PROCEDIMIENTO Y SISTEMA PARA LA SIMULACION DE CENTRALES FOTOVOLTAICAS EN CONDICIONES REALES DE OPERACION.
La invención describe un procedimiento y un sistema para la estimación de la producción eléctrica de una planta fotovoltaica en condiciones reales de operación.
La invención minimiza las estimaciones "a priori" de escenarios de pérdidas y calcula la productividad eléctrica en diferentes condiciones climáticas donde la suciedad en los paneles juega un papel relevante, para estructuras con seguimiento al sol, considerando el efecto del sombreado mutuo entre seguidores.
Tiene en cuenta los cambios en la eficiencia de los distintos componentes de la instalación fotovoltaica mediante modelos de día claro.
Permite además establecer una selección entre modelos existentes y los ordena de tal manera que permitan la simulación en condiciones reales de operación del funcionamiento de la planta, obteniendo como resultado su producción eléctrica anual.
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P200930702.
Solicitante: UNIVERSIDAD POLITECNICA DE MADRID.
Nacionalidad solicitante: España.
Inventor/es: MARTINEZ MORENO, FRANCISCO, LORENZO PIGUEIRAS,EDUARDO, MUÑOZ CANO,JAVIER, NARVARTE FERNANDEZ,LUIS, MORETON VILLAGRA,RODRIGO.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- H01L31/042 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01L DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES; DISPOSITIVOS ELECTRICOS DE ESTADO SOLIDO NO PREVISTOS EN OTRO LUGAR (utilización de dispositivos semiconductores para medida G01; resistencias en general H01C; imanes, inductancias, transformadores H01F; condensadores en general H01G; dispositivos electrolíticos H01G 9/00; pilas, acumuladores H01M; guías de ondas, resonadores o líneas del tipo guía de ondas H01P; conectadores de líneas, colectores de corriente H01R; dispositivos de emisión estimulada H01S; resonadores electromecánicos H03H; altavoces, micrófonos, cabezas de lectura para gramófonos o transductores acústicos electromecánicos análogos H04R; fuentes de luz eléctricas en general H05B; circuitos impresos, circuitos híbridos, envolturas o detalles de construcción de aparatos eléctricos, fabricación de conjuntos de componentes eléctricos H05K; empleo de dispositivos semiconductores en circuitos que tienen una aplicación particular, ver la subclase relativa a la aplicación). › H01L 31/00 Dispositivos semiconductores sensibles a la radiación infrarroja, a la luz, a la radiación electromagnética de ondas más cortas, o a la radiación corpuscular, y adaptados bien para la conversión de la energía de tales radiaciones en energía eléctrica, o bien para el control de la energía eléctrica por dicha radiación; Procesos o aparatos especialmente adaptados a la fabricación o el tratamiento de estos dispositivos o de sus partes constitutivas; Sus detalles (H01L 51/42 tiene prioridad; dispositivos consistentes en una pluralidad de componentes de estado sólido formados en o sobre un sustrato común, diferentes a las combinaciones de componentes sensibles a la radiación con una o varias fuentes de luz eléctrica H01L 27/00). › Módulos fotovoltaicos o conjuntos de células individuales fotovoltaicas (las estructuras de soporte de los módulos fotovoltaicos H02S 20/00).
Fragmento de la descripción:
Procedimiento y sistema para la simulación de centrales fotovoltaicas en condiciones reales de operación.
Sector técnico
La invención se encuadra en el sector técnico de la ingeniería fotovoltaica, más concretamente, en el de la estimación de la productividad eléctrica de sistemas fotovoltaicos.
Antecedentes de la invención
En 1994 se construyó la primera central fotovoltaica de España en Toledo, denominada Toledo PV. Su tamaño era de 1MWp de potencia (pico). En 2002 se construyó en Tudela otra central que superaba en potencia a la anterior, 1,2 MWp. En los último años, al abrigo de un marco legal incentivador de este tipo de instalaciones, se produjo un "boom" en la instalación de centrales fotovoltaicas en España, tanto en su tamaño (de las 80 centrales más grandes del mundo, 48 están en España), como en su número (se estima que la potencia total instalada hoy en España son 3300 MWp). Existen también mercados similares en Alemania, EEUU y Japón y, actualmente, se están poniendo en marcha marcos incentivadores similares en otros países europeos (como Italia, Bulgaria, República Checa). Esta rápida evolución del mercado junto con su dimensión creciente, hacen que existan lagunas técnicas, que están siendo demandadas por la industria. Esta invención pretende dar respuesta a una de ellas. A continuación describimos la laguna del estado de la técnica en cuanto a la estimación de la productividad eléctrica de plantas fotovoltaicas en condiciones de operación y la respuesta dada por esta invención.
