Energia de reserva para sistemas de energia solar

Cada vez mais lares estão a ser equipados com diferentes tipos de sistemas fotovoltaicos (PV). Os módulos fotovoltaicos modernos já são capazes de converter cerca de 20% da energia solar em eletricidade, o que torna este tipo de geração de eletricidade muito atrativo.

Gerador de energia de reserva para sistemas solares sem e com armazenamento de bateria

O coração do sistema fotovoltaico é o inversor. Existem inversores on-grid, híbridos e off-grid.

Os inversores on-grid e híbridos estão sincronizados com a rede pública e são capazes de alimentar o excesso de energia na rede pública.

O gerador de energia de reserva para sistemas solares não pode substituir a rede pública para inversores on-grid e híbridos, pois não consegue absorver o excesso de energia. O retorno do inversor pode danificar o gerador.

Uma exceção pode ser os inversores, que possuem uma entrada extra para gerador, onde o retorno pode ser 100% evitado por sensores de corrente incorporados. No entanto, tal gerador deve ter parâmetros de tensão que sejam aceitáveis para o inversor, o que nem sempre é o caso com um gerador de energia convencional.

No caso de uma falha de energia, o gerador de energia de reserva em um sistema solar com um inversor on-grid deve apenas fornecer eletricidade aos consumidores que têm direito a energia de reserva, com o inversor e qualquer armazenamento de CA existente permanecendo do lado da rede elétrica pública e sendo desconectados em todos os polos com um interruptor de transferência, para que o gerador não funcione em paralelo com o inversor ou armazenamento de energia de CA.

Diagrama de ligação do sistema de alimentação de reserva de 230V para sistema solar ao utilizar geradores inversores sem função ATS:

É também possível uma comutação automática para o fornecimento de energia de reserva para os consumidores de energia de 230V ao utilizar geradores com função ATS.

Diagrama de ligação do sistema de alimentação de reserva de 230V para sistema solar com o gerador inversor KS 5500iES ATSR com uma unidade ATS externa KS ATS 4/25 Inverter:

Diagrama de ligação do sistema de alimentação de reserva de 230V para sistema solar com o gerador inversor KS 8100iE ATSR com uma unidade ATS externa KS ATS 4/25 Gasolina:

O fornecimento de energia de reserva em todos os casos descritos acima é de 230V. Desta forma, quase todos os consumidores de eletricidade na casa podem ser abastecidos em caso de falha de energia. Consumidores trifásicos (se presentes) devem ser abastecidos separadamente. Consumidores de energia trifásica com controlo eletrónico geralmente necessitam de uma onda senoidal "limpa", que um gerador de energia convencional não pode gerar. Mais informações sobre o fornecimento de energia de reserva de 230V e 400V podem ser encontradas no nosso material informativo.

Se o gerador não for instalado permanentemente ou estiver localizado longe do interruptor de transferência, recomendamos o uso dos nossos geradores inversores únicos com módulo ATS interno. No entanto, isto requer o uso de um interruptor de transferência automática de prioridade externa de um lado.

O gerador monitoriza a tensão na tomada, que está conectada antes do interruptor e protegida por um disjuntor e um RCD ou por um RCBO (proteção contra sobrecarga e contacto num só). Esta tomada sem o gerador conectado pode ser utilizada como uma tomada exterior normal. Esta tomada fica sem energia durante uma falha de energia e isto é crucial para o controlo ATS do gerador. É um sinal para iniciar o gerador.

Diagrama de ligação do sistema de alimentação de reserva de 230V para sistema solar com o gerador inversor KS 6000iES ATS Versão 2, no qual a ENTRADA PRINCIPAL monitoriza os 230V, mas não os encaminha para a saída em modo de espera:

O gerador no diagrama de circuito não está instalado permanentemente, mas ligado à tomada pré-instalada e à entrada CEE 230V 32A conforme necessário. Isto significa que o gerador também pode ser utilizado em movimento, se necessário. Uma instalação fixa é, naturalmente, também possível, mas para isso é necessário um espaço adequado e um sistema de exaustão.

