Método de detección automática y diagnóstico de fallos de operación en instalaciones solares fotovoltaicas distribuidas, basado en la comparación de sus producciones de energía.

Método de detección automática y diagnóstico de fallos de operaciones en instalaciones solares fotovoltaicas distribuidas.

El método solo requiere la medida de los datos de producción de energía, de manera que el material necesario por parte del operador de la instalación fotovoltaica se basa en un equipo capaz de medir la energía producida por las instalaciones y cuyo equipo puede ser el propio contador de energía de una vivienda o el contador incorporado en el inversor de la instalación en sí. En cualquier caso por parte de la entidad que realiza los análisis, se precisa de equipos que permitan la adquisición y el análisis de los datos de energía medidos, para llevar a cabo el envío de esos datos desde el contador de energía hasta el servidor donde se ejecutan los propios análisis, para que la información sea transferida y almacenada bien por ficheros de texto, bien por servicios Web, mediante los cuales se establece la comunicación entre usuario y servidor de forma automática, siendo almacenados los datos en una base de datos y tratados por un servidor de cálculo.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a un método de detección automática y diagnostico de fallos de operación en instalaciones solares fotovoltaicas distribuidas, basándose en la comparación de sus producciones de energía, requiriendo únicamente la medida de los propios datos de producción de energía como dato de entrada.

Sector de la técnica

La metodología de predicción propuesta se encuadra en el sector energético, concretamente en la producción de electricidad por energía fotovoltaica.

Antecedentes de la invención

La generación fotovoltaica supone un cambio de paradigma, desde la generación centralizada, a una generación distribuida. En particular, los sistemas fotovoltaicos residenciales se caracterizan por una importante dispersión geográfica, de condiciones climáticas, una gran variedad de componentes, modelos, tecnologías, orientaciones e inclinaciones. Esto obliga a organizar de una forma muy distinta la fase de operación y mantenimiento. Cuando un mismo operador tiene que hacerse cargo de varios miles o decenas de miles de instalaciones distribuidas geográficamente a través de un país entero, o incluso de todo el continente europeo, es imposible llevarlo a cabo acudiendo a cada sitio para detectar averías o problemas de baja productividad en las instalaciones En tal sentido pueden citarse las siguientes referencias:

J. Leloux, L. Narvarte, D. Trebosc, Review of the performance of residential PV systems in Belgium, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012.

J. Leloux, L. Narvarte, D. Trebosc, Review of the performance of residential PV systems in France, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012.

J. Leloux, L. Narvarte, D. Trebosc, Performance analysis of 10,000 residential PV systems in France and Belgium, EUPVSEC26, 2011.

Adicionalmente, por una cuestión de costes, la gran mayoría de estas instalaciones fotovoltaicas no posee sistemas de monitorización que permitan conocer la irradiancia incidente sobre los paneles, ni la temperatura del aire y de los paneles. En consecuencia, para poder ser de aplicación a la mayoría de las instalaciones fotovolaicas domésticas, los métodos de detección de fallos sólo se pueden basar en los datos de producción tomados por los contadores de energía, imposibilitando algunos métodos de detección de fallos que se aplican en el contexto de las plantas solares centralizadas de gran tamaño

En tal sentido, pueden citarse las siguientes referencias:

Patente US2012084027A1, System and method for monitoring performance of a photovoltaic array, 2011.

Martínez-Moreno, F., Lorenzo, E., Muñoz, J. and Moretón, R. (2012), On the testing of large PV arrays. Prog. Photovolt: Res. Appl., 20: 100-105. doi: 10.1002/pip. 1102.

