I pannelli solari generano elettricità quando c'è luce solare, ma la produzione di energia solare non sempre coincide con il momento in cui è necessaria l'elettricità. Una batteria solare ad alte prestazioni risolve questo problema immagazzinando l'energia solare in eccesso e rendendola disponibile in un secondo momento, ad esempio di notte, durante i periodi di scarsa produzione solare o in caso di interruzione di corrente.
Ma come funziona una batteria solare con pannelli solari e un inverter?
In un tipico sistema solare con accumulo, i pannelli solari generano elettricità in corrente continua, l'inverter gestisce e converte l'elettricità e la batteria immagazzina l'energia in eccesso per un utilizzo successivo. Il modo esatto in cui questi componenti interagiscono dipende dal fatto che il sistema sia connesso alla rete, isolato o ibrido, nonché dalla sua configurazione.
1. Takeaways chiave
- I pannelli solari convertono la luce del sole in elettricità continua.
- A inverter solare Converte e gestisce l'energia elettrica per i carichi, la batteria e la rete elettrica, ove applicabile.
- Una batteria solare immagazzina l'energia solare in eccesso per utilizzarla quando la produzione di energia solare è insufficiente.
- Gli inverter ibridi e off-grid sono in grado di gestire il flusso di energia tra pannelli solari, batterie, carichi e rete elettrica.
- Batterie LiFePO4 Sono ampiamente utilizzati per l'accumulo di energia solare grazie alla loro lunga durata, all'elevata capacità utilizzabile e alla buona stabilità termica.
- Le moderne batterie al litio ferro fosfato (LiFePO4) possono raggiungere oltre 6,000 cicli di carica e scarica in determinate condizioni operative.
- Profondità di scarica (DoD) determina quanta della capacità nominale di una batteria può essere utilizzata.
- La batteria e l'inverter devono essere correttamente abbinati in termini di tensione, potenza, limiti di carica e scarica e compatibilità di comunicazione.
- Un sistema solare ibrido progettato correttamente può fornire energia di riserva durante le interruzioni o i cali di tensione della rete elettrica, se supportato da un inverter e da una configurazione di backup adeguati.
2. Principali tipologie di SPS
Prima di capire come funziona una batteria solare, è utile comprendere i tre principali tipi di sistemi di energia solare: connessi alla rete, isolati e ibridi, e il ruolo del net metering nei sistemi connessi alla rete.
2.1. Sistema solare in rete
Un impianto solare connesso alla rete è collegato alla rete elettrica pubblica. I pannelli solari generano elettricità durante il giorno e l'inverter la converte in corrente alternata per alimentare utenze domestiche o commerciali.
Quando la produzione di energia solare è superiore al fabbisogno elettrico dell'edificio, l'energia elettrica in eccesso può essere immessa nella rete elettrica nazionale. Nelle regioni in cui è disponibile il net metering o un programma simile di immissione in rete, l'energia elettrica immessa in rete può essere accreditata secondo le normative del fornitore di energia locale.
Quando la produzione di energia solare è insufficiente, l'elettricità può essere prelevata dalla rete per soddisfare il fabbisogno dell'edificio.
I sistemi on-grid tradizionali generalmente non richiedono una batteria perché la rete elettrica pubblica può fornire energia quando la produzione di energia solare è insufficiente. Tuttavia, un sistema on-grid standard senza batteria di riserva in genere non è in grado di continuare ad alimentare i carichi durante un'interruzione di corrente o un calo di tensione.
2.2. Sistema solare off-grid
Un impianto solare off-grid funziona indipendentemente dalla rete elettrica pubblica. Viene comunemente utilizzato in aree remote dove l'elettricità di rete non è disponibile o non è affidabile.
Poiché non esiste una rete elettrica che fornisca energia dopo il tramonto o durante i periodi di bassa produzione solare, un sistema off-grid richiede in genere pannelli solari, batterie e un inverter.
La batteria immagazzina l'energia generata durante i periodi di buona insolazione e fornisce elettricità quando i pannelli solari non riescono a produrre energia a sufficienza.
