DISPOSITIVO DE CONMUTACIÓN DEDICADO A LA EXTRACCIÓN ÓPTIMA DE ENERGÍA EN GENERADORES FOTOVOLTAICOS.

Dispositivo de conmutación dedicado a la extracción óptima de energía en generadores fotovoltaicos.

En las instalaciones fotovoltaicas de producción de energía eléctrica se produce una pérdida en la potencia generada cuando las condiciones de operación de los elementos fotovoltaicos interconectados en una misma serie no son idénticas. Esta pérdida de potencia generada, únicamente puede ser compensada cambiando la interconexión de los elementos fotovoltaicos del generador de forma que se optimice la extracción de potencia. Esta es la función de dispositivo de conmutación objeto de esta invención.

Dicho dispositivo está formado por un conjunto de conmutadores controlados, que permite modificar en tiempo real las interconexiones eléctricas entre los elementos fotovoltaicos del generador. El control del conjunto de conmutadores se basa en una estrategia de ecualización de irradiancia, asimismo objeto de esta invención, que determina aquella interconexión de los elementos fotovoltaicos que optimiza la extracción de potencia, y por tanto de energía, de la instalación.

Dispositivo de conmutación dedicado a la extracción óptima de energía en generadores fotovoltaicos.

Estado de la técnica

Sector de la técnica La invención se enmarca en el ámbito de los sistemas fotovoltaicos de generación de energía eléctrica, con el objetivo de optimizar la potencia extraída y, por tanto, la energía eléctrica producida por estos sistemas. Dichos sistemas constituyen una “cadena de captación y conversión” de la energía proveniente del Sol, a partir de su irradiancia, tal y como se representa esquemáticamente en la Figura 1. Dicha cadena está constituida por:

a) Un conjunto de elementos fotovoltaicos (1) eléctricamente interconectados en serie (2) y paralelo (3) , que forman el denominado generador fotovoltaico (4) .

b) Un procesador de potencia (5) .

c) Un receptor de potencia (6) .

a) El generador fotovoltaico El captador de base en los sistemas fotovoltaicos es la célula solar de material semiconductor en la que tiene lugar el efecto fotovoltaico al incidir en ella la luz solar. Dicho efecto genera una diferencia de potencial eléctrico (voltaje o tensión) en los bornes de los contactos eléctricos de la célula permitiendo la circulación de corriente al conectar una carga. La característica de fuente de potencia de la célula fotovoltaica permite la interconexión eléctrica de las células en serie y en paralelo para constituir un “panel solar”. El comportamiento eléctrico de un panel solar genérico se muestra en las Figuras 2 y 3: la Figura 2a) muestra su relación corriente-tensión bajo distintas irradiancias crecientes (1) y la Figura 2b) muestra su relación corriente-tensión a distintas temperaturas crecientes (2) . Las Figuras 3a) y 3b) muestran, respectivamente, su relación potencia-tensión ante variaciones crecientes de irradiancia (3) y variaciones crecientes de temperatura (4) . Las curvas anteriores muestran que las características eléctricas del panel solar dependen de la temperatura y de la irradiancia, presentando un comportamiento de fuente de potencia de corriente continua que presenta un único punto de máxima potencia.

Las características eléctricas del panel solar dependen del número y del tipo de interconexiones de las células solares que lo forman, así como de los procesos tecnológicos involucrados en su fabricación. Los fabricantes construyen así paneles solares de distintas potencias pudiendo generar distintos niveles de tensión y corriente en función del número de células solares conectadas en serie en una rama y del número de ramas conectadas en paralelo, respectivamente. La caracterización de los paneles solares se realiza especificando, entre otros, los valores de tensión, corriente y potencia (expresada en W de pico) del punto de máxima potencia en las denominadas “Condiciones Estándar de Medida”, que suponen una irradiancia incidente constante de 1000 W/m2, una temperatura constante de 25ºC y un espectro de radiación solar AM1, 5.