Durante los últimos dos años, gracias a los últimos avances en la tecnología del campo de las telecomunicaciones, se han creado empresas especializadas en la monitorización de los sistemas fotovoltaicos por contadores inteligentes equipados de telemática. Estas empresas ofrecen un servicio, por lo general, basado en GPRS o Internet, a un coste relativamente bajo. Los datos de producción energética se leen directamente de los medidores de producción, a intervalos de tiempo de un minuto a una hora, lo que abre las puertas a un conjunto totalmente nuevo de análisis de rendimiento y de detección de ciertos tipos de problemas de una manera que era casi imposible imaginar hace unos años. Estas empresas tienen un núcleo de negocios y un conocimiento técnico que pertenece al campo de las telecomunicaciones. Por tanto, favorecen la adquisición de los datos procedentes de los contadores de numerosos sistemas fotovoltaicos, pero todavía carecen de métodos avanzados de análisis de los sistemas, y como consecuencia son incapaces de deducir problemas ocultos a partir de los datos monitorizados. Los análisis que ofrecen son deficientes y muy pocos precisos. Consisten básicamente en realizar factores de rendimiento que relacionan la energía producida instantánea, con la radiación solar instantánea, generalmente obtenida de un proveedor externo de datos.

El Performance Ratio (PR) es el índice más comúnmente empleado para evaluar el funcionamiento de una instalación fotovoltaica. De hecho, los líderes mundiales de la monitorización de sistemas fotovoltaicos lo emplean de forma sistemática, pudiéndose citar las siguientes referencias:

SolarGIS ( http://solargis.info/ )

Rtone ( http://rtone.fr/ )

ISM Solar ( http://www.ismsolar.com/ )

SolarEdge ( http://www.solaredge.com/ )

SMA Solar Technology ( http://www.sma.de/ )

Green Power Monitoring ( http://www.greenpowermonitor.com/ )

Este parámetro se define como la relación entre la energía que un sistema fotovoltaico inyecta realmente a la red, y la que inyectaría un hipotético sistema fotovoltaico ideal, entendido como uno cuyas células solares trabajasen siempre a la temperatura de referencia (25°C) y que, por lo demás, estuviese totalmente libre de pérdidas:

E(T)

no E(T) Pr

p, c G(T)

Donde:

- E es la producción real inyectada a la red;

G es la radiación real que incide en el panel fotovoltaico;

- Pp es la potencia pico propia de la instalación;

G* es la irradiancia de referencia cuyo valor es 1000 W/m2.

Como índice de calidad para la detección de fallos, el PR presenta varios inconvenientes importantes:

Por ser su referencia excesivamente general, no permite diferenciar entre pérdidas inevitables (temperatura, conversión DC/AC, etc.) y evitables (averías, desconexiones, etc.), por lo que dificulta su utilización contractual;

El PR es una relación directa entre la producción energética de la instalación y la radiación que incide en ella. Se ha comprobado que este factor no es lo suficientemente estable para poder detectar fallos en las instalaciones, y que

además en instalaciones domésticas varía significativamente de forma estacional, debido a la acumulación de calor que provocan los tejados de las viviendas, y que provoca un descenso del valor del PR.

Por otra parte, por definición, el PR requiere el conocimiento de la radiación solar. Los datos de radiación solar provenientes de la mayoría de los proveedores muestran en general errores significativos, lo que provoca la ambigüedad del PR calculado. De forma particular, la calidad de los datos de radiación solar tomados de satélites se ve muy afectada por las altas nubosidades y las posiciones solares bajas sobre el horizonte, la presencia de nieve, o en presencia de nubosidades muy elevadas.

Los datos de radiación solar, cuando se precisan en resoluciones temporales horarias o infra horarias, implican un coste anual relativamente importante en relación a los presupuestos disponibles para llegar a cabo la operación y mantenimiento de las instalaciones fotovoltaicas domésticas.

Descripción de la invención

La invención consiste en un método para la detección automática de fallos en sistemas fotovoltaicos distribuidos que sólo requiere la medida de los datos de producción de energía.

De forma mas concreta, el método que se prevé consiste en comparar la producción energética de una instalación con las producciones energéticas de sus instalaciones vecinas, en donde la entidad responsable de la instalación realiza un análisis mediante el equipamiento apropiado para conseguir los datos de energía medidos, efectuando el envío de dichos datos mediante GPRS o por Internet, desde un contador resultante de energía hasta el respectivo servidor donde se ejecutan los análisis.

