Procedimiento de evaluación de pérdidas energéticas provocadas por sombras proyectadas sobre paneles solares fotovoltaicos.

Procedimiento de evaluación de pérdidas energéticas provocadas por sombras proyectadas sobre paneles solares fotovoltaicos.

El procedimiento de la invención se basa en sacar partido del almacenamiento de la profundidad de campo (depth buffer) utilizado en las tarjetas gráficas (que permite evaluar qué polígonos quedan ocultos por otros al representar un grupo de objetos 3D al nivel del tamaño de un píxel en pantalla), y utiliza la información en él guardada para decidir qué elementos de un panel están sombreados o no. Posteriormente, se traducen dichas posiciones a elementos previamente definidos en la arquitectura de un generador fotovoltaico. Esta información sobre el estado de sombreado en cada elemento es directamente aprovechada por un modelo eléctrico de diodos que permite calcular factores de sombras eléctricos hasta la escala de una célula fotovoltaica o incluso más pequeña.

Procedimiento de evaluación de pérdidas energéticas provocadas por sombras proyectadas

sobre paneles solares fotovoltaicos OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un procedimiento de evaluación de pérdidas energéticas provocadas por sombras proyectadas sobre paneles solares fotovoltaicos a partir de modelización 3D y mediante el cálculo de profundidades de campo a partir de la tarjeta gráfica de un ordenador.

El objeto de la invención es proporcionar un procedimiento para la predicción de pérdidas energéticas mucho mas preciso y fiable que los procedimientos actuales.

Consecuentemente, la invención se encuadra en el sector energético, concretamente en la producción de electricidad por energía solar fotovoltaica.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Actualmente, la predicción de pérdidas energéticas en paneles fotovoltaicos por efectos de sombreado debido a obstáculos cercanos se hace de manera aproximada.

Las principales técnicas empleadas para saber si un obstáculo proyecta sombras sobre un panel o no, se basan bien en sistemas de trazados de rayos o en cálculo de proyecciones de elementos 3D sobre el panel. El uso de este tipo de técnicas conlleva un coste de tiempo de cálculo por ordenador que es proporcional a la complejidad de los objetos, por lo que se suelen emplear geometrías simples o reducir la resolución espacial de las sombras calculadas. En este sentido, pueden citarse los siguientes documentos:

PVsyst ( http://www.pvsyst.com/en/ )

O. Perpiñán, Cosí ofenergy and mutual shadows in a two-axis tracking PV system, Renewable Energy, Volume 43, July 2012, Pages 331-342, ISSN 0960-1481.

B. Celik, E. Karatepe, N. Gokmen, S. Silvestre, A virtual reality study of surrounding obstacles on BIPV systems for estimation of long-term performance of partially shaded PV arrays, Renewable Energy, Volume 60, December2013.

Además, los programas de simulación que integran ese tipo de herramientas suelen tener interfaces poco amigables para generar los modelos 3D que requieren internamente, ya que no son programas pensados para el diseño gráfico, sino para la simulación fotovoltaica. Por otra parte, aún cuando algunas herramientas permiten simular sombras 3D con objetos complejos, dibujados en programas especializados, y o importados de bibliotecas de objetos, los resultados de estas simulaciones no pueden ser directamente utilizados para evaluar las pérdidas energéticas provocadas por estas sombras. En tal sentido cabe destacar el documento: SketchUp ( http://www.sketchup.com/ )

Asimismo, ciertos problemas específicos son tratados sólo parcialmente (como el hecho de que una sombra produzca un porcentaje de pérdidas mayor - factor de sombra efectivo - que el que cabría esperar por la extensión de la propia sombra - factor de sombra geométrico - debido a la conexión eléctrica entre células) o directamente no se abordan, como la simulación de suciedad sobre paneles, que se asemeja a un obstáculo con una

cierta transparencia.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El procedimiento que se preconiza resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta, proporcionando una predicción de pérdidas energéticas mucho más precisa y fiable.

Para ello, el procedimiento de la invención se basa en sacar partido del almacenamiento de la profundidad de campo (depth buffer) utilizado en las tarjetas gráficas (que permite evaluar qué polígonos quedan ocultos por otros al representar un grupo de objetos 3D al nivel del tamaño de un píxel en pantalla), y utiliza la información en él guardada para decidir qué elementos de un panel están sombreados o no. Posteriormente, se traducen dichas posiciones a elementos previamente definidos en la arquitectura de un generador fotovoltaico. Esta información sobre el estado de sombreado en cada elemento es directamente aprovechada por un modelo eléctrico de diodos que permite calcular factores de sombras eléctricos hasta la escala de una célula fotovoltaica o incluso más pequeña.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.- Muestra un escenario en un sistema arbitrario de coordenadas cartesianas en el que participa un rectángulo formado por dos triángulos y un tercer triángulo separado, entre los que se disponen dos planos que definen la profundidad de campo, definiéndose un campo de visión en el que el tercer triangulo proyecta su sombra sobre el rectángulo.

La figura 2.- Muestra la proyección cónica del escenario de la figura 1 en un sistema bidimensional definido por el campo de visión representado por la pirámide de la figura 1.

La figura 3.- Muestra un diagrama de bloques correspondiente al algoritmo de decisión para la detección de sombras.

