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"Diseño e implementación de un sistema de medida de parámetros meteorológicos y eléctricos de módulos fotovoltaicos en una instalación exterior" Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Industrial Dpto. Modulprüflabor Solar World Innovations GmbH Autora: Pilar Beltrán Relancio Director: Johannes Kirchner (Solar World) Ponente: Ángel Bayod (Universidad de Zaragoza) Zaragoza, Septiembre 2010 Resumen A lo largo del presente PFC realizado en SWIN, Solar World Innovations GmbH, se ha propuesto, diseñado, implementado y evaluado un sistema de medición, recogida y evaluación de datos de carácter eléctrico, térmico y meteorológico para una instalación fotovoltaica exterior. El PFC se puede separar en dos partes, dedicadas a la realización de cada uno de los sistemas de los que consta la instalación, el de medición y recogida de datos, y el de evaluación de los mismos. El desarrollo de la primera parte ha estado dedicado plenamente al diseño e implementación de un sistema de medición y recogida de datos. Esta primera etapa comenzó con la búsqueda de documentación relacionada con el tema, posteriormente la búsqueda de los aparatos necesarios para el sistema, que se compone de una completa estación meteorológica, un armario eléctrico que acoge principalmente un trazador de línea IV, un multiplexor, un datalogger y un PC industrial, y los diversos aparatos distribuidos por distintos puntos de la instalación. Una vez determinados los aparatos, se planificó la distribución de los mismos en el espacio de la instalación. Llegados a este punto se tomó contacto con los diversos proveedores, con el fin de maximizar las condiciones del sistema, dado nuestro presupuesto, es decir obtener la mejor oferta. Una vez acordado el pedido y después del tiempo de suministro se procedió a la instalación de todo el sistema. Los meses necesarios para la espera de los aparatos, fueron utilizados para la realización del segundo sistema, el de evaluación. Éste consiste principalmente en un conjunto de interfaces gráficas programadas con la herramienta matemática MATLAB R . Este conjunto de interfaces compone un programa que pretende facilitar al usuario la evaluación de todo tipo de datos relacionados con el estudio fotovoltaico, uno de los puntos fuertes de esta programación es que los datos pueden provenir tanto de fuentes conocidas como desconocidas. El usuario se verá guiado por un sencillo e intuitivo programa que le permitirá evaluar tanto conjuntos de módulos como módulos aislados, posibilitará el análisis de las distintas curvas características, pudiendo compararlas y trabajar con ellas. Pero además, permite analizar todos los parámetros eléctricos y térmicos que caracterizan a un módulo fotovoltaico, posibilitando a través de las gráficas la observación de tendencias y comparaciones entre módulos. Por último y como complemento al sistema de recogida de datos meteorológicos, permite el establecimiento de interrelaciones a través de las distintas representaciones entre condiciones meteorológicas y parámetros de funcionamiento de los módulos. Todo esto posibilita finalmente una completa y exacta herramienta para el estudio en profundidad de cada uno de los parámetros de los módulos fotovoltaicos, que permancera operativa indefinidamente en Solar World Innovations GmbH. Agradecimientos Me gustaría agradecérselo a todos aquellos que han compartido conmigo todos estos años, que finalmente han dado su fruto, y que como colofón final tienen estas hojas que cierran una etapa. A las CC’s, desde pequeñitas con carácter y alegría, a las Tranceras de Ejea nuevamente alegría, a los cepesianos con los que tanto estudio y no estudio he compartido, a las cepesianas Vicks, Vikykyky, Oihane y Adri, otra vez alegría y diversidad, a todas esas fantásticas personillas que he encontrado en mi ciudad, Dresden, a los dresdenianos que estos dos años han hecho que el frío alemán no fuera tan duro. A mi familia, empezando por mi Abuela Ángeles, de quien siempre admiro su discreción y humildad, a mis tías Tere y Ángeles, no hay palabras para describir la entrega y dedicación que nos habéis brindado, esta es una de las mil veces de las que os diré Gracias. A mis hermanos, Adri gracias por tu dulzura, tu ternura y ese aliño de realidad que sólo tú sabes darle, Rachel gracias por tu fortaleza y sentido común, todo ello envuelto de una exquisita perfección, Vidalorri, en el deporte, la amistad, el trabajo... eres lo máximo, sólo espero estar a la altura. A mis padres, que tan bien me conocéis, y tanta paciencia habéis tenido, gracias por estar ahí SIEMPRE, por enseñarme que no hay que abandonar sin luchar y que tener las cosas claras en esta vida es algo muy importante. A mi sobri, Dieguito, te agradezco de antemano el esfuerzo que voy a hacer en servirte de ejemplo como todos ellos me han servido a mí. Gracias Índice general 1. Introducción 1 1.1. Objetivo.................................... 1 1.2. Motivación................................... 1 1.3. Distribución del trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 2. Sistema de recogida de datos 4 2.1. Lugar, entorno y tipo de instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.1. Lugar:Freiberg............................ 4 2.1.2. Empresa: Solar World AG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.3. Instalación: Tejado del edificio DS1400 . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.2. Demandadelaempresa ........................... 6 2.3. Elección de los aparatos y estudio de proveedores . . . . . . . . . . . . . 8 2.3.1. Eleción de los aparatos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.3.2. Estudio de proveedores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.4. Componentes del sistema y su distribución . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.4.1. Aparatos para la recogida de datos meteorológicos . . . . . . . . . 11 2.4.1.a. Anemómetro ........................ 11 2.4.1.b. Veleta............................ 11 2.4.1.c. Termómetro de temperatura ambiente . . . . . . . . . . 12 2.4.1.d. Psicrómetro......................... 12 2.4.1.e. Piranómetro......................... 12 2.4.1.f. Datalogger ......................... 13 2.4.2. Aparatos para la recogida de datos eléctricos . . . . . . . . . . . . 13 2.4.2.a. Trazador de curva IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.4.2.b. Multiplexor......................... 14 2.4.2.c. Termómetro de temperatura del módulo . . . . . . . . . 14 2.4.2.d. Sensor de radiación / Célula de Silicio . . . . . . . . . . 