Procedimiento y dispositivo de medida de las curvas características en sistemas fotovoltaicos.

Dispositivo de medida capaz de capturar las curvas características en sistemas fotovoltaicos, tales como: corriente versus tensión (I-V) y potencia versus tensión (P-V); de una célula solar (CS), de un panel fotovoltaico (PV) o de un grupo de ellos; que está caracterizado por estar formado por uno o varios convertidores CC/CC (10) [Corriente Continua/Corriente Continua], una o varias células solares (20) o paneles fotovoltaicos (30); un equipo de captura y visualización (40), y un circuito de control (50), conectado a los convertidores

Procedimiento y dispositivo de medida de las curvas características en sistemas fotovoltaicos.

Se propone un procedimiento de medida junto a un sistema que permite medir, capturar y mostrar las curvas características corriente versus tensión (I-V), y potencia versus tensión (P-V) de una célula solar, un panel fotovoltaico (agrupación de células solares en un solo módulo) o un grupo de ellos, en tiempo real, basado en convertidores electrónicos de CC/CC y convertidores CC/CC en paralelo e interpolados.

Antecedentes de la invención

Quizás la información más importante para analizar el funcionamiento adecuado de una CS, un panel fotovoltaico PV o un grupo de ellos, es poder disponer de sus curvas I-V y P-V reales desde que salen de fábrica hasta agotar su vida útil (decenas de años). La figura 1 muestra estas curvas con la irradiancia y la temperatura del panel como parámetros. Estas curvas características contienen, entre otros, 3 puntos muy importantes: uno es la corriente de cortocircuito (I_sc) o corriente máxima a tensión cero, otro es la tensión de circuito abierto (V_oc) o tensión máxima a corriente cero, y el tercero es el punto de máxima transferencia de potencia (MPP) del PV, el cual viene dado por un par de valores tensión-corriente concreto (V_m, I_m).

Para cada punto de la curva I-V, el producto de la tensión por la corriente representa la potencia suministrada por el panel para cada condición de operación (irradiancia, temperatura del panel y carga conectada al mismo). Por supuesto, en el MPP el producto I-V es máximo, P_m en la figura 1.

El Factor de Forma (FF) de la CS es una magnitud muy importante, ya que indica la calidad de la misma y da una idea de lo próxima a un ángulo recto que es su curva I-V. El FF se define como la relación entre P_m y el producto I_sc • V_oc, esto es, P_m = I_sc • V_oc • FF. Por tanto, cuanto más próximo a 1 es el FF mayor calidad tiene la CS.

La medida experimental de las curvas características de un panel fotovoltaico puede ser realizada hoy en día por varios métodos. Todos ellos están basados en conectar una carga variable en los terminales de la CS, el PV o grupo de ellos que se desean medir, de modo que se pueda llevar la corriente desde cero (V_oc) a cortocircuito (I_sc). En el impreso de solicitud se dan detalles del estado de la técnica actual.

Es bien sabido que los convertidores CC/CC permiten aumentar o disminuir y/o cambiar la polaridad de la tensión continua a su salida. Esto se consigue mediante la técnica de modulación por ancho de pulso (PWM), usualmente a frecuencia constante. Mediante esta técnica se genera una señal PWM que controla el convertidor a través de su ciclo de trabajo (D), el cual se define como la relación entre el tiempo de conducción y el periodo de conmutación del transistor del convertidor. De lo anterior se deduce que un convertidor CC/CC se comporta como un transformador de corriente continua con una relación de transformación regulable mediante su ciclo de trabajo D, el cual puede variar en el intervalo [0,1].

Las tres topologías básicas de convertidores CC/CC (Buck, Boost, y Buck-Boost) se muestran en la figura 2 (el transistor del convertidor está representado como un interruptor). Las tres pueden funcionar como transformadores de corriente continua, tanto en modo de conducción continuo (MCC) como en modo de conducción discontinuo (MCD).

Por otro lado, la capacidad de los convertidores de CC/CC para emular una resistencia variable es una cuestión ya conocida, y usada principalmente en dispositivos correctores del factor de potencia. Esta propiedad se utiliza en esta invención para obtener las curvas I-V y P-V de una CS, PV o grupo de ellos. En la tabla I se resumen, para cada topología de convertidor CC/CC y para cada modo de conducción, las relaciones entre la resistencia de entrada R_i (es la resistencia que ve la CS, PV o grupo de ellos a su salida, esto es, la resistencia de entrada del convertidor CC/CC, la cual puede ser controlada en función de D), la inductancia equivalente L_eq, y la resistencia de carga R conectada al convertidor CC/CC.

