Método de control apropiado para un sistema de módulos fotovoltaicos de concentración.

La presente invención está dirigida a un método de control apropiado para un sistema de módulos fotovoltaicos de concentración que permite el mantenimiento de la correcta orientación de los módulos para el seguimiento del Sol sin necesidad de uso de sensores de posicionamiento. El seguimiento del Sol se lleva a cabo realizando cada cierto tiempo desplazamientos angulares en cada uno de los grados de libertad midiendo la potencia o corriente entregada por el o los módulos de captación de energía. La estimación del sol y la estrategia de movimientos posteriores se determinan en función de esta lectura.

Método de control apropiado para un sistema de módulos fotovoltaicos de concentración.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención está dirigida a un método de control apropiado para un sistema de módulos fotovoltaicos de concentración que permite el mantenimiento de la correcta orientación de los módulos para el seguimiento del Sol sin necesidad de uso de sensores de posicionamiento. El seguimiento del Sol se lleva a cabo realizando cada cierto tiempo desplazamientos angulares en cada uno de los grados de libertad midiendo la potencia o corriente entregada por el o los módulos de captación de energía. La estimación de la posición del Sol y la estrategia de movimientos posteriores se determinan en función de esta lectura.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La potencia generada por un sistema fotovoltaico depende de su orientación respecto a la posición del Sol. Los sistemas seguidores son dispositivos que permiten modificar la orientación de los módulos de captación de energía solar para que la orientación sea en cada instante de tiempo lo más cercana posible a la posición en la que se encuentra el Sol.

En particular, los módulos de captación de energía solar constituidos por paneles fotovoltaicos convencionales tienen un rendimiento que depende del ángulo de incidencia de los rayos. No obstante, incluso cuando este ángulo es importante, los módulos siguen captando energía aunque sea en menor medida.

Otro tipo de módulos de captación de energía solar son los módulos concentradores. Estos módulos no cubren la totalidad de la superficie irradiada con material semiconductor, sino que están formados por una superficie constituida por lentes concentradoras que focalizan la radiación incidente en un área reducida en la que se encuentra el semiconductor o célula solar. En general, los sistemas fotovoltaicos de concentración son mucho más sensibles a las desviaciones respecto de la correcta orientación al Sol. Incluso con desviaciones pequeñas, la no focalización de los haces incidentes en el semiconductor pueden provocar una caída significativa de la potencia producida.

En el estado de la técnica se conocen dispositivos auxiliares que miden el error de apunte de dicho sistema respecto a la posición del Sol. Esta medida es interpretada y utilizada por unos medios de control que a su vez actúan sobre unos medios de impulsión del dispositivo seguidor para que los módulos de captación de energía solar mantengan la correcta orientación.

Un ejemplo de dispositivo auxiliar es el que hace uso de una pluralidad de áreas sensibles a la radiación solar situadas sobre un plano y distribuidas en torno a un punto; y, un elemento opaco situado sobre dicho punto, distanciado del plano, destinado a arrojar sombra sobre el plano donde están las áreas sensibles.

Cuando la orientación del plano donde se encuentran las áreas sensibles a la radiación solar es perpendicular a la radiación, entonces el elemento que se encuentra sobre este plano arroja la sombra en el punto en torno al cual se distribuyen las áreas sensibles sin que ninguna de ellas vea reducida la lectura de la radiación. Por el contrario, cuando el plano no está orientado perpendicularmente a la dirección de radiación, la sombra cubre algunas de las áreas sensibles. Dependiendo de qué área sensible es la que se encuentra total o parcialmente cubierta es posible determinar el grado de desviación de la orientación del plano de este dispositivo auxiliar.

Este tipo de dispositivos auxiliares y otros tienen varios inconvenientes. El primero es que la suciedad podría desvirtuar la lectura, ya que pueden generarse sombras que sean interpretadas como desviaciones del dispositivo de orientación. Una partícula no muy grande puede impedir la correcta orientación de un módulo completo de captación de energía solar y éste puede estar instalado en un lugar donde no se acceda fácilmente ni de forma inmediata.

