Cómo dimensionar un banco de baterías solares (Fórmula + Ejemplos)

¿Qué fórmula de tamaño de batería solar debería utilizar?

El punto de partida correcto depende de lo que se espera que haga la batería. Antes de seleccionar un producto, identifique si el proyecto es para respaldo de cortes, operación-tiempo completo fuera de la red-o autoconsumo solar-diario. Para una comparación más amplia del nivel-del sistema, revisaConfiguraciones de sistemas solares híbridos, dentro-de la red-y de la red.

Fórmula para el tamaño de la batería de respaldo doméstica

Primero calcule la energía CA que deben recibir las cargas protegidas:

Energía de carga requerida (kWh)=carga crítica promedio (kW) × tiempo de respaldo (horas)

Luego calcule la capacidad nominal de la batería:

Capacidad nominal de la batería (kWh)=energía de carga requerida × margen de diseño ÷ fracción utilizable de la batería ÷ eficiencia de entrega

Fórmula para el tamaño del banco de baterías solares-fuera de la red

Para un-sistema fuera de la red que debe funcionar durante las noches o períodos de producción solar débil:

Capacidad nominal de la batería (kWh)=carga de diseño diaria (kWh/día) × días de autonomía × margen de diseño ÷ fracción utilizable de la batería ÷ eficiencia de entrega

Fórmula para el autoconsumo solar-

Calcule la cantidad de energía solar diurna que se puede almacenar y la cantidad de carga nocturna o nocturna que puede utilizarla. El objetivo práctico de cambio de energía- suele ser el menor de esos dos valores:

Energía desplazada objetivo=la menor del excedente solar esperado o planificado después de-la carga del atardecer

Luego ajuste el objetivo de capacidad utilizable de la batería y las pérdidas de conversión aplicables. La arquitectura del sistema es importante porqueAlmacenamiento de batería acoplada-CA y CC-acopladaColocar las pérdidas de conversión en diferentes puntos del camino de la energía.

Variables y unidades de fórmula del banco de baterías solares

Utilice un término para cada cantidad física. Mezclar potencia de carga con energía de carga es una de las causas más comunes de un resultado incorrecto.

La potencia en kW determina cuánta carga puede soportar el sistema en un momento dado. La energía en kWh determina cuánto tiempo puede soportar esa carga. La distinción se explica con más detalle en esta guía parakW frente a kWh en almacenamiento de energía en baterías.

Definir lo que debe hacer la batería

Respaldo de emergencia en el hogar

Un sistema de respaldo doméstico debe comenzar con una lista de carga-protegida, no con el consumo total de electricidad anual o diario del hogar. Identifique los circuitos que deben permanecer disponibles, la duración prevista de la interrupción y los aparatos que pueden funcionar al mismo tiempo.

Los paneles solares no proporcionan automáticamente energía de respaldo durante un corte de red. El sistema necesita equipos diseñados para desconectarse de forma segura de la red y formar un sistema eléctrico aislado. El Departamento de Energía de EE. UU. explica este requisito operativo en suorientación solar y de resiliencia.

Tiempo completo-Apagado-Energía de la red

Una batería-fuera de la red debe cubrir los períodos en los que la generación solar está por debajo de la carga. El diseño normalmente considera la demanda nocturna, las reducciones solares estacionales, los períodos nublados consecutivos, el consumo en espera del inversor, las bombas intermitentes, la disponibilidad del generador y las opciones-de desconexión de carga.

El almacenamiento y la generación solar deben dimensionarse juntos. Una batería más grande no mejora la resiliencia si el panel o generador solar no puede reemplazar la energía que se le extrae. Para contexto adicional, vea cómo unEl sistema de almacenamiento de energía solar coordina la generación, el almacenamiento y las cargas..

Autoconsumo solar diario-

Una batería de autoconsumo-almacena el exceso de energía solar diurna para su uso posterior. La capacidad útil está limitada tanto por la cantidad de excedente solar disponible para cargar como por la cantidad de demanda nocturna o nocturna disponible para descargar. Es posible que varios días de almacenamiento queden infrautilizados en un sistema que produce sólo un modesto excedente diario.

Calcule las cargas que realmente necesita

Cree una tabla de carga antes de seleccionar una batería. Utilice energía medida siempre que sea práctico, especialmente para equipos que se encienden y apagan en ciclos.

Esta tabla es un flujo de trabajo ilustrativo basado en mediciones-, no un perfil familiar universal. Reemplace cada valor con datos del proyecto.

