Procedimiento de detección del punto de máxima potencia en un generador fotovoltaico.

Método para encontrar un punto de máxima potencia generada por un generador fotovoltaico, donde dicho método es capaz de discernir entre unos máximos locales de la curva característica de dicho generador y el máximo absoluto de dicha curva, que comprende la etapa de encontrar, mediante la ejecución un número N de veces de un algoritmo PO, unos valores de tensión e intensidad que correspondan a un punto de máxima potencia; estando el método caracterizado por ejecutar un algoritmo de comprobación para determinar si dicho punto de máxima potencia es un máximo local de la curva característica o el máximo absoluto de la misma. Programa de ordenador que comprende medios de código de programación adaptados para realizar el método cuando dicho programa se ejecuta en un microcontrolador, en un procesador digital de señalo en una red informática de ordenadores

Procedimiento de detección del punto de máxima potencia en un generador fotovoltaico.

Campo de la invención

La presente invención pertenece al campo de los generadores fotovoltaicos, y más concretamente, a los métodos de seguimiento del punto de máxima potencia de la curva de salida de los generadores fotovoltaicos.

Antecedentes de la invención

La energía fotovoltaica consiste en la conversión directa de luz en electricidad. Aunque su principio básico de funcionamiento se conoce desde el siglo XIX, no fue hasta mediados del siglo pasado cuando se empezó a emplear esta tecnología como fuente de energía, impulsada en gran medida por el fuerte progreso de la tecnología del silicio semiconductor en aplicaciones electrónicas.

El componente básico de un sistema fotovoltaico es la célula fotovoltaica, que convierte directamente la luz del sol en energía eléctrica. La célula es una unión p-n o diodo de material semiconductor, normalmente silicio. Cuando los fotones de la radiación solar inciden sobre sus electrones, estos pueden quedar liberados y pasar a formar parte de la corriente eléctrica de generación. Una célula fotovoltaica se puede representar por el circuito equivalente de la figura 1. El modelo consiste en una fuente ideal de corriente, un diodo, una resistencia serie y una resistencia paralelo. La fuente ideal de corriente representa la corriente generada I_pv, el diodo simula la corriente de oscuridad I_D, la resistencia serie R_s las pérdidas óhmicas que se producen al extraer la corriente del dispositivo y la resistencia paralelo R_p las fugas de corriente a través de la unión que son proporcionales a la tensión aplicada. En consecuencia, la característica de salida de una célula fotovoltaica queda descrita según la siguiente ecuación, donde m es el factor de idealización, k es la constante de Boltzman, T_c es la temperatura de la célula, e la carga del electrón y V la tensión a través de la célula.

Como los pequeños niveles de tensión y corriente de una célula no son suficientes para la mayor parte de las aplicaciones, normalmente las células se conectan en serie y paralelo para constituir el módulo fotovoltaico. Si aún se requieren mayores niveles de tensión y corriente, se agrupan módulos en serie y paralelo hasta obtener los valores deseados. En consecuencia, cualquier sistema o generador fotovoltaico está constituido por la asociación serie y paralelo de células fotovoltaicas y, por tanto, idealmente la curva característica de salida del generador es similar a la de la célula, sólo que multiplicando el valor de las tensiones por el número de células y módulos en serie y el valor de las corrientes por el número de células y módulos en paralelo.

En un sistema fotovoltaico se pretende obtener la máxima cantidad de energía eléctrica a partir de la radiación solar. Según la ecuación anterior, todo generador fotovoltaico presenta un punto de operación óptimo, denominado punto de máxima potencia, con el que se consigue la mayor cantidad de energía posible. Este punto depende de la radiación solar y la temperatura de las células fotovoltaicas. En la figura 2, se muestra el punto de máxima potencia sobre la curva característica de un módulo fotovoltaico. La línea discontinua representa la potencia de salida del módulo.

La conexión directa de un generador fotovoltaico a una carga conduce al punto de trabajo que resulta de la intersección de las curvas características de ambos. En general, este punto no tiene por qué coincidir con el de máxima potencia del generador, máxima cuando las condiciones de trabajo y la carga varían a lo largo del tiempo y, por tanto, se puede hablar de unas pérdidas de utilización. Por esta razón, para evitar estas pérdidas se hace indispensable un interfaz electrónico que adapte los niveles de tensión del generador fotovoltaico a la carga permitiendo trabajar al generador en su punto óptimo de funcionamiento en todo momento. Este interfaz electrónico es el convertidor DC-DC, un sencillo circuito electrónico constituido por condensadores, inductancias e interruptores. El interruptor es un dispositivo semiconductor, normalmente un MOSFET, que funciona en corte (interruptor abierto) o saturación (interruptor cerrado), según la tensión que se aplique en su puerta. De este modo, se controla la relación de conversión entre entrada y salida del convertidor aplicando diferentes técnicas de conmutación, siendo la más habitual la modulación por anchura de pulso o modulación PWM. Como la tensión de salida del convertidor DC-DC se puede suponer constante, al controlar la relación de conversión, se controla directamente la tensión de entrada, es decir, la tensión del generador fotovoltaico y su punto de trabajo. Así, el convertidor proporciona a su salida los niveles de tensión y corriente requeridos por la carga mientras que a su entrada permite trabajar al generador fotovoltaico en su punto de máxima potencia. Para lograr este objetivo se han desarrollado diversos algoritmos de seguimiento del punto de máxima potencia o algoritmos MPPT (Maximum Power Point Tracking) que, monitorizando alguna de las magnitudes del sistema, mantienen al generador en todo momento en su punto de máxima potencia.