O gerador está ligado ao lado N do interruptor de transferência automática, que possui comutação prioritária, de modo que, quando a energia principal retorna, o interruptor não comuta imediatamente para a rede elétrica, mas apenas quando o gerador desliga a sua saída. O gerador KS 6000iES ATS versão 2 analisa a tensão na sua conexão de ENTRADA PRINCIPAL durante cerca de 1 minuto e só então desliga a saída, permitindo assim a comutação para a fonte de alimentação principal. Isto está em conformidade com a regulamentação segundo a qual um dispositivo de comutação automática não deve comutar para a rede elétrica pública imediatamente, mas com um atraso de 1 minuto.

O funcionamento automático é apenas possível com a versão KS 6000iES 2 (sem comutação da ENTRADA PRINCIPAL para a saída). A função ATS deve ser ativada para que o gerador inicie automaticamente se não houver mais tensão na tomada e, consequentemente, não houver mais tensão na ENTRADA PRINCIPAL.

Inversores híbridos com um sistema de armazenamento DC fotovoltaico mudam para operação de energia de reserva em caso de falha de energia. No processo, a energia fornecida pelas células solares e armazenada na unidade de armazenamento fotovoltaico é consumida.

Os sistemas solares com um inversor híbrido geralmente possuem um banco de baterias com capacidades menores, pois estas destinam-se apenas a armazenar o excesso de energia para uso à noite, etc. Mas o que fazer quando o sol não está a brilhar e a energia armazenada se esgota? Nesse caso, necessita de um gerador.

Neste caso, recomendamos carregar o armazenamento de energia (apenas CC) a partir de um gerador de energia de reserva para que o inversor híbrido possa continuar a fornecer energia à casa como de costume.

O armazenamento de energia é carregado quer a partir de um gerador AC com um carregador, quer a partir de um gerador DC. O carregador ou o gerador DC devem ser compatíveis com o armazenamento de energia fotovoltaica.

Diagrama de ligação do sistema de alimentação de reserva para sistema solar com o gerador inversor KS 6000iES ATS Versão 2, no qual a ENTRADA DE REDE monitoriza os 230V, mas não os encaminha para a saída em modo de espera.

A unidade de controlo de tensão da bateria monitoriza a tensão da bateria e interrompe os 230V para a tomada Schuko se a tensão da bateria cair abaixo do valor definido. O gerador inicia e fornece a tensão AC ao carregador, que por sua vez carrega a unidade de armazenamento de energia para fornecer energia suficiente ao inversor.

O KS 6000iES ATS está equipado com uma bateria de lítio que é carregada enquanto houver 230V presentes na ENTRADA PRINCIPAL ou o gerador estiver em funcionamento. A bateria está sempre carregada e pronta para uso. A bateria de lítio tem pouca capacidade, mas possui uma alta corrente de arranque e é recarregada relativamente rápido após o gerador ser iniciado.

ATENÇÃO!
Tal diagrama de circuito é apenas possível com o gerador KS 6000iES ATS versão 2! Dependendo do design do carregador (dependendo do fator de potência e do tipo de consumo de corrente), a capacidade de carga de acordo com tal diagrama de circuito pode ser de até 2-4 kW.

Em sistemas com gestão de energia, apenas o processo de carregamento do armazenamento fotovoltaico é frequentemente considerado pelo controlador MPPT. Pergunte ao fabricante do seu inversor se o carregamento do banco de baterias a partir de uma fonte de energia DC externa é tecnicamente permitido e não causa erros.

Uma fonte de alimentação DC deste tipo deve funcionar como um módulo de carregamento com uma característica IU, o que torna impossível o uso de uma fonte de tensão DC pura. Tal carregador ou módulo de carregamento deve ter um "Ponto de Potência Máxima" onde a tensão diminui quando a corrente de saída atinge o valor máximo. A tarefa do módulo de carregamento não é carregar completamente a bateria, mas pelo menos parcialmente, para que o fornecimento de energia possa ser mantido. O carregamento completo da bateria é feito a partir de painéis solares através do controlador de carga.