Para la financiación de estas centrales los bancos exigen estudios de productividad eléctrica que permitan analizar su rentabilidad económica. Dichos estudios son también necesarios para la inclusión de cláusulas de garantía de producción en los contratos de venta de este tipo de instalaciones. No existían en el mercado procedimientos de simulación específicamente diseñados para calcular la productividad eléctrica de plantas fotovoltaicas en condiciones reales de operación. Las herramientas existentes han sido construidas para el diseño y dimensionamiento de los distintos componentes que componen una planta fotovoltaica y, cuando estas herramientas permiten calcular la productividad eléctrica de la planta fotovoltaica diseñada, hace una estimación poco precisa, ya que solo tienen en cuenta algunas características del emplazamiento, pero no tienen en cuenta aspectos determinantes de las condiciones reales de operación, como por ejemplo, la suciedad en el generador fotovoltaico, la eficiencia espectral de los módulos fotovoltaicos, el sombreamiento mutuo entre generadores fotovoltaicos cuando están fijados sobre estructuras que siguen al sol, y modelos de día claro para calcular realistamente la eficiencia de los equipos en días con nubes y claros). Tampoco estas herramientas tienen la flexibilidad suficiente para adaptarse a las características y a la topología de las centrales fotovoltaicas, especialmente en lo concerniente al cálculo de la producción de instalaciones fotovoltaicas con diferentes estructuras que siguen al sol (seguidores fotovoltaicos),sus correspondientes sombreados mutuos cuando estos seguidores se disponen juntos para conformar una central, y las estrategias de retroseguimiento (o backtracking) para evitar esos sombreamientos.
El estado de la técnica está compuesto por una variedad de programas de simulación comerciales (como por ejemplo, PVsyst: en www.pvsyst.com; PVsol: en http://www.valentin.de/index es page=news Novita%20PVSOL; o PVGIS: en http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps3/pvest.php), u otras patentes (JP2007281060A, JP2007173657-A, JP2006093176-A, FR2911964-A1). Estos programas de simulación están orientados al diseño de instalaciones fotovoltaicas y no a la simulación en condiciones reales de operación de su producción. De esta manera, aunque incluyen la presentación de resultados de la productividad eléctrica de las instalaciones simuladas, estos resultados no son precisos pues no consideran las condiciones reales de operación de la planta y, en la mayor parte de ellos, se estima el escenario de pérdidas mediante la introducción de parámetros de pérdidas como dato de entrada al programa de simulación. Estos parámetros de pérdidas, cuyo valor es establecido por el diseñador, reciben el nombre de "design coefficient", "shading factor", "estimated system looses", etc.).
Ninguno está orientado específicamente a la estimación de la producción eléctrica en las condiciones en las que va a operar la planta fotovoltaica y, en concreto, todos ellos calculan la irradiancia a lo largo de un día considerando el valor de la irradiación media de ese día, sin considerar el efecto que tienen días con nubes y claros, que obligan a los componentes del sistema fotovoltaico a trabajar en ciertos momentos como si el día fuera nublado, y en otros como si el día fuera claro. En estos días de nubes y claros, la eficiencia, queda determinada por los momentos claros en lo que a producción energética se refiere. Por ello, frente al uso de modelos que tienen en cuenta el valor medio de la irradiación para el cálculo de la irradiancia a lo largo del día, los así denominados "modelos de días claros", que consideran este efecto (y por supuesto, representan también bien los casos de días completamente nublados), modelan mucho mejor la eficiencia en condiciones reales de operación de la planta. Nuestra invención sí considera este modelo.
Las herramientas anteriores tampoco permiten calcular la productividad eléctrica en condiciones climáticas donde la suciedad juega un papel relevante.
Algunas permiten considerar el efecto de la suciedad como unas pérdidas que se incluyen en el parámetro de pérdidas que se solicita como dato de entrada (por ejemplo, en PVGIS bajo el parámetro "Estimated System Looses").
Algunas de las herramientas (por ejemplo, PVSYST 4.37) incluye el efecto de pérdidas debido al ángulo de incidencia de la radiación directa sobre el panel, pero ninguno permite modelar y calcular las pérdidas de captación de irradiancia debido a la combinación de la suciedad y al ángulo de incidencia del sol, efecto importante en climas con poca pluviosidad, que es donde se suelen instalar este tipo de plantas. La presente invención sí considera este efecto.
