Photovoltaic systems distributed monitoring for performance optimization

Abstract

La presente Tesis Doctoral se titula Monitorización Distribuida en Sistemas Fotovoltaicos para la Optimización de la Eficiencia. Los conceptos desarrollados en la misma tienen por finalidad la mejora significativa de la eficiencia de una planta fotovoltaica. La cantidad de energía que una planta fotovoltaica puede generar depende en primera medida de la irradiancia incidente, así como de la temperatura ambiente, que, a la postre afectará a la temperatura de los módulos. Hay una serie de factores de pérdidas que pueden afectar negativamente a su rendimiento. Las consecuencias de los mismos van a afectar directamente a los parámetros operativos de los módulos FV, de ahí la importancia de disponer de información detallada en tiempo real de los mismos. Esto permite obtener su huella I/V y cuantificar su eficiencia teniendo en cuenta las condiciones atmosféricas existentes y, en comparación con los valores teóricos que deberían obtenerse bajo las condiciones reales de funcionamiento, determinar si el módulo FV está operando correctamente, o bien lo está haciendo por debajo de los niveles que le corresponderían por las condiciones ambientales. Las diferencias obtenidas permiten cuantificar las pérdidas asociadas. Un módulo FV operando por debajo de su rendimiento óptimo generará unas pérdidas económicas importantes, durante el tiempo que esté trabajando en esas condiciones. La presente Tésis ha quedado estructurada de la siguiente forma: en el capítulo 2, se hace un repaso de los parámetros funcionales de los módulos FV, y su dependencia de las condiciones atmosféricas presentes.  Corriente de cortocircuito: ISC  Tensión a circuito abierto: VOC  Corriente en el punto de máxima potencia Imp  Tensión en el punto de máxima potencia Vmp  Potencia máxima Pmp Asimismo, se definen los protocolos de traslación de dichos parámetros desde las condiciones STC dadas por el fabricante en sus hojas de características, a las correspondientes por las condiciones ambientales existentes.; En el capítulo 3, se describe el sistema de monitorización propuesto, la estructura del módulo de monitorización y transmisión de datos (SMCM), así como el diseño de la capa física de comunicaciones sobre la que se ha implementado la tecnología PLC. El módulo SMCM es un dispositivo inteligente, basado en el µControlador MSP 430 del fabricante Texas Instruments, de coste inferior al Euro, y sin embargo, con unas grandes prestaciones. Esto ha permitido concebir un SMCM de muy bajo coste, de tal manera que no penalizara la implantación del sistema de monitorización. En el capítulo 4, se cuantifica la incertidumbre asociada al módulo SMCM como dispositivo de medida electrónico. En el capítulo 5, se valida el modelo propuesto anteriormente, mediante su aplicación a datos experimentales consolidados. El procedimiento ha consistido en generar los valores de la curva I-V a partir del modelo propuesto, según las condiciones ambientales reportadas, y posteriormente contrastar los resultados obtenidos para así poder cuantificar el error relativo (RE) resultante de la aplicación del proceso. Se han tabulado 10 medidas, hechas en distintas condiciones; se han obtenido los correspondientes curvas I-V a condiciones STC, las cuales han sido posteriormente trasladadas a ROC y se ha cuantificado el error relativo en los parámetros más importantes; esto es, la corriente de cortocircuito (ISC), la tensión a circuito abierto (VOC), así como la potencia en el punto de máxima potencia (MPP) (Pmp) y sus correspondientes coordenadas de tensión (Vmp) y corriente (Imp). En el capítulo 6, se aplica el mismo procedimiento a los resultados experimentales obtenidos en los módulos FV instalados en el laboratorio de FV de la EPS. Una vez que los modelos matemáticos de los parámetros del módulo FV, así como su traslación a las condiciones reales de operación han sido validados y el error relativo cuantificado, procede aplicar dichos procedimientos a los datos obtenidos en el proceso de monitorización en tiempo real utilizando los SMCM´s. En el capítulo 7, se aplican los procedimientos anteriores para determinar y cuantificar tanto los PR como las pérdidas efectivas resultantes. Las pérdidas a las que puede estar sometido un módulo FV se pueden reflejar en el correspondiente Performance Ratio (PR), y se pueden dividir en dos grandes grupos. Por un lado, tenemos las pérdidas debidas al hecho de que el módulo FV no está trabajando bajo las consideradas condiciones estándares STC. Estas se consideran como inevitables. Por otro lado, están las pérdidas debidas a una mala operación del módulo FV, o bien a condiciones anormales momentáneas no atribuibles a las condiciones climáticas. Estas pueden ser debidas a un sombreado total o parcial, momentáneo o duradero, polvo, suciedad en los módulos, etc… Estas pérdidas son consideradas como evitables, y mediante las correspondientes acciones correctoras, pueden ser suprimidas. En este capítulo, se propone un protocolo de comparación entre dos conceptos diferentes de PR. Estando el módulo FV trabajando en unas determinadas y conocidas condiciones reales (ROC), se obtiene un PR experimental denominado PRi. Por otro lado, está el nuevo concepto de PR obtenido a partir de los datos trasladados a ROC, y denominado PRt. El análisis comparativo de ambos PR va a permitir cuantificar las pérdidas a las que está sometido el módulo FV, así como sus posibles causas.