O fornecimento de energia de reserva através do carregamento do armazenamento de baterias apresenta claras vantagens em relação aos consumidores de energia a serem abastecidos. A energia ainda é fornecida com uma onda senoidal "limpa" gerada pelo inversor. A potência máxima ainda é determinada pelos parâmetros do inversor e do armazenamento de energia. O gerador só precisa complementar com energia suficiente.

Em sistemas onde o consumo de energia não é constante (por exemplo, uma casa ou um escritório), o gerador não funcionará continuamente, mas apenas conforme necessário. Após a bateria ter sido carregada até à voltagem definida no monitor de bateria, o gerador desliga-se e os consumidores de eletricidade são alimentados pela bateria através do inversor. Desta forma, é possível um fornecimento ininterrupto de energia a longo prazo, o que é muito importante em caso de uma falha de energia prolongada. O gerador funciona com intervalos e também tem tempo para arrefecer. O combustível é também utilizado de forma otimizada, pois o motor não precisa de funcionar sem carga.

Os inversores off-grid não alimentam a rede pública e apenas fornecem eletricidade aos consumidores conectados. Estes inversores funcionam em conjunto com o armazenamento de energia DC e, geralmente, possuem uma conexão para uma fonte de energia AC externa que pode fornecer energia quando necessário.

Dependendo da configuração do inversor, esta fonte de CA externa também deve ser capaz de fornecer energia suficiente para carregar a bateria. Neste contexto, alguns inversores possuem uma configuração adicional que restringe a potência total que o inversor pode retirar de uma fonte de energia CA externa. Esta potência é então dividida entre o armazenamento de bateria DC e os consumidores de energia a serem abastecidos.

Carregar as baterias com alta potência a partir de uma fonte de alimentação CA tem especificidades que devem ser consideradas, especialmente ao utilizar um gerador. A potência reativa e os processos transitórios gerados durante o processo de carregamento podem danificar o gerador.

A maioria dos carregadores AC/DC ou módulos de carregamento tem um consumo de corrente em forma de pulso no lado AC e carregam o dispositivo de armazenamento de bateria de maneira semelhante a um pulso:

A tensão AC é mostrada em amarelo. No caso de carregadores ou módulos de carregamento sem correção do fator de potência, apenas os máximos da onda senoidal são consumidos.

Carregar a bateria através do módulo de carregamento instalado no inversor muitas vezes apresenta o mesmo problema. A bateria é carregada de forma extremamente impulsiva:

À esquerda, em amarelo, está a tensão da bateria e à direita está a tensão da rede elétrica. Em verde, está a corrente de carga medida no cabo da bateria ao carregar através do inversor.

A corrente de carga de tais módulos de carregamento é regulada pela largura de pulso, o que pode agravar o problema de carga desigual da onda senoidal:

O armazenamento de energia do sistema fotovoltaico é carregado com 100 pulsos por segundo (a uma tensão de 50Hz). Neste caso, o sistema não deve ser calculado apenas com valores RMS, mas também se devem considerar as amplitudes instantâneas.

O consumo de corrente de pulso tem um fator de potência de 0,5-0,7, o que pode levar a uma alta potência reativa. Se alimentar o carregador ou o módulo de carregamento do inversor a partir da rede elétrica, esta é compensada por outros consumidores de eletricidade na rede. É diferente quando se utiliza um gerador.

Um gerador e os consumidores de eletricidade formam um sistema fechado, cujos elementos se influenciam mutuamente, sendo muito importante que se ajustem entre si e que o sistema não oscile.

O consumo de corrente em forma de pulsos significa que, no melhor dos casos, não se pode utilizar mais de metade da potência nominal do gerador e devem ser tomadas medidas adicionais contra os harmónicos causados pelo consumo de corrente em forma de pulsos, a fim de estabilizar o circuito.

Na prática, isso frequentemente leva a uma operação instável do módulo de carregamento e até mesmo a danos ao gerador, como bobinas sobreaquecidas, regulador de tensão avariado ou módulo inversor danificado.

