Sistema y procedimiento para la caracterización eléctrica de centrales fotovoltaicas conectadas a la red,

que comprenden un generador fotovoltaico (2), un inversor (4), y un contador de energía (6) comprendiendo las etapas estimar mediante un módulo fotovoltaico (1) utilizado como sensor, la radiación solar y la temperatura de sus células fotovoltaicas; medir, mediante un vatímetro, la potencia eléctrica en un primer punto de medida (3) definido por los terminales positivo y negativo del generador fotovoltaico (2) y la potencia eléctrica en segundo punto de medida (5) definido por los terminales de corriente alterna del inversor (4); y calcular la relación que existe entre la potencia eléctrica medida en el primer punto de medida (3) y los parámetros de radiación solar y temperatura estimadas; y la potencia eléctrica medida en el primer punto de medida (3) y la potencia eléctrica medida en el segundo punto de medida (5).

Sistema y procedimiento para la caracterización eléctrica de centrales fotovoltaicas conectadas a la red.

Campo de la invención

La presente invención pertenece al campo técnico de la generación de energía eléctrica, en concreto, al campo de las centrales fotovoltaicas.

Estado de la técnica

En la actualidad existen procedimientos internacionalmente reconocidos para la caracterización eléctrica de los principales elementos que componen una central fotovoltaica. Un caso concreto son los definidos en los siguientes estándares de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) que sirven para caracterizar, respectivamente, a generadores fotovoltaicos e inversores:

• IEC 61829. Crystalline silicon photovoltaic (PV) array - On-site measurement of I-V characteristics. TC/SC 82. Edition 1.0 (1995-03).

• IEC 61683. Photovoltaic systems - Power conditioners - Procedure for measuring efficiency. TC/SC 82. Edition 1.0 (1999-11).

Sin embargo, la aplicación de estas normas para la caracterización de una central fotovoltaica en su conjunto conlleva una serie de dificultades. En primer lugar, existen factores que son difíciles de cuantificar y que influyen sobre las características eléctricas que se desean estimar, lo cual introduce una incertidumbre considerable. Por ejemplo, cuantificar la reducción de potencia del generador fotovoltaico provocada por la suciedad acumulada sobre la superficie de los módulos. En segundo lugar, existen pérdidas de energía que dependen de la interacción mutua entre los componentes de la central y que, por tanto, no pueden determinarse caracterizando cada uno por separado. Por ejemplo, las pérdidas por seguimiento del punto de máxima potencia del generador fotovoltaico que realiza el inversor. Por último, para que la caracterización sea completa, también hay que estimar las pérdidas energéticas en otros elementos de la central (cables, conectores, etc.).

En el contexto de la presente invención, son conocidas las patentes FR2613840 y EP1403649.

La patente FR2613840 muestra un dispositivo para probar una instalación fotovoltaica. No obstante, este dispositivo realiza una monitorización a distancia con lo que sus resultados podrían variar en cierta medida.

La patente EP1403649 presenta un método para el diagnóstico de generadores fotovoltaicos defectuosos de una instalación fotovoltaica.

No obstante, era deseable un sistema y un procedimiento que ofreciera una caracterización eléctrica efectiva de centrales fotovoltaicas conectadas a la red, especialmente de factores difíciles de estimar actualmente. La presente invención se desarrolla con el fin de mejorar las limitaciones existentes en el estado de la técnica en este sector.

Descripción de la invención

La presente invención resuelve los problemas existentes en el estado de la técnica. Por un lado, reduce la incertidumbre asociada a aquellos factores que son difíciles de estimar sobre el terreno mediante la utilización como sensor de un módulo fotovoltaico, de la misma tecnología que los módulos que componen el generador fotovoltaico. Por otro lado, permite caracterizar la central fotovoltaica en su conjunto incluyendo las pérdidas individuales y las provocadas por la interacción mutua de todos sus componentes.