Otro inconveniente que presenta el uso de dispositivos auxiliares que determinan el error de apunte es que tales dispositivos miden el error en su orientación respecto de la dirección de incidencia de los rayos y no el error en la orientación del sistema completo. Es por tanto necesario garantizar que el sensor de apunte y el seguidor tienen la misma orientación. Sin embargo, esta orientación de uno respecto del otro no siempre es perfecta, está sujeta a errores de montaje; y, puede verse modificada por problemas por ejemplo de deformación o desalineamiento de los elementos estructurales.

La presente invención es un método para conseguir orientar correctamente un sistema fotovoltaico de concentración sin necesidad de emplear elementos auxiliares que midan el error de apunte.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Un primer aspecto de la invención es un método de control apropiado para un sistema de módulos fotovoltaicos de concentración de acuerdo a la reivindicación 1. Un segundo aspecto de la invención es un dispositivo de acuerdo a la reivindicación 13 adaptado para llevar a cabo el método de control según el primer aspecto de la invención.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Estas y otras características y ventajas de la invención, se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción detallada que sigue de una forma preferida de realización, dada únicamente a título de ejem

plo ilustrativo y no limitativo, con referencia a las figuras que se acompañan.

Figuras 1-5 Las cinco figuras muestran una secuencia de gráficas de lectura de la potencia o de la corriente entregada por un módulo de captación de energía solar durante una fase de desplazamiento para diferentes casos posibles.

Figura 6 La figura 6 muestra un esquema de regulación donde se tiene en cuenta el error de posición de un seguidor de acuerdo a un ejemplo de realización de la invención.

EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Tal y como se indicaba en la descripción de la invención, un primer aspecto de la invención es un método de control apropiado para un sistema de módulos fotovoltaicos de concentración. Este método permite el adecuado seguimiento del Sol para optimizar su rendimiento donde este sistema comprende:

• al menos de un módulo de captación de energía solar para proveer de energía a una carga, El módulo de captación de energía solar no tiene porqué necesariamente ser un módulo concentrador, no obstante, este método es especialmente ventajoso en este tipo de dispositivos y se ha probado que ofrece la suficiente precisión para mantener la correcta orientación. La carga a la que se provee de energía es habitualmente una red de distribución de energía a la que se transfiere la energía generada.

• un dispositivo de orientación provisto de uno o más grados de libertad Y j, j=1, 2, .. según uno o más ejes de giro Ej, j=1, 2, .. adaptado para situar el módulo de captación de energía solar en una determinada posición angular xdis= (Y1''Y2’, …) , Habitualmente los dispositivos de orientación son estructuras sobre las que están instalados los módulos de captación de energía solar donde tales estructuras están configuradas como una cadena cinemática que dispone de un determinado número de grados de libertad.

El primer elemento de la cadena cinemática es un soporte fijo y el último elemento de la cadena cinemática es solidario al módulo de captación de energía solar. Estos grados de libertad y el cómo está configurada la cadena cinemática pueden ser muy variados.

Lo más habitual, y a modo de ejemplo, es que el dispositivo de orientación disponga de dos grados de libertad. Sobre un soporte fijo, un primer giro permite la orientación en azimut de un segundo soporte arrastrado por este primer giro. Sobre este segundo soporte se encuentra un tercer soporte vinculado por un segundo giro, el que permite determinar el grado de elevación del tercer soporte. Este tercer soporte es el que soporta al módulo de captación de energía solar.

El vector constituido por los ángulos que determinan la posición angular del módulo de captación de energía solar es el vector que hemos denominado xdis.

• unos medios de impulsión adaptados para mover el dispositivo de orientación en cada uno de los ejes de giro Ej, j=1, 2, .., Cada grado de libertad implica la existencia de un medio de impulsión que permite mover el dispositivo de orientación respecto del eje asociado a dicho...

