Autor: Kumar V. Mahtani Mahtani (Profesor Ayudante en la Universidad Politécnica de Madrid y Profesor Visitante en la Universidad París-Saclay, Francia)
Tiempo de lectura: 7 minutos
La integración de sistemas de almacenamiento en baterías en centrales solares ha revolucionado el panorama de la energía renovable. Esta combinación no solo resuelve el desafío de la intermitencia de la generación solar, sino que también optimiza la gestión de la energía, permitiendo un suministro más estable y eficiente. Para comprender cómo funciona esta integración, es necesario explorar en detalle las partes que componen el sistema, su funcionamiento y el papel crucial de la electrónica de potencia en la regulación de la carga y descarga de las baterías.
Componentes del sistema: Arquitectura y funcionamiento
La integración de baterías en una central solar implica la coexistencia y cooperación de varios componentes clave, cada uno con una función específica que garantiza un flujo de energía eficiente y controlado.
Paneles solares: Generación de energía primaria
Los paneles solares son la fuente principal de energía en la central. Capturan la radiación solar y la convierten en corriente continua (DC) mediante el efecto fotovoltaico. Esta energía es luego utilizada directamente o almacenada en baterías. La eficiencia de esta conversión depende de factores como la irradiancia solar, la temperatura y el tipo de panel utilizado. Sin embargo, la producción de energía solar es variable y depende de las condiciones climáticas, lo que hace necesario un sistema de almacenamiento para gestionar la producción.
Convertidor boost e inversor solar: Conversión y gestión de energía
El inversor solar es un componente fundamental en cualquier central fotovoltaica. Su función principal es convertir la corriente continua (DC) generada por los paneles en corriente alterna (AC), que es la forma de energía utilizada por la mayoría de los dispositivos y redes eléctricas. Previamente, en la etapa previa DC/DC (convertidor boost), se incorporan algoritmos de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) para optimizar la producción solar en todo momento, crucial en la gestión de la energía,
En sistemas con baterías, el inversor también debe ser capaz de gestionar el flujo bidireccional de energía. Durante la carga de las baterías, el inversor regula el proceso para asegurar que la energía fluya de manera controlada hacia el sistema de almacenamiento. Durante la descarga, el inversor toma la energía almacenada en las baterías y la convierte nuevamente en corriente alterna para su uso.
Convertidor bidireccional (DC/DC): Puente entre paneles y baterías
El convertidor bidireccional es uno de los elementos más importantes en la integración de baterías en una central solar. Actúa como un intermediario entre los paneles solares, las baterías y el inversor, permitiendo el flujo de energía en ambas direcciones. Durante la carga de las baterías, el convertidor regula la tensión y la corriente para evitar sobrecargas y garantizar una carga eficiente. Este control es esencial, ya que una gestión inadecuada puede reducir la vida útil de las baterías o incluso provocar fallos en el sistema.
Durante la descarga, el convertidor asegura que la energía almacenada en las baterías se transfiera de manera controlada hacia el inversor. Este proceso requiere una regulación precisa para mantener la estabilidad del sistema, especialmente si la central está conectada a una red eléctrica que demanda un suministro constante y de calidad.
Banco de baterías: Almacenamiento de energía
El banco de baterías es el componente donde se almacena la energía generada por los paneles solares. Las tecnologías más utilizadas en la actualidad incluyen baterías de ion-litio, plomo-ácido y baterías de flujo. Las baterías de ion-litio son las más populares debido a su alta densidad energética, eficiencia y larga vida útil. Sin embargo, su gestión requiere un control preciso, ya que son sensibles a la temperatura y a los ciclos de carga y descarga.
El almacenamiento de energía en baterías permite a las centrales solares operar de manera más flexible. Durante los períodos de alta producción solar y baja demanda energética, el excedente de energía se almacena en las baterías. Cuando la producción disminuye (por ejemplo, por la noche o en días nublados), la energía almacenada se utiliza para cubrir la demanda.
Sistema de gestión de baterías (BMS): Control y protección
El sistema de gestión de baterías (BMS) es un componente esencial para garantizar la seguridad y eficiencia del sistema de almacenamiento. El BMS monitoriza parámetros críticos como la temperatura, la tensión y la corriente de cada celda de la batería. También se encarga de equilibrar las celdas para evitar desequilibrios que puedan reducir la capacidad o provocar fallos.
El BMS también protege las baterías contra condiciones extremas, como sobrecargas, descargas profundas o sobrecalentamiento. Esta protección es crucial para garantizar una larga vida útil del banco de baterías y para prevenir incidentes que puedan comprometer la seguridad del sistema.
Funcionamiento general del sistema: dinámica de carga y descarga
El funcionamiento de un sistema solar con baterías se basa en un ciclo continuo de carga y descarga, gestionado por la electrónica de potencia.
Durante la carga, el sistema convierte la energía generada por los paneles solares en corriente continua, que se almacena en las baterías a través del convertidor bidireccional. Este proceso debe ser cuidadosamente controlado para evitar sobrecargas. El BMS supervisa el proceso, asegurando que la carga se distribuya de manera uniforme entre las celdas y que se mantenga la temperatura dentro de límites seguros.
Durante la descarga, cuando la demanda de energía supera la capacidad de producción solar, el sistema extrae energía de las baterías. El convertidor bidireccional regula el flujo de energía hacia el inversor, que convierte la corriente continua en corriente alterna para alimentar la carga. Este proceso debe ser igualmente controlado para evitar una descarga excesiva que podría dañar las baterías.
El sistema también puede estar conectado a la red eléctrica, lo que permite diferentes modos de operación. En modo de autoconsumo, la energía generada se prioriza para el consumo local, mientras que en modo de inyección a la red, el excedente de energía se exporta.
Por cierto, fíjate que en este artículo hemos comentado el caso del acoplamiento fotovoltaica-baterías en corriente continua:
Pero acuérdate de que también existe la posibilidad de acoplamiento en corriente alterna:
En otro artículo compararemos estas dos configuraciones.
Conclusión
La integración de baterías en centrales solares representa un avance significativo en la gestión de la energía renovable. La combinación de generación solar con almacenamiento permite superar los desafíos de la intermitencia y garantiza un suministro más estable y eficiente. La electrónica de potencia desempeña un papel crucial en este proceso, permitiendo la regulación precisa de la carga y descarga de las baterías y optimizando la conversión de energía. Para los ingenieros, entender estos sistemas es fundamental para diseñar y operar centrales solares que maximicen la eficiencia y contribuyan a un futuro energético más sostenible.
Fuentes:
Sandelic, Monika & Sangwongwanich, Ariya & Blaabjerg, F.. (2019). Reliability Evaluation of PV Systems with Integrated Battery Energy Storage Systems: DC-Coupled and AC-Coupled Configurations. Electronics. 8. 1059.
Gorji SA, Sahebi HG, Ektesabi M, Rad AB (2019) Topologies and control schemes of bidirectional DC–DC power converters: an overview. IEEE Access 7:117997–118019.
