Batera eta Fotovoltaikoaren Energiako Iragazketa Sistemari Egindako Soluzio Modular Berria
1.Sarrera eta Ikerketa-Oinarria
1.1 Energiaren Argiaren Industriaren Uneko egoera
Energiaren argia, berriztagarriena diren iturrietako bat izanik, bere garapena eta erabilera globala energia aldaketaren zentroan dago. Urteak igarotzen dira, munduko politika guztiak ahalbiditu dituztela fotovoltaiko (PV) industria espertu handitan. Estatistikak adierazten dute Txinako PV industriak "12. Garapen Planean" 168 aldiz espertu egin duela. 2015aren amaieran, instalatutako PV kapasitatea 40.000 MW baino gehiagora iritsi zen, hiru urte segidetan lehenean kokatuta, eta geroko espertsioa espero da.
1.2 Lehen Agertzen diren Arazoak eta Teknikoaren Herriko Ekintzak
Garapen azkarra non baita ere, tradiziozko PV energiaren biltegiratzeko sistemak praktikan asko tekniko arazoak aurkitzen dituzte:
- PV Taldea Gaiak: Kargu-tentsio eta indarrari buruzko eskaintza betetzeko, arrunta da PV gelaxka anitz serie eta paralelo konexioan jarri. Egoera horrek osagaian egon baldin badira, "ezberdintasuna" galerei eta hot-spot efektuei eraman dezake, sistema-indarraren sortze-efektibotasuna eta segurtasuna askoz gehiago murriztuz.
- Energia Biltegiratzeko Bateria Pakete Gaiak: Serie eta paralelo konfigurazioek, bateriak balantzeko arazoei ahalbiditzen diete. Eskala handiagoan, bateriak ezberdinak dira, sistema-kompleksutasuna gehitzen du, garrantzitsuak dira kapasitatea jaisten eta biztanlehandia laburtzen, aplikazio handiak erabakitzen dituzte.
- Lehendik Ager daitezkeen Teknologiak: Batzuek proposatu dute pasiboko berdinketa kudeaketa teknikak, baina metodo horiek balantzeko arazoa aldatzen besterik ez dute, moduluen serie konexioak beheko zirkuituetan duen eragina oso kontuan hartzen. Garrantzitsuak dira, PV gelaxkak aukeratzeko zientifikoaren laguntza falta da.
II. Sistema Orokorra eta Topologia
Holaldi honen oinarrizkoa da, modularrak eta eskalagarriak diren topologia elektrikoa eraikitzeko.
2.1 Sistema Hierarkikoaren Osagaiak
Sistema hierarkikoki osatua dago, unitate osoetik hasita, hiru mailara:
- Modulua (Unitate Osoa):
- Osagaiak: PV gelaxka bakarra, bateria biltegiratzeko bakarra (tentsio eta kapasitate berdinekin), 4 indarraren sakelerrak, eta kontrolatzaile independentzia.
- Funtzioa: Unitate autonomoko txikiena, kontrolatzaileak 4 sakelerak kudeatzen ditu, PV gelaxkaren eta bateriaren arteko konektatzea/diskonektatzea independentez, bi osteko funtzionamendu modu batuaren artean.
- Serie-katea:
- Osagaiak: Modulu hauek seriean konexioa egitean sortzen da.
- Funtzioa: Seriearen output tentsioa gehitzen da, beheko DC/DC boost konbertsorren input tentsiora egokitzen du.
- Sistema:
- Osagaiak: Serie-kate asko paraleloan konexioa egiten duten, DC/DC konbertsore baten bidez DC bus komun batera konbentitzen da.
- Funtzioa: DC busa DC karguak zuzenean edota, DC/AC inbertsorearen bidez, AC karguak egiten ditu.
2.2 Nukleoko Avantzuak
Topologia honek, gelaxka mailako kontrol independentez, fisikoki serieko egitura tradiziozkoaren arduradun etengabea eta bateriaren balantzeko arazoak desagertzen ditu. Osagaiak aukeratzeko egokiak, sistema PV gelaxkak Maximum Power Point (MPP) inguru operatzen ditu, MPPT zirkuitu gehigarriak eta Battery Management Systems (BMS) konplexuak beharrez gabe.
III. Monitorizazio Hierarkiko Estrategia
Holaldi honek monitorizazio zehatzeko estrategia hierarkiko bat onartzen du, tokiko mailatik orokorreko mailara.
