Los transistores de carburo de silicio mejoran la eficiencia en los sistemas de almacenamiento doméstico

Para satisfacer las necesidades cambiantes del cambio climático y la transición energética, así como combatir el aumento de los costos de energía para los consumidores finales, cada vez más hogares están añadiendo sistemas de almacenamiento doméstico a sus sistemas fotovoltaico. Un desafío importante del almacenamiento fotovoltaico en el hogar es que las baterías se cargan en unas pocas horas a la luz solar intensa y luego se descargan a muy baja potencia, o carga parcial, durante un largo período de tiempo durante la noche.

Debido a esto, los inversores de batería en los sistemas de almacenamiento doméstico deben tener una alta eficiencia de conversión en el rango de potencia más grande posible. En el proyecto HyBaG, que comenzó en 2017, el Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Solar ISE en colaboración con Kaco New Energy y STS (Spezial-Transformatoren Stockach) ha desarrollado un inversor híbrido de baja pérdida que funciona eficientemente incluso con carga parcial.

Los sistemas de almacenamiento de energía pueden hacer una contribución importante al almacenamiento de energía renovable, la estabilidad de la red y la reducción de las emisiones de CO2. Para esto, los sistemas deben optimizarse en términos de eficiencia, costos y uso de recursos de manera continua.

Los socios del proyecto HyBaGhan desarrollado un demostrador de un sistema de almacenamiento fotovoltaico para el hogar que cumple con los más altos requisitos. En este proyecto, Fraunhofer ISE desarrolló cargadores de baterías compactos altamente eficientes que incluyen una tecnología de control innovadora y decisiva. Un componente central del trabajo de Fraunhofer ISE en el proyecto fue desarrollar controladores de batería compactos y modulares. Esto podría lograrse mediante el uso de nuevos componentes de potencia de nitruro de galio (GaN) y carburo de silicio (SiC). Estos modernos circuitos de puente transistor son el núcleo de los cargadores de baterías modernos y permiten una conmutación cada vez más rápida con menores pérdidas.

Optimización de la eficiencia de carga parcial

En el proyecto, se examinaron varios enfoques para optimizar la eficiencia de carga parcial mediante simulación. Luego se construyeron prototipos utilizando los mejores conceptos resultantes. Se optimizó tanto el hardware como el software de control para la electrónica de potencia. Se investigaron diferentes topologías de circuitos y se evaluaron sus eficiencias de carga parcial a bajos niveles de potencia.

Considerando varios parámetros, los investigadores seleccionaron y construyeron un convertidor intercalado para el controlador de batería de alto voltaje. Esto hace posible ajustar específicamente el rango de potencia a un tercio, dos tercios o potencia nominal total activando o desactivando puentes convertidores individuales. Para niveles de potencia muy bajos, un modo de funcionamiento adicional (modo de límite de separación) con frecuencia de conmutación variable y pérdidas mínimas posibles y un modo pulsante (modo de ráfaga) con una fase en la que el convertidor está activo solo el 10% del tiempo.

"Esto puede aumentar significativamente la eficiencia de carga parcial, ya que reduce el control y las pérdidas sin carga que influyen fuertemente en la eficiencia en el rango de carga parcial", explica Cornelius Armbruster, gerente de proyecto en Fraunhofer ISE. Si no todas las fases se operan al mismo tiempo, se recomienda que las fases individuales se operen alternativamente para lograr una carga térmica uniforme. El método de modulación que muestra la mejor eficiencia difiere según el rango de potencia. Dentro del proyecto, se desarrolló e implementó una gestión de operaciones, cuya eficiencia se optimizó para los diferentes rangos de potencia.

Según Fraunhofer ISE, en la producción en serie, los sistemas de almacenamiento en el hogar basados ​​en componentes de carburo de silicio se pueden poner en el mercado hoy casi sin costo adicional. En la actualidad, la optimización de la eficiencia durante la operación de carga parcial rara vez se lleva a cabo. Una comparación aproximada de los sistemas de almacenamiento doméstico disponibles en el mercado muestra que todavía existen diferencias considerables entre los sistemas.

"Un factor importante detrás de estas diferencias son las pérdidas en el rango de carga parcial", explica Leonhard Probst, responsable de la optimización del cargador de batería en el proyecto. Muy buenos sistemas de almacenamiento en el hogar tienen menos pérdidas. Las simulaciones realizadas en el proyecto HyBaG estimaron que se pueden esperar ahorros anuales de electricidad de 150 a 250 euros.