En esta tabla, D representa el ciclo de trabajo del convertidor (su valor varía entre 0 y 1) y K es un parámetro adimensional que mide la tendencia de un convertidor a operar en MCC o MCD. Valores altos de K llevan a MCC, mientras que valores bajos de K llevan a MCD. El valor de K crítico que representa la frontera entre MCC y MCD es función de D. Si K es mayor que 1, entonces el convertidor opera en MCC.

Atendiendo a los valores dados en la tabla anterior, se pueden deducir las siguientes conclusiones sobre el funcionamiento de cada topología como emulador resistivo.

Topología Buck (Fig. 2a)

La resistencia R_i (MCC) debe tener un valor en el intervalo R_i(MCC)ε[R, infty) la resistencia R_i (MCD) debe tener un valor en el rango:

donde L_eq = L para la topología Buck, ya que tiene una sola inductancia.

De acuerdo con la expresión anterior, la topología Buck no puede emular resistencias más pequeñas que la de carga y, por tanto, si se quiere utilizar para obtener la curva I-V de un PV no puede trabajar en valores próximos a la corriente de cortocircuito I_SC del PV. Se concluye pues que la topología Buck no permite obtener la curva completa de un PV.

Topología Boost (Fig. 2b)

En este caso:

donde L_eq = L para la topología Boost, ya que tiene una sola inductancia.

De acuerdo con la expresión anterior, la topología Boost no puede emular resistencias más grandes que la de carga y, por tanto, si se quiere utilizar para obtener la curva I-V de un PV no puede trabajar en valores próximos a la tensión de circuito abierto (V_oc) del PV. Se concluye pues que la topología Buck no permite obtener la curva completa de un PV.

Topología Buck-Boost (Fig. 2c)

En este caso:

donde L_eq = L para la topología Buck-Boost de una sola inductancia. Hay topologías Buck-Boost con más de una inductancia: SEPIC, Cuk y Zeta.

De la expresión anterior se deduce que esta topología permite obtener en modo MCC de forma completa (R_i puede variar desde 0 a infinito), desde circuito abierto (V_oc) a cortocircuito (I_SC), la curva característica de una CS, un PV o un grupo de ellos.

En virtud del análisis previo queda claro que la única topología que permite efectuar el barrido completo de la curva I-V de una CS, un PV o un grupo de ellos es la Buck-Boost. Esta topología admite diferentes configuraciones, a saber, Buck-Boost de una sola inductancia (Figura 2c), SEPIC (Figura 3a), CUK (Figura 3b) y ZETA (Figura 3c). Las 4 configuraciones tienen el mismo ratio de conversión y, por tanto, pueden emular la resistencia de entrada desde 0 a infinito. No obstante, en las configuraciones Buck-Boost y Zeta la corriente de entrada es siempre discontinua (nótese en las figuras 2c y 3c que el interruptor está en serie con la CS, el PV o grupo de ellos), lo cual crea una gran cantidad de armónicos en la corriente que originan un gran rizado en los terminales de la CS, el PV o grupo de ellos. Esto, en definitiva, provoca grandes problemas de ruido en la medida. Las configuraciones Cuk y SEPIC no tienen este problema, por lo cual son más indicadas para la aplicación de esta invención. Realmente, ambas configuraciones son muy similares: tienen las mismas ecuaciones, el mismo número de componentes, la misma ubicación del transistor y un rendimiento muy parecido. No obstante, en la configuración Cuk el condensador de enlace C₁ ha de soportar...

1. Dispositivo de medida de las curvas características en sistemas fotovoltaicos configurado para mostrar la medida de las curvas características en sistemas fotovoltaicos, tales como corriente versus tensión (I-V) y potencia versus tensión (P-V), de una célula solar (20), de un panel fotovoltaico (30) o de un grupo de ellos o combinación de los mismos caracterizado porque comprende uno o varios convertidores CC/CC (10) [Corriente Continua/Corriente Continua], un equipo de captura y visualización (40), y un circuito de control (50), conectado a los convertidores (10).

2. Dispositivo de medida de acuerdo con la reivindicación 1 en donde los convertidores CC/CC (10) conectados en paralelo operan en modo interpolado.

3. Dispositivo de medida, según reivindicación 1, caracterizado porque es capaz de medir tanto células solares (20), paneles fotovoltaicos (30) o agrupaciones de ellos.

4. Dispositivo de medida, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el equipo de captura y visualización (40) estará conectado tanto al convertidor CC/CC (10) como a la célula solar (20), panel fotovoltaico (30), o agrupación de ellos.

5. Dispositivo de medida, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el circuito de control (50) estará unido al convertidor CC/CC (10) o conexión de ellos en paralelo.

6. Procedimiento de medida de las curvas características en sistemas fotovoltaicos, que emplea el dispositivo de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque comprende una etapa de desfase de las señales de control de los convertidores CC/CC (10) que están operando en paralelo a la misma frecuencia.