Utilice un protocolo de medición práctico

1. Mida los electrodomésticos-conectables durante al menos 24 a 72 horas cuando sea posible.
2. Utilice el monitoreo del inversor o los datos del intervalo de servicios públicos para identificar la carga base de 24 horas y la demanda sostenida más alta.
3. Registre las cargas estacionales por separado, incluidas calefacción, refrigeración, deshumidificación y bombeo de agua.
4. Verifique la corriente de arranque-del motor en la documentación del equipo o haga que un profesional calificado la mida.
5. Utilice un período representativo de carga alta-en lugar de un día conveniente de bajo-consumo.

El DOEMétodo de evaluación del sistema de almacenamiento de energía de bateríaenfatiza el valor de los datos de series de tiempo-medidos para evaluar el rendimiento real del almacenamiento de energía. El mismo principio mejora la estimación preliminar de la carga: los perfiles medidos suelen ser más útiles que un total mensual.

Separe las cargas críticas, flexibles y excluidas

• Cargas críticas:equipo que debe operar durante todo el período de diseño.
• Cargas flexibles:equipos que pueden funcionar durante menos horas o sólo mientras la generación solar esté disponible.
• Cargas excluidas:equipo que permanecerá apagado durante un apagón o un período de baja-energía.

La calefacción por resistencia eléctrica, el aire acondicionado central, los grandes calentadores de agua, las cocinas eléctricas, las secadoras de ropa y la carga de vehículos eléctricos pueden dominar los requisitos de almacenamiento. Quitar o programar una carga de alta-energía puede reducir el tamaño de la batería más que eliminar muchos dispositivos electrónicos pequeños.

Elija horas de respaldo o días de autonomía

Horas de respaldo para un hogar conectado a la red-

Seleccione un objetivo según los patrones de cortes locales y el servicio que debe proporcionar la batería: una interrupción breve, una noche, un corte nocturno, un día completo o una emergencia más prolongada. Decide si la carga solar estará disponible mientras la red esté inactiva y si el sistema abastecerá a un panel de carga protegido-o a todo el edificio.

Días de autonomía para un sistema-fuera de la red

La autonomía es el período durante el cual la batería puede soportar la carga de diseño sin una carga suficiente. Elígelo teniendo en cuenta las condiciones solares estacionales, los períodos nublados esperados, la confiabilidad del generador, la disponibilidad de combustible, las opciones-de desconexión de carga, el acceso al sitio y las consecuencias de quedarte sin energía.

Un sitio remoto sin una fuente de respaldo confiable puede necesitar más almacenamiento que una propiedad con un generador automático. Por lo tanto, el número correcto de días de autonomía es una decisión del proyecto, no un porcentaje fijo de la industria.

Utilice un perfil de carga de intervalo cuando esté disponible

Dos casas pueden consumir cada una 10 kWh al día, pero requieren baterías e inversores diferentes. Se puede utilizar la energía gradualmente; el otro puede hacer funcionar una bomba, un microondas y un aire acondicionado al mismo tiempo. Los kWh diarios pueden ser similares, mientras que los kW pico y la sobrecorriente son muy diferentes.

Calcule la capacidad utilizable de la batería utilizando DoD, eficiencia y reserva

Utilice la capacidad utilizable del fabricante

La profundidad de descarga describe cuánta capacidad nominal se elimina durante un ciclo. Para el dimensionamiento preliminar, utilice el rango operativo permitido por el fabricante de la batería o la energía utilizable indicada en lugar de aplicar un porcentaje universal.

Si una batería de 10 kWh funciona en un rango utilizable del 90 %, proporciona 9 kWh de energía de batería de CC utilizable antes de que se consideren otras pérdidas posteriores:

10 kWh × 0.90=9 kWh

Las condiciones de la garantía, el estado-de-límites de carga, la tasa de descarga, la antigüedad de la batería, la temperatura, la configuración del firmware y el ciclo de vida deseado pueden cambiar la ventana operativa práctica.

Utilice la métrica de eficiencia correcta

Para el tiempo de ejecución de la interrupción, el valor relevante suele ser la eficiencia-unidireccional desde la energía almacenada de la batería hasta las cargas protegidas. La eficiencia del viaje de ida y vuelta-incluye tanto la carga como la descarga y no debe sustituirse automáticamente en un cálculo de tiempo de ejecución-unidireccional.

Compruebe también si la energía utilizable publicada de un producto se mide en el lado de CC o se entrega en el lado de CA. Si el fabricante ya indica energía de CA utilizable, restar nuevamente las pérdidas del inversor puede duplicar-la misma pérdida.