El procedimiento de control presenta una serie de ventajas sobre las patentes mencionadas en el estado de la técnica. Entre ellas, se destacan las siguientes:

• Permite la caracterización in situ de las centrales fotovoltaicas y medir grandes potencias.

• Es fácil de aplicar en controles de calidad y ensayos de recepción.

• Puede adaptarse a distintas tecnologías fotovoltaicas.

• Sus resultados sirven para predecir la producción energética de una central fotovoltaica.

La presente invención consiste en un sistema y un procedimiento que permite la caracterización eléctrica de una central fotovoltaica conectada a la red cuyos componentes principales son un generador fotovoltaico, un convertidor de corriente continua a alterna también llamado inversor, y un contador de la energía producida.

El procedimiento consta de dos fases. La primera fase consiste en estimar simultáneamente las condiciones de operación, concretamente la radiación solar y la temperatura, así como la potencia en dos puntos de medida. La segunda fase consiste en obtener, a partir de las estimaciones anteriores, las características eléctricas de la central fotovoltaica.

La primera fase está basada en la utilización como sensor de un módulo fotovoltaico para estimar las condiciones de operación, considerando que la central está dividida en dos partes delimitadas por los dos puntos de medida considerados en el interior de la central.

De forma preferente, el módulo fotovoltaico es de la misma tecnología que los módulos que componen el generador fotovoltaico, lo cual permite asegurar que su respuesta óptica angular, térmica y espectral es la misma. Se puede decir que dicho módulo se encuentra modificado debido a que, preferentemente, las células del mismo se encuentran divididas en dos grupos. Uno de los grupos se utiliza para estimar la radiación solar a partir del valor de su corriente de cortocircuito. El otro grupo se utiliza para estimar la temperatura de las células solares a partir del valor de su tensión de circuito abierto. De forma preferente, el módulo modificado se instala en el mismo plano que los módulos que componen el generador fotovoltaico antes de iniciar el procedimiento de caracterización, con la antelación suficiente para considerar que su nivel de suciedad es similar al de éstos.

Los dos puntos de medida de la central fotovoltaica son en los que se mide, mediante un vatímetro, la potencia de forma simultánea con las condiciones de operación estimadas a partir de los valores de la corriente de cortocircuito y de la tensión en circuito abierto del módulo fotovoltaico modificado. El primer punto de medida se define como los terminales positivo y negativo del generador fotovoltaico conectados a la entrada del inversor. El segundo punto de medida se define como los terminales de corriente alterna del inversor conectados a la entrada del contador de energía.

La potencia medida en el primer punto de medida incluye las pérdidas causadas por la dispersión de las características de los módulos fotovoltaicos, el cableado hasta ese punto (cables, conectores, etc.) y las pérdidas causadas por la función de seguimiento del punto de máxima potencia que realiza el inversor. La potencia medida en el segundo punto de medida incluye el resto de pérdidas causadas por el inversor y el cableado (cables, conectores, etc.) que existen entre ambos puntos.

La segunda fase del procedimiento se lleva a cabo después de haber obtenido los datos descritos en la primera fase. A partir de ellos, en esta fase se obtienen una serie de parámetros que caracterizan el comportamiento eléctrico de la central fotovoltaica.

De esta forma se obtienen las relaciones que existen entre:

En general, la relación a) es lineal y la obtención de dicha relación consiste simplemente en determinar las constantes PCEM (Potencia máxima del generador fotovoltaico en Condiciones Estándar de Medida (CEM)) y CVPT (Coeficiente de Variación de la Potencia con la Temperatura) de los módulos fotovoltaicos que mejor ajustan las medidas a la siguiente ecuación:

Donde:

1. Procedimiento para la caracterización eléctrica de centrales fotovoltaicas conectadas a la red, que comprende un generador fotovoltaico (2), un inversor (4), y un contador de energía (6) caracterizado porque dicho procedimiento comprende las siguientes etapas:

- la potencia eléctrica medida en el primer punto de medida (3) y los parámetros de radiación solar G y temperatura T estimadas en la primera etapa;

- la potencia eléctrica medida en el primer punto de medida (3) y la potencia eléctrica medida en el segundo punto de medida (5).