Nelle località prive di un accesso affidabile alla rete elettrica, un impianto solare autonomo di dimensioni adeguate può fornire una fonte di elettricità più indipendente.
2.3. Sistema solare ibrido
Un sistema solare ibrido combina pannelli solari, un sistema di accumulo a batteria, un inverter e una connessione alla rete elettrica.
Durante il giorno, l'energia solare può alimentare i carichi e caricare la batteria. Quando la produzione di energia solare è insufficiente, il sistema può utilizzare l'energia immagazzinata nella batteria o l'elettricità proveniente dalla rete, a seconda della configurazione del sistema e delle impostazioni operative.
Un sistema ibrido può offrire una maggiore flessibilità energetica e, se supportato da un inverter e una configurazione di backup adeguati, può anche fornire alimentazione di riserva durante interruzioni o cali di tensione della rete elettrica.
3. Tipi di SPS in sintesi
Confronto tra sistemi di energia solare connessi alla rete, autonomi e ibridi, che illustra il ruolo dei pannelli solari, delle batterie, degli inverter e della rete elettrica.
Tra queste tre tipologie di sistemi, le batterie rivestono un'importanza particolare nei sistemi solari off-grid e ibridi.
Quindi, come funziona concretamente la batteria in combinazione con i pannelli solari e l'inverter?
4. Come funziona ciascuna parte?
Un sistema solare con accumulo può essere compreso attraverso il flusso di elettricità:
Solar panels → Inverter → Electrical loads
Quando i pannelli solari generano più elettricità di quanta ne richiedano i carichi del momento:
Excess solar energy → Battery → Stored energy
In seguito, quando la produzione di energia solare diminuirà:
Battery → Inverter → Electrical loads
L'inverter funge da componente centrale per la gestione dell'energia, controllando il flusso di elettricità tra i pannelli solari, la batteria, i carichi e la rete elettrica, ove applicabile.
4.1. Generazione di elettricità
I pannelli solari utilizzano celle fotovoltaiche per convertire la luce solare in energia elettrica. L'elettricità generata dai pannelli fotovoltaici è in corrente continua (CC). Tuttavia, la maggior parte degli elettrodomestici e degli apparecchi commerciali utilizza corrente alternata (CA).
La capacità dei pannelli solari e la produzione effettiva di energia dipendono da diversi fattori, tra cui:
- capacità del sistema fotovoltaico
- Irradiazione solare
- Ore di punta del sole
- Orientamento e inclinazione del pannello
- Ombreggiatura
- La temperatura
- Efficienza e perdite del sistema
Ad esempio, un impianto solare residenziale può utilizzare più pannelli solari ad alta efficienza per generare energia elettrica sufficiente ad alimentare gli elettrodomestici durante il giorno, producendo al contempo un surplus di energia per la ricarica delle batterie.
Tuttavia, la semplice installazione di un maggior numero di pannelli solari non garantisce automaticamente migliori prestazioni del sistema. L'impianto fotovoltaico deve essere adeguatamente abbinato all'inverter e alla batteria.
4.2. Conversione dell'energia
L'inverter è uno dei componenti più importanti in un sistema di accumulo di energia solare.
Un inverter convenzionale connesso alla rete converte principalmente l'elettricità in corrente continua (CC) proveniente dai pannelli solari in elettricità in corrente alternata (CA). Un inverter ibrido, invece, può svolgere ulteriori funzioni di gestione dell'energia.
A seconda della configurazione del sistema, un inverter ibrido può gestire il flusso di elettricità tra:
- Pannelli solari
- Batteria solare
- Carichi domestici o commerciali
- Rete di utilità
Ad esempio, quando i pannelli solari generano energia sufficiente, l'inverter può dare priorità all'energia solare per i carichi. In caso di produzione di energia solare in eccesso, può indirizzare l'elettricità in surplus alla batteria per la ricarica.
Quando la produzione di energia solare diminuisce, l'inverter può prelevare elettricità dalla batteria e convertirla in corrente alternata utilizzabile.