Los Laboratorios Nacionales SandiaManual de almacenamiento de electricidad del DOE/EPRIproporciona un contexto técnico más amplio sobre el rendimiento del almacenamiento, la potencia, la energía, la eficiencia y el diseño{0}}específico de la aplicación.

Aplicar un margen de diseño transparente

Un margen de diseño puede cubrir una incertidumbre modesta, pequeñas cargas futuras, una reducción de la capacidad a lo largo del tiempo y errores menores en las estimaciones del tiempo de ejecución. Indíquelo explícitamente como un multiplicador, como 1,10 para una asignación del 10%.

El margen no debe ocultar datos de carga deficientes. Primero mejore la estimación de carga y luego agregue una reserva deliberada.

Verifique la temperatura y las condiciones de instalación

La temperatura puede afectar la capacidad utilizable, la aceptación de carga, la potencia de descarga, el comportamiento del BMS y la vida útil. Revise la temperatura mínima de carga del producto, la temperatura mínima de descarga, las curvas de reducción, la calefacción integrada, la clasificación del gabinete, los requisitos de refrigeración o ventilación y los límites de instalación en interiores o exteriores.

No apliques un factor de clima frío-a cada batería de litio. La química, el diseño de la celda, la gestión térmica y la configuración del BMS difieren. Esta visión general deRangos de temperatura de funcionamiento de la batería de litio.puede ayudar a identificar los datos del producto que deben comprobarse.

Convierta kWh a Ah y elija 12 V, 24 V o 48 V

La energía de la batería se puede especificar en kilovatios-hora, mientras que algunos sistemas se describen en amperios-hora. La relación es:

Energía (Wh)=voltaje (V) × capacidad (Ah)

Por lo tanto:

Capacidad (Ah)=energía (kWh) × 1000 ÷ voltaje nominal del sistema

Estos valores de amperios-hora representan aproximadamente la misma energía nominal. Un voltaje más alto reduce la corriente requerida para entregar la misma potencia, lo que puede reducir el tamaño del conductor y la caída de voltaje cuando el sistema está diseñado correctamente.

Cómo seleccionar el voltaje del sistema

• 12V:común en pequeños sistemas de CC y aplicaciones móviles modestas.
• 24V:A menudo se utiliza en sistemas móviles medianos, cabinas, sistemas marinos e instalaciones de inversores más pequeñas.
• 48V:común en sistemas estacionarios más grandes porque se puede entregar la misma potencia a una corriente más baja que a 12 V o 24 V.

El voltaje es una decisión arquitectónica. La batería, el inversor, el controlador de carga, los dispositivos de protección, los conductores, las comunicaciones y cualquier carga de corriente continua-deben ser compatibles. Los sistemas más grandes también pueden usar dispositivos diseñados-baterías de alto-voltaje para almacenamiento de energía, que no deben tratarse como simples extensiones de un banco de bricolaje de 48 V.

Verifique la potencia del inversor, la sobretensión de arranque y los límites de BMS

Un banco de baterías puede tener suficientes kWh y aún así no poder arrancar ni operar el equipo requerido. La capacidad determina el tiempo de ejecución. Los límites de potencia y corriente determinan si el sistema puede dar servicio a la carga.

Verifique la energía continua

Sumar las cargas que puedan operar simultáneamente. La salida de CA continua del inversor debe exceder la demanda esperada bajo las condiciones de operación y temperatura aplicables.

Calcule la corriente del lado-de la batería con:

Corriente CC (A) ≈ Potencia de carga CA (W) ÷ voltaje de la batería (V) ÷ eficiencia del inversor

Por ejemplo, una carga de CA de 4000 W suministrada desde una batería de 48 V a través de un inversor con una eficiencia del 92 % requiere aproximadamente:

4,000 ÷ 48 ÷ 0.92 ≈ 90.6 A

El banco de baterías, el BMS, las barras colectoras, los cables, los fusibles, los seccionadores y los terminales deben estar diseñados para la corriente aplicable.

Verifique la sobretensión de arranque del motor y del compresor

Las bombas de pozo, los refrigeradores, los congeladores, los acondicionadores de aire, las herramientas de taller y los compresores de aire pueden consumir sustancialmente más energía durante el arranque que durante el funcionamiento normal. Controlar:

• Potencia de sobretensión del inversor
• Duración de la sobretensión permitida
• Límite actual y duración del pico BMS de la batería-
• Caída de voltaje durante el arranque
• Clasificaciones de conductores y dispositivos-de protección
• Si varias cargas pueden iniciarse al mismo tiempo

Un número máximo sin duración no es suficiente. Un sistema que puede producir una potencia muy alta durante una fracción de segundo aún puede no lograr arrancar un motor que necesita una corriente elevada durante varios segundos.