3.1 Modulu-mailako Monitorizazio Estrategia (Kontrol Autonomoa)
Modulu bakoitzak bere egoera (PV output tentsioa, bateria tentsioa) arabera, osteko 5 funtzionamendu modu batuan autonomoki aldatzen ditu:
|
Funtzionamendu Modua |
Sakelerrak egoera (S1/S2/S3/S4) |
Funtzio Deskribapena |
Aldaketa Arrazoia (adibidez, 3.7V Li-ion) |
|
Modua 1: Konbinatutako Osteko |
ON/ON/ON/OFF |
PV eta bateria karguak osteko. |
Normal U_BAT (3.0V~4.2V) AND sufiziente argi U_pv(oc) > U_BAT + 0.2V |
|
Modua 2: PV Osteko Bakarrik |
OFF/ON/ON/OFF |
Bateria diskonektatuta, PV bakarrik osteko. |
Normal U_BAT BUT moderatu argi U_pv(oc) ≤ U_BAT + 0.2V |
|
Modua 3: Bateria Osteko Bakarrik |
ON/OFF/ON/OFF |
PV diskonektatuta, bateria bakarrik osteko. |
Normal U_BAT BUT no light/nighttime. |
|
Modua 4: Standby/PV Ez Dago Kargatzen |
OFF/OFF/OFF/ON |
Batere diskonektatuta, sistema gainditzen, PV ez dago kargatzen. |
Bateria bete (U_BAT ≥ 4.2V) AND sarrera tentsioa U_in < 16V |
|
Modua 5: PV Kargatzen |
ON/ON/OFF/ON |
Batere diskonektatuta, PV bateria kargatzen du. |
Bateria tentsio baxua (U_BAT < 3.0V) AND argi eskuragarri U_pv(oc) > U_BAT + 0.2V |
3.2 Serie-mailako Monitorizazio Estrategia (Tentsio Koordinaketa Kontrola)
Serie-mailako monitorizazioa DC/DC konbertsorearen sarrera tentsioa (U_in) parametro garrantzitsua bezala erabiltzen du, moduluak konektatzen/diskonektatzen ditu tentsioa estabilizatzeko.
- Kontrol Helburua: U_in DC/DC zirkuituaren baimendutako erabilera tartean mantendu (adibidez, 12V ~ 22V).
- Eragin Muga Logika (adibidez, 24V sistema):
- Tentsio Baxua Muga (16V): U_in < 16V bada, monitorizazio sistema automatikoki seriean dagoen moduluak standby moduan, bateria normala, konektatzeko aginduak eman ditu, DC/DC sarrera tentsio baxua dela eta itzaltzeko saihesteko.
- Tentsio Altua Muga (20V): U_in > 20V bada, modulu berrien konektatzea murriztu behar da U_in DC/DC-en gehieneko sarrera tentsioa gainditu ez dadin.
- Babeslea Muga (12V): U_in < 12V bada, seriea esanguratsu dela uste da, forzalki diskonektatzen du. Modulu guztiak standby moduan joango dira, bateria kopuru handiena bateriak berreskuratu arte.
3.3 Sistema-mailako Monitorizazio Estrategia (Global Babesa)
Sistema-mailako monitorizazioa indarraren kalitatea babesteko, DC bus tentsioa (U_bus) parametro garrantzitsua bezala erabiltzen du.
- Kontrol Logika: DC bus tentsioa denbora errealean monitorizatzen da. Tentsioa behera mugara iritsi (adibidez, 24V sisteman 80%, hau da, 22V), sistema guztian indarraren kalitate gutxi adierazten du. Monitorizazio sistema globala itzaltzeko agindu bat exekutatuko du inbertsore eta kargu gailuak babesteko, AC aldeko indarraren kalitatea lortzeko.
IV. Osagai Garrantzitsuak Hautatzeko Metodoa
PV gelaxkak eta bateria biltegiratzeko arteko egokitze arazoa ebazteko, holaldi honek metodo bat proposatzen du, energia solararen erabilera efektibotasuna maximizatzeko.
- Idea Orokorra: Sistem honetan, PV gelaxkaren tentsioa bateria tentsioak bistaratzen du, beraz, tensio parametroen egokitzea garrantzitsua da.
- Hautapen Modelo: PV gelaxkaren ingeniaritza matematikoko modeluan (temperatura eta irradiazio efektuak kontuan hartuta), sistema efektibotasuna η bateria tentsio U_BAT eta PV gelaxkaren maximum power point tentsio U_mp funtzio gisa lor daiteke.
- Iraultza: 3.7V bateria biltegiratzeko tentsioa 3.9V~4.0V inguru, simulazio emaitzak adierazten dute sistema solarraren erabilera efektibotasuna gehien da PV gelaxkaren U_mp 4.25V inguru denean. Beraz, praktikan, PV gelaxkaren U_mp 4.2V ~ 4.3V tartean kontrolatzen behar da.
V. Emaitzak Esperoak
- Efektibotasuna Handitu Askotan: Modular independente funtzionamenduak serieko egiturak duten "bucket-brigade effect" eta hot-spot arazoen guztiak desagertzen ditu, unitate bakoitzak efizienteki funtzionatzen. Gainera, PV eta biltegiratzearen arteko tentsio egokitze zehatzak, zirkuitu gehigarri gabe, MPPT hurbilko bat lortzen du, indarraren sortze-efektibotasuna handitzen du.
- Zaharregia eta Fiabletasuna Handitu: Modular egitura bateri paketeen ezberdinak eragindako balantzeko arazoak, bateria gainbatu eta gainbatu egiten ditu, sistema osoaren biztanlehandia handitzen du. Monitorizazio hierarkiko estrategia babesa anitz eskaintzen ditu, tokiko mailatik orokorreko mailara, sistema robustotasuna handitzen du.
- Kostu Optimizatua eta Mantentzea Erraza: Diseinu honek MPPT trackers konplexuak eta Battery Management Systems (BMS) beharrez gabe, hardware kostuak murriztu ditu. Bere "Lego-like" egitura instalazioa, mantentzea eta hedatzea errazgarri egin ditu. Modulu bakar baten hutsegiteak ez du sistema osoaren funtzionamendurik eragiten, biztanlehandia totala murriztu du.