1. Método de control apropiado para un sistema de módulos fotovoltaicos de concentración donde es

te sistema comprende:

• al menos de un módulo de captación de energía solar para proveer de energía a una carga,

• un dispositivo de orientación provisto de uno o más grados de libertad Yj, j=1, 2, .. según uno o más ejes de giro Ej, j=1, 2, .. adaptado para situar el módulo de captación de energía solar en una determinada posición angular xdis= (Y1/ Y2’, …) ,

• unos medios de impulsión adaptados para mover el dispositivo de orientación en cada uno de los ejes de giro Ej, j=1, 2, ..,

• unos medios de medida o bien de la potencia o bien de la corriente entregada por el módulo de captación de energía solar,

• una unidad de proceso acoplada a los medios de medida de la potencia o intensidad entregada y adaptada para generar órdenes que establezcan el movimiento del dispositivo de orientación,

donde el control a través de la unidad de proceso establece el seguimiento del Sol por parte del módulo de captación de energía solar de acuerdo a las siguientes etapas:

• definir una función de referencia Pref que determine una estimación de la posición del Sol xsol= (Y1, Y2, …) =xref, donde xref= (Yr1 Yr2, …) =Pref (t, lat, lon) dependiente al menos de la fecha, hora, latitud y longitud.

• generar órdenes para orientar el dispositivo de orientación a un primer punto xdis=xref,

• para cada eje de giro Ej establecer un valor umbral Ej, j=1, 2, .. de desviación angular mínima,

• para cada instante de tiempo ti de una secuencia de instantes de tiempo establecidos por la unidad de proceso, mientras los módulos de captación están operativos, y en cada uno de los ejes de giro del dispositivo de orientación Ej j=1, 2, .., tomando los ejes Ej en cualquier orden, se lleva a cabo la secuencia de pasos a) -e) :

a) se determina la estimación de la coordenada angular de la posición del Sol Yrj a partir de la función de referencia Pref en ti y se calcula la desviación angular 0Yj entre dicha posición estimada Yrj del Sol y la posición angular del dispositivo de orientación Yj’ en el instante de tiempo anterior, b) si la desviación angular 0Yj es mayor que su valor umbral Ej de desviación mínima, se establece una distancia de avance aj a lo largo de la dirección de avance para el dispositivo de orientación en dicho eje Ej, tal que la posición avanzada Yj’+aj se encuentre por delante de la posición estimada del Sol Yrj en dicho eje Ej, y se establece un valor nulo si la desviación angular es menor que el mismo valor umbral, c) determinar x0 como la posición inicial Yj’ antes del avance y x1= Y/+aj j como la posición final tras el avance; y, generar órdenes para el avance en el eje Ej del dispositivo de orientación al punto x1, d) definir una función P (x) en el intervalo [x0, x1] donde P (x) corresponde a la medida aportada por los medios de medida o bien de la potencia o bien de la corriente entregada por el módulo de captación de energía solar a lo largo del recorrido [x0, x1] según el eje Ej, e) evaluar el máximo Pmax de la función P (x) en el intervalo [x0, x1] y el punto xm donde se localiza dicho máximo Pmax=P (xm) , y establecer Yj=x0+ donde º<aj, siendo tal que Yj toma el valor xm donde se localiza el máximo Pmax=P (xm) .

2. Método según la reivindicación 1 caracterizado porque antes de establecer el valor deY j en la etapa e) se verifica si existen perturbaciones que alteran la lectura de P (X) en cuyo caso = k aj donde k toma valores entre 0 y 0.5, preferentemente 0.5.

3. Método según la reivindicación 1 caracterizado porque tras evaluar el máximo Pmax en la etapa e) se evalúa un coeficiente cu entre 0 y 1, preferentemente 0.95, y un valor umbral U=cuPmax de tal modo que si P (x0) es mayor que U y P (x1) es menor que U, entonces se calcula el punto x2 tal que P (x2) = U, y entonces se establece Yj=x2- donde º< aj.

4. Método según la reivindicación 1 caracterizado porque tras evaluar el máximo Pmax en la etapa e) se evalúa un coeficiente cu entre 0 y 1, preferentemente 0.95, y un valor umbral U=cuPmax de tal modo que si P (x0) es menor que U y P (x1) es mayor que U, entonces se calcula el punto x2 tal que P (x2) = U, y entonces se establece Yj=x2+º donde º< aj.