Molti inverter ibridi e off-grid utilizzano anche la tecnologia MPPT (Maximum Power Point Tracking) per ottimizzare il punto di funzionamento dei pannelli solari ed estrarre in modo efficiente l'energia solare disponibile.
4.3. Immagazzina l'energia in eccesso
La batteria solare è il componente di accumulo energetico del sistema. Durante le giornate di sole, i pannelli solari possono generare più elettricità di quanta ne consumi l'edificio. Invece di utilizzare tutta questa elettricità immediatamente, l'energia in eccesso può essere utilizzata per caricare la batteria.
Per esempio:
Solar panels generate 6 kW → Loads use 3 kW → Approximately 3 kW is available for battery charging
La potenza di carica effettiva dipenderà dall'inverter, dalla batteria, dalla potenza erogata dai pannelli fotovoltaici e dalla configurazione del sistema.
Più tardi, in serata:
Solar production decreases → Battery discharges → Inverter supplies the loads
Ciò consente di utilizzare l'elettricità generata durante le ore diurne anche dopo il tramonto.
5. Batteria di notte?
Dopo il tramonto, i pannelli solari smettono normalmente di generare una quantità significativa di elettricità. In un sistema di accumulo a batteria, l'inverter può prelevare l'energia immagazzinata nella batteria e convertirla in corrente alternata per i carichi collegati.
Ad esempio, un'abitazione può utilizzare l'energia immagazzinata nelle batterie per alimentare elettrodomestici essenziali come:
- Illuminazione a LED
- Frigoriferi e congelatori
- Fan
- Condizionatori
- Router Wi-Fi
- computer
- televisori
- Altri elettrodomestici
Quando si dimensiona un sistema di accumulo solare, è fondamentale considerare i condizionatori d'aria. Nei climi caldi e durante l'estate, un condizionatore può diventare uno dei maggiori consumatori di energia elettrica in una casa. Anche il suo compressore potrebbe richiedere una maggiore potenza all'avvio, quindi è necessario valutare sia la potenza continua e di picco dell'inverter, sia la capacità di scarica della batteria.
La possibilità che una batteria solare possa alimentare un condizionatore d'aria, e per quanto tempo, dipende dal consumo energetico del condizionatore, dalle ore di funzionamento, dalla capacità della batteria, dalla capacità dell'inverter e dall'energia disponibile dai pannelli solari.
La durata di autonomia della batteria nell'alimentare altri carichi dipende anche dalla sua capacità, dall'efficienza dell'inverter, dalla potenza del carico, dalla capacità utilizzabile della batteria e dalle condizioni operative. Per questo motivo, la capacità della batteria non dovrebbe essere scelta solo in base al numero di apparecchi. Anche il loro effettivo consumo energetico e le ore di funzionamento sono fattori importanti.
6. Interruzione o calo di tensione della rete elettrica?
Uno dei motivi principali per cui i proprietari di case e le aziende aggiungono batterie agli impianti solari è la necessità di alimentazione di riserva.
In un sistema solare ibrido adeguato, l'inverter può isolare i carichi di riserva designati dalla rete elettrica durante un'interruzione o un calo di tensione e continuare ad alimentarli con energia solare e accumulata nelle batterie.
Durante il giorno, i pannelli solari possono alimentare i carichi e contemporaneamente caricare la batteria. Di notte o quando la produzione di energia solare è insufficiente, la batteria può fornire l'elettricità immagazzinata.
Tuttavia, non tutti gli inverter solari forniscono automaticamente alimentazione di backup. L'inverter deve supportare il funzionamento in modalità di backup o off-grid e il sistema deve essere progettato con i circuiti di backup e le apparecchiature di protezione appropriati.
È inoltre importante comprendere che un sistema di alimentazione di emergenza a batteria non significa necessariamente che tutti gli apparecchi dell'edificio possano continuare a funzionare durante un'interruzione di corrente. Molti sistemi utilizzano un circuito di backup o un circuito per carichi essenziali, in modo che gli apparecchi ad alta priorità ricevano alimentazione mentre i carichi non essenziali o ad alto consumo energetico rimangono scollegati.