Para ello, el material necesario por parte del operador de la instalación fotovoltaica es un equipo capaz de medir la energía producida por las instalaciones. Este equipo puede ser el propio contador de energía de una casa, o el contador incorporado en el inversor (convertidor DC/AC) de la instalación en sí. Por parte de la entidad que realiza los análisis, se precisa de equipos que permitan la adquisición y análisis de los datos de energía medidos. Los datos se envían por GPRS o por Internet desde el contador hasta el servidor donde se ejecutan los análisis. La información puede ser transferida y almacenada, bien por ficheros de texto, bien por Servicios web mediante los cuales se establece la comunicación

entre usuario y servidor, de forma automática. Los datos son almacenados en una base de datos, y son tratados por un servidor de cálculo de tipo "cloud", en "servidor en la nube".

El método desarrollado es capaz de detectar problemas de funcionamiento únicamente en la identificación de las variaciones anormales de un indicador de productividad...

1Método de detección automática y diagnóstico de fallos de operación en un sistema solar fotovoltaico distribuido, caracterizado por que comprende:

- calcular un índice de productividad relativa, IPR, que relaciona la producción normalizada del sistema solar fotovoltaico distribuido a analizar y las producciones normalizadas de una pluralidad de sistemas solares fotovoltaicos distribuidos vecinos, según la siguiente fórmula:

IPR(á) =

f?(S)

siendo /<f es el factor de capacidad del sistema solar fotovoltaico distribuido a

analizar y /cre/ un factor de capacidad de referencia construido a partir de las

producciones energéticas de los sistemas solares fotovoltaicos distribuidos vecinos; donde el factor de capacidad de un sistema solar fotovoltaico distribuido i durante un intervalo de tiempo 5t se define por:

/m=

E\á)

p;at

siendo ^ la energía medida en dicho sistema solar fotovoltaico distribuido i

P`

durante el intervalo de tiempo 5t, p la potencia pico de dicho sistema solar fotovoltaico distribuido i y AT |a resolución temporal con la que se mide la energía producida;

y donde el factor de capacidad de referencia frcef se calcula por kríging utilizando los factores de capacidad f£eer` (St) de cada uno de los sistemas solares fotovoltaicos

distribuidos vecinos y los factores de ponderación lambda correspondientes a cada uno de ellos según la siguiente fórmula:

f;.-f(á) = Kriging(f(áU).

- realizar la detección automática de los fallos mediante el establecimiento de un umbral de detección de fallos que corresponde a una cierta variación del valor instantáneo de dicho índice de productividad relativa, IPR, con respecto a su valor mediano.

2.- Método de detección automática y diagnóstico de fallos de operación en un sistema solar fotovoltaico distribuido según la reivindicación 1, caracterizado por que el umbral de detección de fallos se establece en función de la desviación estándar del índice de productividad relativa.

3.- Método de detección automática y diagnóstico de fallos de operación en un sistema solar fotovoltaico distribuido según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que la pérdida energética ÁEi asociada a cada fallo i detectado es cuantificada a partir de la

diferencia entre el valor del índice de productividad relativa instantáneo IPRi y su valor

mediano IPRmediana, según la siguiente fórmula:

ÁE =FPE*

donde FP¡ es el factor de pérdidas asociado al fallo i, dado por:

FP,

IPRmediana IPRi

IPR

mediana

y E* es la energía que produciría el sistema solar fotovoltaico distribuido en ausencia del fallo i:

E

E.

! 1 - FP 1

4.- Método de detección automática y diagnóstico de fallos de operación en un sistema solar fotovoltaico distribuido según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende:

- medir los datos de producción energética del sistema solar fotovoltaico distribuido a analizar y los sistemas solares fotovoltaicos distribuidos vecinos mediante contadores inteligentes;

- transmitir dichos datos desde dichos contadores inteligentes hasta un servidor de Internet;

- almacenar dichos datos en una base de datos y procesarlos por un motor de calculo ejecutado desde un servidor de Internet;

- facilitar los resultados al cliente por un servidor Web.