Na maioria dos casos, os inversores fora da rede comutam a fonte de energia externa e carregam-na em pulsos para carregar o seu próprio sistema de armazenamento fotovoltaico, o que pode distorcer a forma de tensão de um gerador convencional a tal ponto que pode afetar consumidores de energia sensíveis.

Recomendamos o uso de geradores inversores como fonte de corrente alternada externa para fornecimento de energia de reserva a partir de inversores fora da rede, que conseguem manter a forma da sua tensão de maneira muito melhor, o que pode ser muito importante para consumidores de eletricidade sensíveis.

Diagrama de ligação do sistema de alimentação de reserva de 230V para sistema solar com o Gerador Inversor KS 6000iES ATS Versão 2, no qual a ENTRADA PRINCIPAL monitoriza os 230V, mas não os encaminha para a saída em modo de espera:

Esta solução deve ser utilizada APENAS com inversores fora da rede e ilhas de energia!

O gerador inversor KS 6000iES ATS versão 2 inicia-se assim que a unidade de controlo de tensão da bateria interrompe a tensão de 230V derivada da saída do inversor para a ENTRADA PRINCIPAL do gerador e para quando esta retorna.

Deve-se notar que o gerador deve fornecer energia tanto para os consumidores de eletricidade a serem abastecidos quanto para o carregamento do dispositivo de armazenamento de eletricidade.

No caso de soluções fora da rede com um inversor fora da rede, o armazenamento de energia (DC) pode ser carregado por um gerador + carregador, tal como em sistemas com inversores híbridos. Desta forma, o fornecimento de energia trifásico do inversor pode continuar a funcionar.

Diagrama de ligação do sistema de alimentação de emergência para sistema solar com o Gerador Inversor KS 6000iES ATS Versão 2, no qual a ENTRADA PRINCIPAL monitoriza os 230V, mas não os encaminha para a saída em modo de espera:

O armazenamento de bateria DC também pode ser carregado diretamente a partir de um gerador DC adequado, se isso for tecnicamente possível para o respetivo sistema fotovoltaico.

Exemplo de utilização do KS 48V-DC numa solução de ilha de energia:

Exemplo de utilização do KS 48V-DC com um inversor híbrido com armazenamento de energia de 48V:

O gerador de corrente contínua está ligado diretamente ao dispositivo de armazenamento de energia de 48V para o carregar diretamente.

O KS 48V-DC pode monitorizar a tensão da bateria por si só ou ser controlado externamente por contactos "secos".

O gerador inicia em modo AUTO quando o valor de tensão inferior de 48V é atingido, carrega a bateria com a tensão até 54V e com a corrente até 70A e desliga-se quando a tensão atinge 53,5-54V e a corrente de carga cai abaixo de 20A. O gerador também pode ser iniciado e parado manualmente ou externamente por contactos PF, permitindo diferentes aplicações e integração em sistemas existentes. O gerador não possui bateria própria e utiliza a energia da bateria a ser fornecida para iniciar em modo AUTO e CONTROLO EXTERNO. O arranque manual com o arrancador de corda também é possível.

Exemplos de armazenamento de baterias de 48V DC suportado:

1. 4 baterias AGM conectadas em série com a faixa de tensão aprox. 48-54V
2. Baterias com 14 células de LiIon conectadas em série com a faixa de tensão aprox. 47-56V
3. Baterias com 16 células LiFePo4 conectadas em série com a faixa de tensão aprox. 48-54V
4. Baterias com 15 células LiFePo4 conectadas em série com a faixa de tensão aprox. 45-51V (modo de CONTROLO EXTERNO recomendado).

Dependendo do armazenamento de energia e do inversor, deve ser utilizado o modo AUTO ou CONTROLO EXTERNO. A função do gerador é servir como fonte de energia de reserva e, se necessário, carregar alguns kWh de energia no armazenamento de bateria DC para que os consumidores de energia a serem alimentados pelo inversor permaneçam abastecidos mesmo quando há pouca energia do sol e sem energia da rede DSO (solução de ilha de energia ou falha da rede elétrica). Assim, o gerador geralmente funciona cerca de 1-2 horas e é desligado. A casa é alimentada pelo armazenamento de bateria DC, que também pode compensar picos de energia quando o gerador está em funcionamento.

