismo por la tarde, pero el costo total seguirá siendo mayor que el de un conjunto orientado al norte.
Antes de decidir dónde montar los paneles (en particular, si se trata de un techo), deberá determinar cuántos de ellos serán necesarios para satisfacer su demanda energética diaria promedio, y eso dependerá del valor de insolación, que es la cantidad promedio de horas por día que los paneles fotovoltaicos producirán cerca de su potencia nominal (otro término de búsqueda útil aquí es horas pico de sol).
Para obtener una estimación rápida y aproximada, divida su consumo energético diario promedio por las horas de insolación para obtener el mínimo necesario de energía del panel (tenga en cuenta que esto no tiene en cuenta el envejecimiento del panel, los usos excepcionales, los períodos prolongados de nubosidad, etc.). Por ejemplo, para suministrar 20 kWh por día en promedio en un lugar que recibe 4 horas de sol de insolación, necesitaría un mínimo de 5 kW de capacidad de energía fotovoltaica, que podría provenir de 16 paneles con una potencia nominal de 313 W cada uno, o 12 paneles con una potencia nominal de 417 W cada uno, etc. Puede instalar más paneles que eso, por supuesto, pero hay rendimientos decrecientes más allá de aproximadamente 3 veces el número calculado anteriormente, a menos que tenga la capacidad de la batería de almacenamiento para absorber el exceso de energía y necesite manejar períodos prolongados de nubosidad sin recurrir a un generador de respaldo.
El panel solar típico disponible en la actualidad entregará 36-44 V en circuito abierto y 8-11 A en cortocircuito, mientras que prácticamente todos los controladores de carga (ya sea internos al inversor o independientes) requieren que el voltaje del conjunto fotovoltaico sea más alto que el voltaje de la batería, por lo que cualquier conjunto práctico fuera de la red constará de paneles conectados en serie. Maximizar el voltaje de la cadena minimizará las pérdidas de conducción (I2R) y, dado que prácticamente todos los paneles fotovoltaicos fabricados hoy en día tienen diodos de derivación internos, se elimina el problema de que las celdas (o el panel completo) se vean obligadas a realizar conducción inversa cuando están a la sombra.
El cableado de los paneles en paralelo compensa las grandes oscilaciones de voltaje que resultan del sombreado de uno o más paneles en la cadena por una reducción en la corriente total de la cadena. Sin embargo, los diodos de derivación suelen ser del tipo Schottky con conductores axiales sin ningún disipador de calor además de dichos conductores, por lo que realmente no pueden manejar más de aproximadamente 10 A, especialmente cuando se asan al sol. En consecuencia, dos (o tal vez tres) paneles en paralelo son el límite superior práctico. Si necesita más potencia de la que puede obtener de un circuito abierto de aproximadamente 300 VCC y un cortocircuito de 20 A, simplemente divida el conjunto fotovoltaico en varias cadenas que alimente cada una su propio controlador de carga (que puede alimentar una batería de almacenamiento común). La mayoría de los inversores AIO de mayor potencia tienen dos entradas de conjunto fotovoltaico, de todos modos, por lo que eso da una capacidad práctica de manejo de potencia de 12 kW.
Controlando la carga
El controlador de carga que va entre el conjunto fotovoltaico y la batería es la última pieza clave del equipo a considerar. Como se comentó anteriormente, los inversores híbridos solares/todo en uno tienen un controlador de carga de entrada fotovoltaica integrado (y probablemente incluso dos), y si bien eso es ciertamente conveniente, puede que no sea la solución más flexible y también puede que no haga el mejor trabajo de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT). También existe un argumento convincente de que un inversor independiente, un cargador de batería de entrada de CA y un controlador de carga de entrada fotovoltaica serán menos costosos de mantener si (o cuando) algo falla. La otra preocupación (que no haga un buen trabajo de MPPT) es más difícil de cuantificar en el mundo real a menos que tengas dos cadenas fotovoltaicas idénticas, una alimentando al controlador de carga en el AIO y la otra alimentando a un controlador de carga independiente. Hice exactamente eso, y si bien un conjunto de datos de uno no es confiable, noté que el controlador de carga independiente extrajo constantemente alrededor de un 10% más de energía de su cadena en comparación con el AIO, y también respondió más rápidamente al sombreado intermitente de las nubes que pasaban.
Esa última observación apunta a un algoritmo MPPT mejor/más rápido, que básicamente busca la mejor combinación de voltaje cargado y corriente de salida de los paneles para entregar la mayor potencia, ya que por encima de cierta corriente (que es menor que la corriente de cortocircuito) la potencia de salida comienza a disminuir, y esta corriente es proporcional a la intensidad de la luz que llega a los paneles, de ahí la necesidad de buscarla con frecuencia.
Por último, hay numerosos elementos auxiliares que serán necesarios para un sistema de energía fotovoltaica, incluidos fusibles y/o interruptores con clasificación de CC, combinadores (para conectar en paralelo los paneles a nivel de la cadena) y/o cables en Y (para conectar en paralelo los paneles a nivel del panel, pero asegúrese de que tengan fusibles en línea en cada rama de la Y), pararrayos, conductos y cables, y un montón de conectores fotovoltaicos.
Cuando se suma el costo de todo lo involucrado en un sistema de energía fuera de la red, la economía puede parecer cuestionable, pero es casi seguro que se desvanecerá en insignificancia la primera vez que recargue su vehículo eléctrico con él.
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La publicación de este resumen tiene como único objetivo aportar otra mirada orientativa, de otras latitudes, al tema en cuestión. Para el dimensionamiento e instalación de sistemas de generación de energías renovables, en nuestro país contamos con profesionales altamente especializados a quienes es conveniente consultar.
Ricardo Berizzo
Ingeniero Electricista 2024.-
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