5. Método según la reivindicación 1 caracterizado porque la estimación de la posición del Sol se modifica mediante una corrección de control integral.

6. Método según la reivindicación 1 o 5 caracterizado porque se define un factor de corrección e= (e1, e2, …) , tal que la estimación de la posición del Sol xsol= (Y1 Y2, …) empleada en la etapa a) es una corrección de la posición tomada a partir de la función de referencia Pref de la forma xsol=xref+e.

7. Método según la reivindicación 6 caracterizado porque tras las etapa de determinación de Yj, dicho factor de corrección e para cada eje Ej, es actualizado como ej= Yj-Yrj.

8. Método según la reivindicación 1 caracterizado porque tras la etapa e) se lleva a cabo la comprobación de si la totalidad de la función P (x) se encuentra por debajo de un valor umbral mínimo Um en cuyo caso se lleva a cabo un procedimiento de búsqueda del Sol.

9. Método según la reivindicación 1 caracterizado porque el sistema comprende unos medios de medida del tiempo adaptados para generar una secuencia de pulsos que determinan a la unidad de proceso los instantes ti en los que debe llevar a cabo la secuencia de pasos a) -e) .

10. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el sistema comprende un sensor de radiación solar tal que, si la radiación medida se encuentra por debajo de un determinado valor umbral Ur la unidad de proceso pospone el instante de ejecución de las etapas a) -e) hasta que dicha radiación vuelve a estar por encima del valor umbral Ur.

11. Método según la reivindicación 1 caracterizado porque el seguidor solar comprende una carga fija de modo que la unidad de proceso genera órdenes para conmutar la carga conectada al módulo de captación de energía solar por la carga fija durante el registro de la función P (x) durante el avance del ángulo aj.

12. Método según la reivindicación 1 caracterizado porque el sistema comprende componentes que generan perturbaciones en la lectura de los medios de medida o bien de la potencia o bien de la corriente entregada por el módulo de captación de energía solar y donde la unidad de proceso comprende una línea de medida de la perturbación de tal modo que la unidad de proceso define la función P (x) a través de los medios de medida de la potencia o de la corriente compensando la lectura de dichos medios con la lectura de la perturbación.

13. Método según la reivindicación 1 caracterizado porque el sistema comprende componentes generadores de perturbaciones de la lectura de los medios de medida o bien de la potencia o bien de la corriente entregada por el módulo de captación de energía solar y la unidad de proceso comprende una salida en comunicación con los componentes generadores de la perturbación para, al menos en el periodo de tiempo que dura la lectura, modificar los parámetros de funcionamiento de los componentes generadores de la perturbación para minimizar su efecto.

14. Método según la reivindicación 1 y cualquiera de las reivindicaciones 5a7caracterizado porque la unidad de proceso almacena una tabla con los valores de la corrección de la posición e= (e1, e2, …) a lo largo del tiempo para su posterior uso cuando no se disponen de lecturas de los medios de medida o bien de la potencia o bien de la corriente entregada por el módulo de captación de energía solar que permitan determinar la posición del Sol.

15. Método según la reivindicación 14 caracterizado porque la tabla es circular donde la unidad de proceso actualiza los valores de la corrección más antiguos correspondientes al instante de tiempo calculado.

16. Dispositivo de captación de energía que comprende un sistema seguidor de módulos fotovoltaicos de concentración donde este sistema a su vez comprende:

• al menos de un módulo de captación de energía solar para proveer de energía a una carga,

• un dispositivo de orientación provisto de uno o más grados de libertad Y j, j=1, 2, .. según uno o más ejes de giro Ej, j=1, 2, .. adaptado para situar el módulo de captación de energía solar en una determinada posición angular xdis= (Y1/ Y2’, …) ,

• unos medios de impulsión adaptados para mover el dispositivo de orientación en cada uno de los ejes de giro Ej, j=1, 2, ..,

• unos medios de medida o bien de la potencia o bien de la corriente entregada por el módulo de captación de energía solar,

• una unidad de proceso acoplada a los medios de medida de la potencia o intensidad entregada y adaptada para generar órdenes que establezcan el movimiento del dispositivo de orientación de acuerdo a un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15.