Uma casa geralmente consome apenas algumas centenas de watts continuamente e só quando um dispositivo potente é ligado é que o consumo de eletricidade aumenta em alguns kW, momento em que a energia pode vir tanto do gerador quanto do armazenamento de bateria, pois ambos funcionam em paralelo. Desta forma, o consumo de energia pode, por um curto período, exceder a capacidade do gerador e o fornecimento de energia para a casa pode continuar como de costume.

O gerador em modo AUTO desliga-se quando a corrente cai abaixo de 20A. Tempo de resposta cerca de 30 segundos. Se o consumo de energia na casa estiver constantemente acima de 1 kW, recomendamos utilizar o modo de CONTROLO EXTERNO ou desligar o gerador manualmente.

Graças aos diferentes modos de operação, o gerador pode ser integrado em diferentes sistemas de fornecimento de energia.

Um gerador de corrente contínua é muito mais eficiente em termos de combustível e permite um fornecimento ininterrupto de energia de reserva por vários dias, pois o gerador funciona em intervalos e tem tempo suficiente para arrefecer.

O gerador DC desempenha a mesma função que um painel solar + controlador de carga e é muito mais eficaz do que a combinação "gerador AC + carregador". A corrente de carga do gerador DC não é impulsiva (há apenas ondulação) e, assim, no mesmo máximo, atinge-se um valor eficaz muito mais elevado, o que é também muito importante para baterias e controladores BMS (para baterias de lítio).

O gerador DC possui múltiplos enrolamentos e controlo eletrónico, o que torna a corrente de saída muito mais suave. É assim que a corrente de carga (em verde) de uma bateria LiFePo4 (um caso extremo) a 40A e 70A de corrente (valor eficaz) se apresenta:

A ondulação da tensão de saída do gerador DC é baixa, o que ainda pode causar ondulação na corrente de carga de uma bateria LiFePo4. À medida que a corrente de carga aumenta, a diferença entre a própria tensão da bateria e a tensão do gerador aumenta, o que pode levar a uma redução na ondulação da corrente de carga.

Um gerador de corrente contínua para carregar as baterias é uma boa solução sob todos os pontos de vista e, em alguns casos, não há melhor alternativa, se é que existe alguma.

Vários KS 48-DC podem ser conectados em paralelo para aumentar o desempenho geral ou para garantir o fornecimento de energia por um período de tempo mais longo.

Todos os KS 48-DC estão ligados ao barramento de 48V, ao qual também estão conectadas outras fontes de corrente contínua, armazenamento de energia e inversores.

Dependendo da potência necessária, um determinado número de geradores pode ser ativado por controlo externo, funcionar alternadamente, etc.

Se todos os geradores de corrente contínua (DC) conectados ao barramento de 48V estiverem no modo AUTO, apenas um gerador será iniciado, com a eletrónica de controlo a reagir um pouco mais cedo, e os outros só serão iniciados se necessário, por exemplo, se a potência do primeiro gerador não for suficiente e a tensão de armazenamento da bateria continuar a cair, ou se ocorrer uma falha no primeiro gerador. Assim, os geradores de corrente contínua apoiar-se-ão mutuamente, por assim dizer, para manter a tensão no barramento de 48V.
Esta propriedade é muito importante em sistemas onde são necessários vários kW de potência. Basta utilizar vários KS 48-DC para cobrir de forma segura a necessidade de potência. Parte dos geradores pode permanecer como reserva caso um dos geradores DC ativos apresente uma avaria (por exemplo, falta de gasolina).

Aqui está um exemplo de como utilizar vários KS 48-DC ao mesmo tempo:

Aviso Legal

Estas instruções devem ser consideradas apenas como uma recomendação, são ilustrativas e devem ser adaptadas às circunstâncias e condições locais exatas durante a instalação. A própria instalação deve ser realizada em conformidade com todas as normas e regulamentos. Não assumimos responsabilidade por instalações incorretas e suas consequências.