Siguiendo el mismo principio constructivo de un panel solar se puede construir un “elemento fotovoltaico” como una interconexión serie-paralelo de paneles solares y, mediante la interconexión serie-paralelo de elementos fotovoltaicos, (que como mínimo estarán constituidos por un panel solar) se puede construir un “generador fotovoltaico”. Pueden construirse así generadores fotovoltaicos de distintas potencias dependiendo del número total de elementos fotovoltaicos contenidos en el generador. El tipo de interconexión eléctrica (serie/paralelo) entre los elementos fotovoltaicos que forman un generador fotovoltaico define lo que se conoce como la “topología” del generador fotovoltaico. Así, la topología del generador fotovoltaico genérico de la Figura 1, está compuesta por un número de m ramas de elementos fotovoltaicos conectadas en paralelo, mientras que cada rama está constituida por un número de n elementos fotovoltaicos conectados en serie (m·n elementos fotovoltaicos en total) . En las instalaciones solares fotovoltaicas existentes, el generador fotovoltaico suele construirse según esta topología es decir, mediante la interconexión en paralelo de ramas compuestas por elementos fotovoltaicos conectados en serie, siendo esta interconexión no modificable. Por otra parte, si los elementos fotovoltaicos tienen idénticas características eléctricas y operan en las mismas condiciones de irradiancia y temperatura, puede afirmarse que las características eléctricas de un generador fotovoltaico serán, a escala, las mismas que las representadas en las figuras2y3, presentando asimismo un único punto de máxima potencia que variará con la irradiancia y la temperatura:

b) El procesador de potencia El elemento procesador de potencia, (5) en la Figura 1, gestiona el flujo de potencia y debe:

• Extraer la máxima potencia disponible en el generador fotovoltaico. Para ello el procesador de potencia incorpora en su funcionamiento un algoritmo de Seguimiento del Punto de Máxima Potencia (SPMP) . Este algoritmo permite forzar la operación del generador fotovoltaico en su punto de máxima potencia para cualquier condición de irradiancia y temperatura, siempre que los elementos fotovoltaicos tengan idénticas características eléctricas y operen en las mismas condiciones de irradiancia y temperatura.

• Adecuar la potencia extraída a las necesidades del receptor de potencia, (6) en la Figura 1, y transmitirla a este último con máxima eficiencia. Si dicho receptor es de corriente continua (CC) el procesador de potencia es un “convertidor CC-CC”, mientras que si el receptor es de corriente alterna (CA) el procesador es un “convertidor CC-CA”, también conocido como “ondulador” o “inversor”.

c) El receptor de potencia El receptor de potencia constituye el punto final de almacenamiento y/o consumo de la energía eléctrica producida por el sistema fotovoltaico. Dicho receptor está constituido por una o más cargas de corriente continua (CC) y/o de corriente alterna (CA) , dependiendo de la naturaleza de dichas cargas. En particular, si una carga del receptor de potencia es la red de distribución o transporte de la energía eléctrica, el sistema se denomina “sistema fotovoltaico conectado a red”, denominándose “sistema fotovoltaico autónomo” en caso contrario.

Problemática Debido a la interconexión serie-paralelo de los elementos fotovoltaicos que lo constituyen, un generador fotovoltaico puede generar menor potencia de la esperada si el comportamiento eléctrico de los elementos fotovoltaicos de una misma rama deja de ser idéntico. Estas situaciones son frecuentes dado que estos elementos:

• Pueden operar bajo distintas irradiancias: este es el caso cuando algunos elementos fotovoltaicos son sombreados por objetos colindantes como edificios, acumulan suciedad, cuya cantidad depende de su ubicación, tienen distinta orientación respecto a la trayectoria solar, etc.

• Pueden operar a distintas temperaturas.

• Pueden presentar dispersiones y distintas degradaciones en sus características eléctricas.