7. Batterie popolari per SES?
Le batterie al LiFePO4 (litio ferro fosfato) sono ampiamente utilizzate nei moderni sistemi di accumulo di energia solare residenziali e commerciali. Rispetto alle tradizionali batterie al piombo-acido, i sistemi al LiFePO4 opportunamente progettati possono offrire vantaggi quali:
- Lunga durata del ciclo: Le moderne batterie al litio ferro fosfato (LiFePO4) possono raggiungere oltre 6,000 cicli di carica e scarica, a seconda del design della batteria, delle condizioni operative e della profondità di scarica (DoD).
- Elevata capacità utilizzabile: Le batterie LiFePO4 possono in genere funzionare ad alta Profondità di scarica (DoD), consentendo l'utilizzo di una porzione maggiore della capacità nominale della batteria.
- Prestazioni stabili: La tecnologia chimica del LiFePO4 garantisce prestazioni costanti per numerosi cicli di carica e scarica.
- Buona stabilità termica: Il LiFePO4 è noto per la sua chimica stabile e le sue buone caratteristiche termiche.
- Bassi requisiti di manutenzione: A differenza delle batterie al piombo-acido, le batterie al LiFePO4 generalmente richiedono una manutenzione ordinaria minima.
- Sistemi di accumulo energetico compatti: Possono fornire una notevole capacità di accumulo di energia in un pacchetto relativamente compatto e leggero.
8. Cos'è la profondità di scarico?
La profondità di scarica (DoD) si riferisce alla percentuale della capacità utilizzabile di una batteria che è stata scaricata.
Ad esempio, se una batteria da 10 kWh funziona all'80% della profondità di scarica (DoD), è possibile utilizzare circa 8 kWh della sua capacità nominale prima di doverla ricaricare.
Un DoD (Deep Down of Detection) più elevato significa che è possibile utilizzare una maggiore quantità di energia immagazzinata nella batteria senza la necessità di un banco batterie più grande. Le batterie al LiFePO4 sono quindi particolarmente adatte all'accumulo di energia solare, dove vengono caricate regolarmente durante il giorno e scaricate di notte o durante i periodi di bassa produzione solare.
La durata del ciclo di vita della batteria e la profondità di scarica (DoD) sono strettamente correlate. In generale, far funzionare una batteria a una DoD inferiore può contribuire a ridurre lo stress sulle celle e potenzialmente prolungarne la durata. Pertanto, la durata effettiva di una batteria LiFePO4 dipende non solo dal numero di cicli nominale, ma anche da fattori quali la DoD, la temperatura, le velocità di carica e scarica e la gestione della batteria.
Una batteria al litio richiede anche un sistema di gestione della batteria (BMS). Il BMS monitora importanti parametri della batteria come la tensione delle celle, la temperatura e le condizioni di carica e scarica, contribuendo a proteggere la batteria e a garantirne un funzionamento sicuro e affidabile.
Per un funzionamento affidabile, la batteria deve essere compatibile anche con l'inverter selezionato. A seconda dell'apparecchiatura, potrebbe essere necessaria la comunicazione tramite CAN o RS485 per il monitoraggio della batteria, la segnalazione dello stato di carica e la gestione coordinata delle fasi di carica e scarica.
Sungreat Energy fornisce batterie solari al litio ferro fosfato (LiFePO4) per applicazioni di accumulo di energia residenziali e commerciali, con diverse capacità disponibili per soddisfare le diverse esigenze di sistema.
9. Batteria e inverter solari giusti?
Un dimensionamento corretto del sistema è essenziale per un accumulo affidabile di energia solare.
- Calcola il consumo energetico giornaliero: Determina quanta elettricità consuma la casa o l'azienda ogni giorno, solitamente misurata in kilowattora (kWh). Il consumo energetico giornaliero aiuta a stabilire quanta energia devono generare i pannelli solari e di quanta accumulo di energia nelle batterie potrebbe aver bisogno.