Verifique el BMS de la batería y los límites paralelos

Para cada módulo propuesto, revise la corriente máxima de descarga continua, la corriente máxima de descarga, la duración máxima permitida, la corriente máxima de carga, el rango recomendado del inversor, el recuento máximo de paralelo, el diseño de cableado aprobado y la compatibilidad de comunicaciones.

Los módulos paralelos no siempre comparten la corriente perfectamente. La longitud del cable, la resistencia de los terminales, la temperatura, el estado de carga y la condición del módulo pueden afectar el intercambio de corriente. Utilice la barra colectora aprobada por el fabricante o una disposición de cableado de igual-longitud.

Calcular el número de módulos de batería y la capacidad de recarga

Calcule la cantidad de módulos de batería

Una vez conocida la capacidad nominal requerida:

Número de módulos=capacidad nominal requerida ÷ capacidad nominal por módulo compatible

Redondea a una configuración de módulo completo-aprobada.

Si el diseño requiere 14,2 kWh y un módulo compatible tiene una potencia nominal de 5,12 kWh:

14.2 ÷ 5.12 = 2.77

Por tanto, el cálculo de la capacidad requiere al menos tres módulos, que proporcionan 15,36 kWh de energía nominal. La selección final aún debe pasar las verificaciones de potencia, BMS, paralelo, inversor, voltaje, comunicaciones e instalación.

Compruebe qué tan rápido se puede recargar la batería

Primero calcule la energía que debe devolverse a la batería:

Recargar energía en la batería ≈ energía de la batería extraída ÷ eficiencia de carga

A continuación, calcula el tiempo de carga-en el mejor de los casos:

Tiempo de recarga (horas) ≈ energía de recarga (kWh) ÷ potencia promedio de carga de la batería (kW)

Para un sistema con carga solar-, no utilice la energía de la placa de identificación del conjunto como si estuviera disponible continuamente. Verifique la producción mensual o estacional esperada, las cargas diurnas, el recorte, el sombreado, la temperatura y los límites-del controlador de carga. ElCalculadora de vatios PV NRELpuede proporcionar una estimación basada-en la ubicación de la producción de energía fotovoltaica para este paso de selección.

Para un diseño-fuera de la red, la producción solar esperada debe cubrir tanto las cargas diurnas como la energía necesaria para restaurar la batería después de la descarga. Si la batería no puede recuperarse antes del próximo-período solar deficiente, aumentar el almacenamiento por sí solo no resolverá el problema de confiabilidad.

Tabla de tallas del banco de baterías solares

El siguiente cuadro utiliza un día de autonomía, una fracción de batería utilizable del 90 %, una eficiencia de entrega del 92 % y un margen de diseño del 10 %. Es sólo un ejemplo.

Cambiar cualquier suposición cambia el resultado. Una menor fracción utilizable, una menor eficiencia, un mayor período de autonomía o un mayor margen aumentan la capacidad nominal requerida.

Ejemplos de tamaño de batería solar trabajados

Ejemplo 1: cabina pequeña-fuera de la red

Asumir:

• Carga de diseño diaria: 2,8 kWh
• Autonomía: 1,5 días
• Fracción de batería utilizable: 90%
• Eficiencia de entrega: 92%
• Margen de diseño: 10%

Capacidad nominal requerida=2.8 × 1,5 × 1,10 ÷ 0,90 ÷ 0,92 ≈ 5,58 kWh

A 24 V nominales:

5,58 × 1000 ÷ 24 ≈ 233 Ah

El siguiente paso es seleccionar una configuración de módulo aprobada por encima de 5,58 kWh y verificar que el inversor, los límites de corriente de la batería y la fuente de carga estacional puedan soportar las cargas de la cabina.

Ejemplo 2: copia de seguridad doméstica esencial

Suponga que las cargas protegidas tienen un promedio de 1,2 kW y deben funcionar durante ocho horas.

Energía de carga requerida=1.2 kW × 8 horas=9.6 kWh

Usando una fracción utilizable del 90%, una eficiencia de entrega del 92% y un margen del 10%:

Capacidad nominal requerida=9.6 × 1,10 ÷ 0,90 ÷ 0,92 ≈ 12,75 kWh

Este resultado aborda el tiempo de ejecución de energía. No prueba que la batería y el inversor puedan arrancar el motor más grande o soportar la carga máxima simultánea.