• Pueden no entregar potencia por fallos de construcción, destrucción mecánica, avería eléctrica, etc.

En estas condiciones, los elementos fotovoltaicos afectados reducen la corriente generada, reduciendo asimismo la potencia de la rama a la que están conectados y, por tanto, la potencia total del generador fotovoltaico. Es por ello que, tal como se muestra en la Figura 4a) , los fabricantes incluyen, u ofrecen la posibilidad de incluir externamente, diodos de paso (1) conectados en paralelo con uno o varios paneles solares de una rama. Estos diodos pueden entrar en conducción, evitando la reducción de corriente, pero su conducción reduce asimismo la tensión en la rama y por tanto también la potencia disponible. Además, éstos modifican la característica potencia-tensión del generador fotovoltaico que, tal como se ilustra en la Figura 4b) , para el caso particular de un generador fotovoltaico constituido por una única rama de tres elementos fotovoltaicos idénticos conectados en serie y operando a distintas irradiancias, pasa ahora de tener un único máximo a tener varios máximos locales de potencia (2) . Esta modificación constituye una dificultad adicional en la extracción de la máxima potencia disponible, ya que el algoritmo de seguimiento del punto de máxima potencia que gobierna el procesador no suele contemplar la existencia de diversos máximos, y puede forzar al generador fotovoltaico a operar en un máximo local de potencia que no corresponda al máximo absoluto.

La invención relatada solventa la problemática detallada...

1. Dispositivo de conmutación (1) en la Figura 5, para la extracción óptima de energía de generadores fotovoltaicos, formado por un conjunto de conmutadores controlados (5) , para ser conectado entre los elementos fotovoltaicos generadores de energía (2) y el sistema procesador de potencia (3) .

Este dispositivo de conmutación configura el generador fotovoltaico interconectando los elementos fotovoltaicos de acuerdo con una topología basada en una única rama formada por la conexión en serie de agrupaciones de elementos fotovoltaicos conectados en paralelo, según la Figura 6a) para el caso de 9 elementos, y permite la interconexión de cualquier elemento fotovoltaico en cualquiera de los grupos de la rama. Para ello es necesario conectar cada elemento fotovoltaico (3) a dos conmutadores (4 y 4’) de una línea de entrada y tantas líneas de salida como agrupaciones que forman la rama (n líneas de salida) , según se muestra en la Figura 6b) para un único elemento fotovoltaico y en el caso de n=3. La Figura 7 muestra el conjunto de conmutadores controlados necesarios para la interconexión de los 9 elementos fotovoltaicos que forman un generador fotovoltaico con n=m=3. Siguiendo este principio, y asumiendo que se dispone de un número n·m de elementos fotovoltaicos, el dispositivo de conmutación objeto de esta reivindicación está caracterizado por los siguientes bloques:

-Un conjunto de 2·n·m conmutadores controlados (5) en la Figura 5. Según muestra la Figura 6b) , cada elemento fotovoltaico (3) tiene asociado dos conmutadores controlados (4 y 4’) de una línea de entrada y n de salida que tecnológicamente se implementan electromecánicamente mediante relés o electrónicamente mediante dispositivos bipolares, de efecto de campo y/o de puerta aislada. Esta implementación también incluye los circuitos excitadores de los conmutadores controlados, encargados de adecuar las salidas del controlador digital programable a los niveles de tensión y corriente requeridos por dichos conmutadores.

La Figura 7 muestra el conjunto de conmutadores para el caso de un generador fotovoltaico formado por n=3 grupos conectados en serie en una única rama, donde cada grupo está constituido por m=3 elementos fotovoltaicos (3) conectados en paralelo. Esta figura muestra la estructura formada por los 2·n·m=18 conmutadores controlados necesarios (1) para poder interconectar los n·m=9 elementos fotovoltaicos (3) disponibles.