2. Procedimiento para la caracterización eléctrica de centrales fotovoltaicas conectadas a la red, según la reivindicación anterior, caracterizado porque la estimación de la radiación solar G y la temperatura T se realiza mediante el módulo fotovoltaico (1) que es de la misma tecnología que los módulos que componen el generador fotovoltaico (2) y que se sitúa coplanar con dichos módulos.

3. Procedimiento para la caracterización eléctrica de centrales fotovoltaicas conectadas a la red, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el módulo fotovoltaico (1) se utiliza para estimar la radiación solar a partir del valor de su corriente de cortocircuito y para estimar la temperatura de las células solares a partir del valor de su tensión de circuito abierto.

4. Procedimiento para la caracterización eléctrica de centrales fotovoltaicas conectadas a la red, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios de procesamiento (7), obtienen la relación existente entre la potencia eléctrica en el primer punto de medida (3), P3, y los parámetros de radiación solar G y temperatura T mediante la ecuación:

donde: P3 es la potencia en el primer punto de medida (3), G la radiación solar, T la temperatura de las células fotovoltaicas, GCEM la radiación solar G en Condiciones Estándar de Medida (CEM) de valor 1000 W/m², TCEM la temperatura T en Condiciones Estándar de Medida de valor 25ºC, CVPT el Coeficiente de Variación de la Potencia con la Temperatura de los módulos fotovoltaicos y PCEM la Potencia máxima del generador fotovoltaico en Condiciones Estándar de Medida, valor que toma P3 para G = 1000 W/m² y T = 25ºC.

5. Procedimiento para la caracterización eléctrica de centrales fotovoltaicas conectadas a la red, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios de procesamiento (7), obtienen la relación existente entre la potencia eléctrica entre el primer punto de medida (3), P3, y segundo punto de medida (5), P5 mediante la ecuación:

donde: P3 es la potencia en el primer punto de medida (3), P5 la potencia en el segundo punto de medida (5), C0, C1 y C2 constantes, donde C0 indica las pérdidas de autoconsumo, C1 las pérdidas con relación lineal con la corriente eléctrica en el segundo punto de medida (5) y C2 las pérdidas con relación cuadrática con la corriente eléctrica en el segundo punto de medida (5).

6. Sistema para la caracterización eléctrica de centrales fotovoltaicas conectadas a la red, que comprende un generador fotovoltaico (2), un inversor (4), y un contador de energía (6) caracterizado porque dicho sistema a su vez comprende:

• un módulo fotovoltaico (1) que se utiliza como sensor para la estimación de la radiación solar G y la temperatura T de las células fotovoltaicas de dicho módulo (1);

• un vatímetro que se utiliza para medir la potencia eléctrica en un primer punto de medida (3) definido por los terminales positivo y negativo del generador fotovoltaico (2) conectados a la entrada del inversor (4) y la potencia eléctrica en un segundo punto de medida (5) definido por los terminales de corriente alterna del inversor (4) conectados a la entrada del contador de energía (6);

• unos medios de procesamiento (7) que se utilizan para calcular las relaciones que existen entre:

- la potencia eléctrica medida en el primer punto de medida (3) y los parámetros de radiación solar G y temperatura T estimados por el módulo fotovoltaico (1);

- la potencia eléctrica medida en el primer punto de medida (3) y la potencia eléctrica medida en el segundo punto de medida (5).

7. Sistema para la caracterización eléctrica de centrales fotovoltaicas conectadas a la red, según la reivindicación 6, caracterizado porque el módulo fotovoltaico (1) es de la misma tecnología que los módulos que componen el generador fotovoltaico (2) y está situado coplanar con dichos módulos.