En la figura 3 se presentan las características de un módulo fotovoltaico y de una resistencia de 50O. Las hipérbolas, en línea de puntos, son el lugar geométrico de los puntos con potencia constante. Obsérvese que si se conecta directamente el módulo a la carga, el punto de funcionamiento, marcado a rojo, proporciona una potencia mucho menor a la correspondiente al punto de máxima potencia. El empleo del convertidor DC-DC posibilitó puntos de funcionamiento diferentes para generador y carga, como puede apreciarse gracias a los puntos verdes de la figura 3. Cabe destacar que en los inversores de inyección a red también es posible prescindir del convertidor DC-DC y realizar el seguimiento del punto de máxima potencia directamente en la etapa inversora o convertidor DC-AC. Sin embargo, en este caso el control es mucho más inestable. Mientras en el convertidor DC-DC tan sólo se controla la relación de conversión y con ella la tensión de entrada, en el convertidor DC-AC debe existir un control adicional de la tensión de salida para generar exactamente los niveles de tensión que exige la red de distribución eléctrica. Por este motivo, el algoritmo de máxima potencia tan sólo puede controlar la consigna de potencia de salida, lo que dificulta enormemente la obtención de un método lo suficientemente estable y preciso. Por otra parte, en sistemas conectados a red el convertidor DC-DC ayuda a elevar los niveles de tensión del generador fotovoltaico a los de la red eléctrica.

El punto de máxima potencia de un generador fotovoltaico no es constante, sino que depende de la intensidad de radiación solar y también de la temperatura de las células fotovoltaicas. Además, en muchas aplicaciones, la carga no se mantiene constante, sino que fluctúa a lo largo del tiempo. Es, por tanto, necesario recurrir a alguna técnica que adapte la relación de transformación del convertidor DC-DC, de modo que se transfiera en todo momento la máxima potencia disponible en el generador fotovoltaico a la carga. El circuito de control que implementa estas técnicas determina la relación de conversión variando algún parámetro de la modulación de la señal de puerta de los interruptores del convertidor. En la actualidad, existe un amplio abanico de métodos MPPT: desde los más simples circuitos analógicos que llevan a cabo un control clásico por realimentación hasta los más novedosos y complejos algoritmos genéticos u otros basados en lógica borrosa. Los procedimientos analógicos, a pesar del reducido coste de los componentes del circuito, presentan el principal inconveniente de verse gravemente afectados por los cambios de temperatura, mientras los últimos requieren una gran capacidad de cálculo para su implementación. Los métodos más utilizados son los algoritmos MPPT digitales que pueden desarrollarse con un sencillo microcontrolador o DSP. Entre estos algoritmos MPPT se diferencian dos grandes grupos. Unos son los métodos indirectos, que basan su funcionamiento en el conocimiento previo de la curva característica del generador fotovoltaico y aplican estimadores, tablas y otras técnicas computacionales para determinar el punto de máxima potencia. Otros, en cambio, realizan una búsqueda continua del punto óptimo...

1. Método para encontrar un punto de máxima potencia generada por un generador fotovoltaico, donde dicho método es capaz de discernir entre los máximos locales de la curva característica de dicho generador y el máximo absoluto de dicha curva, caracterizado por que alterna la ejecución de:

- un algoritmo de perturbación y observación o algoritmo PO, partiendo de un valor de tensión de referencia que inicialmente es la tensión de circuito abierto (V_oc), un número N de veces, para obtener unos valores de tensión e intensidad (V_mpp, I_mpp) que corresponden a un punto de máxima potencia (P_mpp);

- y un algoritmo de comprobación, para determinar si dicho punto de máxima potencia (V_mpp, I_mpp, P_mpp) es un máximo local de la curva característica o el máximo absoluto de la misma, que comprende las etapas de:

etapa 1: establecer una tensión (V_n), que en la primera ejecución del algoritmo de comprobación es igual al valor mínimo de tensión (V_min) determinado por el convertidor DC-DC que usa el generador para evitar pérdidas de utilización o por el convertidor DC/AC de la etapa inversora del generador, y medir una intensidad (I_n) que corresponde a dicha tensión (V_n) en la curva característica del generador y calcular la potencia (P_n) correspondiente al punto de trabajo formado por dichas tensión e intensidad (V_n, I_n);

etapa 2: comparar dicha potencia calculada (P_n) y la potencia (P_mpp) del punto de máxima potencia (V_mpp, I_mpp) obtenido en la última ejecución del algoritmo PO, y

etapa 3: calcular un nuevo valor de tensión mediante la siguiente fórmula: V_n+1 = P_mpp/I_n, y:

etapa 4: volver a la etapa 1 estableciendo la tensión V_n con el nuevo valor de tensión (V_n+1) calculado.

2. Programa de ordenador que comprende medios de código de programación adaptados para realizar todas las etapas de la reivindicación 1, cuando dicho programa se ejecuta en un microcontrolador, en un procesador digital de señal o en una red informática de ordenadores.