La figura 4.- Muestra una secuencia de tres imágenes en perspectiva de la construcción de un escenario 3D desde una herramienta de modelado genérica, de acuerdo con la primera fase del procedimiento de la invención.

La figura 5.- Muestra una vista similar a la de la figura 4, pero correspondiente a una fase posterior del procedimiento, en la que se procede a colocar y orientar los paneles solares fotovoltaicos sobre la azotea de la edificación.

La figura 6.- Muestra una vista en alzado de un panel solar, el cual se subdivide en pequeñas partes para evaluar su sombreado.

La figura 7.- Muestra una vista correspondiente a la evaluación de las sombras proyectadas por un apoyo eléctrico, con una ventana de visión cuya resolución es de 1024x1024 píxeles (más de 1 millón de puntos).

La figura 8.- Muestra una secuencia de tres imágenes, de acuerdo con el procedimiento de la invención, correspondiente a la identificación de las sombras por comparación en el sistema de referencia.

La figura 9.- Muestra un detalle de una placa en la que se ha identificado las sombras proyectadas sobre la misma, para proceder al cálculo de dichas sombras efectivas, conociendo los elementos en sombra y los diodos de paso.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

Para entender el procedimiento de la invención partimos de un ejemplo mas sencillo, el mostrado en las figuras 1 y 2, de manera que se define un escenario simple con un rectángulo formado por dos triángulos y un tercer triángulo separado. La figura 1 muestra dicho escenario en un sistema arbitrario de coordenadas cartesianas, y la figura 2 muestra su correspondiente proyección cónica en un sistema bidimensional definido por el campo de visión representado por la pirámide de la figura 1. El campo de visión observado en la proyección bidimensional definido por la pirámide (1) se encuentra limitado por dos planos a profundidades diferentes (w1 y tt2) que permite asignar una profundidad adimensional entre 0 y 1 para los elementos comprendidos entre esos planos. La figura 2 representa, por lo tanto, la profundidad de todos los elementos comprendidos entre los planos tt-, y tt2 , definiéndose en dicho plano una escala de colores grises (no representada), tanto más oscuro cuanto más cerca del plano 7Tí y más claro cuanto más cerca del plano tt2).

Existe una matriz de transformación A que liga el paso de un sistema de coordenadas al otro y a partir de esa matriz de transformación se definen dos funciones Fi y F2 que permiten identificar las coordenadas de un punto (u, v) en la proyección cónica a partir de las coordenadas originales (x, y, z) y la posición w de ese punto entre los dos planos 77* y tt2 que tendrá un valor entre 0 y 1 (0 si pertenece al plano TT1t ó 1 si pertenece al plano tt2).

Durante el renderizado de la escena en la tarjeta gráfica, el ordenador va dibujando cada uno de los triángulos que componen la escena y para cada pixel interno a representar almacena el valor de distancia entre los planos 77* y tt2 en el buffer de profundidad, superponiendo el dibujo de los triángulos. De esa forma, para este ejemplo, independientemente del orden en el que dibujemos los 3 triángulos, se obtiene la imagen de la figura 2, que representa para cada pixel de la misma esas profundidades.

Para obtener el beneficio de dicha información almacenada, se procede de la siguiente forma. A modo de ejemplo, sobre el rectángulo inferior de la figura 1 se identifican dos puntos, definidos por sus coordenadas (x^ y^ z^ y (x2, y2, z2). Esos puntos corresponden a los puntos de...

1a.- Procedimiento de evaluación de pérdidas energéticas provocadas por sombras proyectadas sobre paneles solares fotovoltaicos, caracterizado porque en el mismo se definen las siguientes fases operativas:

- Se construye un escenario 3D (2), posicionando los distintos objetos (3) entre sí.

- Se posicionan los paneles (4) del generador fotovoltaico en su lugar y con su correspondiente orientación, que puede ser fija o definida a partir de cualquier modo de seguimiento.

- Se definen en cada panel (4) las partes sobre las cuales se desea evaluar el sombreado, a partir de subdivisiones (5) de los paneles (4) tan pequeñas como se quiera, de manera que cada elemento, dada la posición del panel, tiene asignada una posición en el sistema de coordenadas del escenario 3D (x,y,z).

- Se genera la visión del escenario 3D desde el punto de vista del Sol en proyección ortográfica y con un campo de visión que permita incluir los elementos que se quieran evaluar. Al generar la visión desde ese punto, en el buffer de profundidad quedan registradas las posiciones de cada píxel de la ventana con respecto al Sol, resultando cada píxel más oscuro cuanto más cerca este del Sol.

- Se comparan las posiciones en el sistema de referencia para los elementos sobre los cuales se desea evaluar el sombreado, definidos en tercer paso con el píxel equivalente cuya profundidad se ha obtenido en el cuarto paso, identificando así cuáles estarían en sombra.

- Finalmente, una vez conocidos los elementos del panel en sombra se calcula un factor de sombra efectivo mediante cualquier procedimiento de cálculo conocido.

2a.- Procedimiento de evaluación de pérdidas energéticas provocadas por sombras proyectadas sobre paneles solares fotovoltaicos, según reivindicación 1a, caracterizado porque en el mismo se define un modelo eléctrico de diodos para los paneles (4) en función del tamaño de las subdivisiones (5) elegidas.