Las herramientas anteriores tampoco incluyen las pérdidas derivadas de la eficiencia espectral de los módulos fotovoltaicos. Esta invención sí incluye el modelado de este tipo de pérdidas.
La mayor parte de las herramientas del estado de la técnica permiten diseñar sistemas fotovoltaicos en estructuras con seguimiento. Sin embargo, solo una (PVSYST 4.37) permite simular el retroseguimiento (o backtracking en inglés) para evitar el sombreamiento mediante desapuntamiento del seguidor. Además PVSYST 4.37 y PVSOL_gridcon incluyen una herramienta CAD para dibujar la posición relativa de obstáculos frente a la planta fotovoltaica y calcular las sombras. Sin embargo, estas herramientas se muestran poco flexibles para adaptarse a las peculiaridades del seguimiento de cada central fotovoltaica: por ejemplo, PVSOL no incluye ángulos límites a los seguidores, cuando muchas de las realizaciones prácticas sí los tienen, ni tampoco incluye seguidores de eje horizontal y de eje inclinado. Estas herramientas CAD integradas en PVSOL y PVSYST 4.37 resultan útiles para el diseño de instalaciones con pocas unidades pero no para el caso de simular la productividad de centrales. Esta invención permite indicar la disposición de las instalaciones que conforman una planta fotovoltaica (con seguidores o no y con cualquier tipo de seguidores) y simular su productividad eléctrica.
Por otro lado, el estado de la técnica utiliza bases de datos de inversores para calcular la eficiencia del inversor utilizado en la planta fotovoltaica. Este procedimiento introduce errores en la estimación de la productividad eléctrica de la planta dado que, habitualmente, los datos de catálogo difieren del comportamiento en condiciones de operación real. En La presente invención medimos mediante vatímetro a la entrada y a la salida del inversor y, para recorrer toda la curva eficiencia-potencia, en el caso de instalaciones con seguidor, hacemos una barrido de potencia por el procedimiento de girar el seguidor desde su posición de apuntamiento del sol hasta desapuntarlo totalmente a un ritmo suficientemente lento para que los paneles se estabilicen en temperatura. De esta manera, en menos de una hora, obtenemos la curva de eficiencia real del inversor y realizamos una estimación de la productividad...
Reivindicaciones:
1. Procedimiento para la simulación de una central de generadores fotovoltaicos con potencia nominal del generador y del transformador de alta tensión conocidas, distribuidos según una topología dada y en una ubicación geográfica caracterizado por que comprende las siguientes etapas:
i) obtener mediante una consulta (36) a una base de datos, con la longitud y la latitud de dicha ubicación geográfica, los valores correspondientes de irradiación diaria media mensual sobre plano horizontal, la temperatura máxima diaria media mensual y la temperatura mínima diaria media mensual,
ii) calcular los siguientes parámetros (37, 38) para una inclinación, β, y una orientación, α, del generador fotovoltaico:
iii) estimar las pérdidas causadas en la irradiancia incidente (39, 40)
iv) evaluar de acuerdo con los resultados obtenidos de las etapas anteriores la irradiancia efectiva incidente sobre los generadores, la potencia instantánea y el rendimiento y producción de la central para un período de tiempo determinado (45).
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la estimación de la variación de la eficiencia del inversor con la potencia comprende medir la potencia mediante un vatímetro a la entrada y a la salida del inversor del generador fotovoltaico desde su posición de apuntamiento al sol hasta alcanzar su posición de desapuntamiento completo.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque cuando un generador está dotado de un dispositivo de seguimiento al sol, la medición de la potencia se realiza empleando el dispositivo de seguimiento para girar el panel del generador fotovoltaico desde su posición de apuntamiento al sol hasta alcanzar su posición de desapuntamiento completo.
4. Sistema para la simulación de una central de generadores fotovoltaicos distribuidos según una topología dada en una ubicación geográfica caracterizado porque comprende:
i) dispositivo de acceso a una base de datos que almacena información relativa a la irradiación y a la temperatura diaria media mensual sobre plano horizontal, la temperatura máxima diaria media mensual y la temperatura mínima diaria media mensual de dicha ubicación geográfica;
ii) unidad de procesamiento configurada para:
iii) medios para generar un informe para su impresión o visualización.
5. Sistema según reivindicación 4, caracterizado porque comprende además un módulo paira la medida de la eficiencia del inversor que incluye al menos un vatímetro, un registrador de datos y un controlador de la posición del generador fotovoltaico.
6. Sistema según reivindicación 4, caracterizado porque el dispositivo de acceso a una base de datos incluye una interfaz para conectar con Internet o con una red local donde reside dicha base de datos.
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