- Calcola il carico di picco: Determinare la potenza massima richiesta quando più apparecchi funzionano contemporaneamente. Questa viene solitamente misurata in kilowatt (kW) ed è particolarmente importante per la scelta dell'inverter. Condizionatori d'aria, frigoriferi, pompe e altre apparecchiature azionate da motore possono avere una potenza di spunto elevata, quindi è necessario considerare la capacità di picco dell'inverter.
- Determinare il tempo di backup necessario: Decidete per quanto tempo la batteria deve alimentare i carichi essenziali durante la notte o in caso di interruzione di corrente. Ad esempio, un proprietario di casa potrebbe aver bisogno di energia immagazzinata sufficiente per far funzionare gli elettrodomestici essenziali per 5, 8 o 12 ore.
- Dimensionare l'impianto fotovoltaico: I pannelli solari devono generare energia sufficiente a soddisfare i carichi diurni e a ricaricare la batteria entro i limiti della finestra di irraggiamento solare disponibile. Nel calcolo della capacità fotovoltaica necessaria, è opportuno tenere conto dell'irraggiamento solare locale e delle ore di picco di sole.
- Selezionare l'inverter appropriato: La potenza di uscita continua e la capacità di picco dell'inverter devono essere sufficienti per i carichi collegati. L'inverter deve inoltre essere adatto al tipo di sistema selezionato, che sia connesso alla rete, isolato o ibrido.
- Verifica la compatibilità tra batteria e inverter: Prima dell'installazione, è necessario verificare la tensione della batteria, i parametri di carica, la corrente massima di carica e scarica, i protocolli di comunicazione e la compatibilità con il BMS. L'utilizzo di una batteria e di un inverter non compatibili può compromettere le prestazioni e la comunicazione del sistema.
10. Un sistema integrato
Un sistema di accumulo di energia solare funziona perché ogni componente svolge una funzione diversa ma interconnessa:
- I pannelli solari generano elettricità.
- L'inverter converte e gestisce l'energia elettrica.
- La batteria immagazzina l'energia in eccesso.
- L'inverter fornisce l'energia immagazzinata ai carichi quando necessario.
I sistemi connessi alla rete possono funzionare senza batterie in molte applicazioni, mentre le batterie sono essenziali per la maggior parte dei sistemi isolati e rappresentano un componente importante dei sistemi ibridi progettati per l'accumulo di energia e l'alimentazione di emergenza.
Se dimensionati e abbinati correttamente, un sistema ibrido composto da pannelli solari, batterie al litio ferro fosfato (LiFePO4) e inverter può aiutare famiglie e aziende a sfruttare al meglio le energie rinnovabili, ridurre la dipendenza dalla rete elettrica e garantire l'accesso all'energia anche quando la produzione di energia solare o la fornitura dalla rete non sono disponibili.
Se stai progettando un sistema di accumulo di energia solare, inizia valutando il tuo consumo energetico giornaliero, il carico di picco, le ore di backup necessarie, le risorse solari disponibili e le condizioni della rete. Questi fattori costituiscono la base per la scelta della capacità dei pannelli solari, della dimensione della batteria e dell'inverter più adatti.
11. Riferimenti
- Agenzia Internazionale per le Energie Rinnovabili (IRENA). Costi di produzione di energia da fonti rinnovabili nel 2023. Abu Dhabi: IRENA.
- Agenzia Internazionale dell'Energia (AIE). Energie rinnovabili 2023: analisi e previsioni fino al 2028. Parigi: Pubblicazioni AIE.
- Laboratorio nazionale per le energie rinnovabili (NREL). Parametri di riferimento per i costi dei sistemi solari fotovoltaici e di accumulo negli Stati Uniti. Golden, CO: Rapporto tecnico NREL.
- SolarPower Europe. Prospettive del mercato globale dell'energia solare 2024-2028. Bruxelles: SolarPower Europe.
- BloombergNEF (BNEF). Prospettive del sistema di accumulo di energia e indagine sui prezzi delle batterie agli ioni di litio. Londra: Bloomberg Finance LP