-Transductores (6 y 6’) en la Figura 5, realizados mediante sensores de tensión y corriente, que miden la tensión y la corriente de cada elemento fotovoltaico y las aplican a las entradas al controlador digital para que éste pueda implementar el control en tiempo real del dispositivo de conmutación.

-Controlador digital programable (7) en la Figura 5, que a partir de la información suministrada por los transductores, y mediante la acción de la estrategia descrita en la reivindicación 2, controla el conjunto de conmutadores. Tecnológicamente, este controlador puede implementarse mediante un microcontrolador, un procesador digital en tiempo discreto o un dispositivo electrónico de lógica programable en campo.

2. Estrategia de control por ecualización de irradiancia para el dispositivo de conmutación, según la reivindicación 1, orientada a la extracción óptima de energía de generadores fotovoltaicos, y caracterizada por un proceso en tiempo real, secuencial y continuado en el tiempo, que responde a los siguientes pasos:

Paso 1. Estimación de la irradiancia en cada elemento del generador fotovoltaico a partir de sus valores de tensión y corriente, de acuerdo con la ecuación:

Donde G es el valor de la irradiancia estimada, V e I son, respectivamente, los valores de tensión y corriente medidos por los transductores de cada elemento fotovoltaico, mientras que los parámetros α, I0 y n·VT pueden obtenerse a partir de características eléctricas de los paneles solares utilizados y que son suministradas por su fabricante.

Paso 2. Cálculo del nivel de ecualización de la irradiancia para todas las asociaciones con potencia de salida distinta, de acuerdo con la ecuación:

Donde Ak (k = 1, 2..., λ) representa cada una de las λ asociaciones posibles de elementos fotovoltaicos con potencia máxima disponible distinta.

M1 corresponde al factor que permite medir el nivel de ecualización de irradiancia en cada uno de los grupos i de la asociación Ak. Este factor se define para cuantificar la diferencia entre la suma de irradiancias de cada grupo conectado en paralelo del generador y, por tanto, cuantifica el nivel de limitación de corriente de la asociación Ak.

Gik representa la suma de irradiancias en el grupo i del generador fotovoltaico en la asociación k yse determina de acuerdo con la siguiente ecuación:

Donde Gijk corresponde al nivel de irradiancia de cada elemento fotovoltaico de la asociación Ak. Dicho nivel se estima según lo detallado en el Paso 1.

Paso 3. Determinación del conjunto de asociaciones óptimas a partir del nivel de ecualización de la irradiancia de cada asociación Mi, según la ecuación:

El conjunto de asociaciones óptimas AOPTδ será el constituido por las asociaciones de elementos fotovoltaicos que presenten un mayor grado de ecualización de la irradiancia entre los grupos que las forman. Debido a que cuanto mayor es el grado de ecualización de la irradiancia menor es el valor del nivel de ecualización M1, se seleccionan las asociaciones con menor valor de este índice.

Paso 4. Cálculo del número de cambios necesarios para pasar de la asociación inicial a cada una de las asociaciones óptimas, computando el factor M2 para determinar el número de cambios a realizar según la ecuación:

Este cálculo se realiza en el caso de que tras la aplicación del paso anterior se determine la existencia de varias asociaciones óptimas. Si esto ocurre, el nuevo factor M2 indica en número de reconexiones entre elementos fotovoltaicos que hay que realizar para pasar de la asociación actual de elementos Ai, a cada una de las asociaciones óptimas AOPTδ .

Paso 5. Elección de la asociación óptima (A* OPTδ) que minimiza el número de reconexiones a realizar entre los elementos fotovoltaicos, y que será la utilizada para la interconexión de los elementos del generador fotovoltaico, de acuerdo con la ecuación:

Paso 6. Activación de los conmutadores controlados, enviándose, desde el controlador digital programable, las señales adecuadas a los mismos para establecer la interconexión de los elementos fotovoltaicos determinada en el paso anterior como la asociación óptima, A* OPTδ.

Paso 7. Salto al Paso 1, cerrándose así el proceso continuado en el tiempo.