Ejemplo 3: de una tabla de carga medida al recuento de módulos

Usando la tabla ilustrativa de carga medida arriba:

• Energía de carga crítica-diaria: 3,71 kWh
• Autonomía: 1,5 días
• Fracción de batería utilizable: 90%
• Eficiencia de entrega: 92%
• Margen de diseño: 10%

Capacidad nominal requerida=3.71 × 1,5 × 1,10 ÷ 0,90 ÷ 0,92 ≈ 7,39 kWh

Si el módulo de batería aprobado tiene una potencia nominal de 5,12 kWh:

7,39 ÷ 5.12=1.44 módulos

El diseño necesita al menos dos módulos por capacidad, para 10,24 kWh nominales. Antes de aceptar esa configuración, verifique la corriente continua de los dos-módulos, la sobretensión de arranque, la corriente de carga, la aprobación de paralelo y las comunicaciones del inversor.

¿Cuánto durará una batería de 10 kWh?

El tiempo de ejecución depende de la energía utilizable entregada a las cargas, no solo de la clasificación nominal. Con una batería de 10 kWh nominales, un 90% de fracción utilizable y un 92% de eficiencia de entrega:

Energía CA utilizable ≈ 10 × 0,90 × 0.92=8.28 kWh

Estos valores suponen una carga promedio constante y no incluyen reducción de temperatura adicional, envejecimiento, reserva de BMS ni limitaciones específicas del equipo-.

LiFePO4 frente a plomo-Tamaño del banco de baterías de ácido

La química de la batería afecta cómo la capacidad nominal, la tasa de descarga, los requisitos de carga, el mantenimiento y las condiciones de instalación se traducen en el rendimiento utilizable del sistema. Para una comparación más amplia, revise estosDiferentes tipos de baterías para almacenamiento de energía..

Para baterías de plomo-ácido, utilice las curvas de descarga del fabricante y la capacidad nominal-horas. Una simple conversión de Ah a voltaje nominal puede exagerar la energía disponible cuando la corriente de descarga es alta.

Errores comunes en el tamaño de las baterías solares

• Multiplicando por el tiempo dos veces:Si la energía de carga ya está en kWh, no la multiplique nuevamente por las horas de respaldo.
• Confundir kW con kWh:La energía almacenada y la potencia entregable son especificaciones separadas.
• Utilizar el consumo total del hogar como respaldo esencial:tamaño de cargas protegidas cuando el diseño no es-una copia de seguridad completa del hogar.
• Utilizando los vatios indicados como consumo medio:Los equipos de ciclismo a menudo utilizan menos energía de lo que sugiere su consumo máximo.
• Ignorando el consumo en espera:una carga continua de 40 W consume 0,96 kWh por día.
• Usar la eficiencia de un viaje de ida y vuelta-en un cálculo de ida-sin verificar:Haga coincidir el valor de eficiencia con la ruta de energía que se está calculando.
• Ignorando el aumento de arranque-del motor:suficientes kWh no garantizan un arranque exitoso de la bomba o del compresor.
• Diseño para condiciones solares-promedio anuales:La confiabilidad fuera de la red-normalmente está controlada por la temporada menos favorable.
• Suponiendo que las baterías siempre se pueden agregar más tarde:la expansión puede estar restringida por antigüedad, estado de carga, firmware, comunicaciones, límites del inversor o política del fabricante.
• Ignorando el tiempo de recarga:una batería que no puede recuperarse antes del siguiente período de descarga no es un diseño resistente.

Seguridad, alcance y metodología editorial

Este artículo proporciona un marco de cálculo preliminar para comparar los requisitos de capacidad de la batería. No es un dibujo de diseño eléctrico, un manual de instalación, una revisión de cumplimiento de código-ni un sustituto de la ingeniería específica del producto-.

El método de cálculo separa la potencia de carga, la energía de carga, la capacidad nominal, la capacidad utilizable, la eficiencia de entrega y el margen de diseño para que se pueda verificar cada suposición. Los ejemplos elaborados revelan sus suposiciones y no deben tratarse como recomendaciones universales de productos.

La selección e instalación final del equipo debe ser revisada por un profesional calificado y familiarizado con los requisitos eléctricos, de construcción y contra incendios locales aplicables. En los Estados Unidos, UL explica queUL 9540 evalúa sistemas y equipos de almacenamiento de energía como sistemas integrados, incluidas baterías, conversión de energía, controles, protección y comunicaciones.

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