14 2.4.3. Accesorios adicionales para el montaje de los aparatos . . . . . . . 15 2.4.4. Distribución de los componentes en el espacio de la cubierta . . . 16 2.5. Problemas................................... 17 2.5.1. Problemas en la planificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.5.1.a. Sombras, influencia de la parte alta del edificio . . . . . 17 2.5.1.b. Bandejas de aluminio para cableado . . . . . . . . . . . 18 2.5.1.c. Mapaviejo ......................... 19 2.5.1.d. Retraso en el suministro . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 ii Índice general 2.5.2. Problemas durante la instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.5.2.a. Pararrayos azotea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.5.2.b. Planchas de hormigón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.5.2.c. Montaje inacabado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.5.2.d. Problemas con la recepción de datos . . . . . . . . . . . 22 3. Sistema de evaluación de datos 23 3.1. Explicación de los parámetros recogidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.1.1. Intensidad de corriente del módulo fotovoltaico [A] . . . . . . . . 24 3.1.2. Tensión del módulo fotovoltaico [V] . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.1.3. Punto de máxima potencia [W] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.1.4. Factor de llenado [%] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2. Explicación de los parámetros calculados . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2.1. Condiciones Estándar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2.2. Rendimiento del módulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.3. Explicación de las interfaces gráficas para usuario . . . . . . . . . . . . . 29 3.3.1. Representación curva IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.3.2. Evaluación de un módulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.3.3. Evaluación de más de un módulo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.3.4. Comparación de módulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.3.5. Evaluación de las condiciones meteorológicas . . . . . . . . . . . . 34 3.3.6. Evaluación de las interrelaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.4. Explicación de las principales gráficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.4.1. Conjunto I(V) ,P(V), G(V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.4.2. Gráficas más importantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.4.2.a. Potencia en el punto de máxima potencia a condiciones estándard,Ppk....................... 37 3.4.2.b. Gráficas referidas a la intensidad de cortocircuito . . . . 38 3.4.2.c. Gráficas referidas a la tensión de circuito abierto . . . . 39 3.4.2.d. Gráficas referidas a la potencia del punto de máxima potencia........................... 39 3.4.2.e. Representaciones frente al tiempo . . . . . . . . . . . . . 39 3.4.2.f. Gráfica de la dependencia del rendimiento con la temperatura........................... 39 3.4.2.g. Gráfica a tres ejes de potencia, temperatura del módulo ylaradiación........................ 40 3.4.3. Análisis de interrelaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.5. Explicación de la programación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.6. Problemas en el proceso de creación del sistema de evaluación . . . . . . 40 3.6.1. Problemas en la programación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.6.2. Problemas de la instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4. Resultados 43 4.1. Sistema de medición y recogida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 iii Índice general 4.2. Sistemadeevaluación............................. 47 5. Conclusiones 48 5.1. Conclusión................................... 48 5.2. Trabajosfuturos ............................... 48 iv Índice de figuras 1.1. Plan de trabajo inicial (Noviembre 2009) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2. Plan de trabajo real (Mayo 2010) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2.1. Esquema para la realización de las tareas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2. Principales aparatos que componen el sistema de recogida . . . . . . . . . 13 2.3. Esquema conceptual sistema de medición . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.4. Esquema de la distribución de los aparatos . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.5. Ejemplo representación diagrama solar para una fila de la instalación, y proyección de sombra en la instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.6. Plano de la azotea, trazado actual y anterior del camino . . . . . . . . . 20 3.1. Recepción de datos y representación de datos del software Mencke&Tegtmeyer 23 3.2. Circuito equivalente de una célula fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.3. Punto de máxima potencia, curva I-V y P-V . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.4. Esquema aclarativo de la red de interfaces gráficas para la evaluación de los datos eléctricos, térmicos y meteorológicos de los módulos fotovoltaicos 29 3.5. Interfaz que muestra las representaciones I(V), P(V), G(V), así como parámetros de importancia en el funcionamiento del módulo . . . . . . . 30 3.6. Interfaz que muestra los datos importantes en una tabla ordenada . . . . 31 3.7. Interfaz que muestra valores calculados de importancia . . . . . . . . . . 32 3.8. Interfaz que muestra las representaciones más importantes de los datos meteorológicos................................. 34 3.9. Interfaz que permite elegir los datos meteorológicos a representar . . . . . 35 3.10. Interfaz que muestra las principales gráficas para hacerse una primera idea de cómo funcionan los módulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.1. Instalación de los 160 módulos fotovoltaicos en la azotea del DS1400 . . . 43 4.2. Termómetros de temperatura del módulo adheridos al Tedlar . . . . . . . 44 4.3. Estación meteorológica sobre el DS1400 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.4. Armario eléctrico de la instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.5. Breve esquema de las interfaces de evaluación . . . . . . . . . . . . . . . 47 v 2. Sistema de recogida de datos 2.1.2. Empresa: Solar World AG El presente PFC ha sido desarrollado en las instalaciones de SWIN, Solar World Innovations, en Freiberg, la población anteriormente descrita 2.1.1. El grupo Solar World AG se encuentra, en la actualidad, entre los tres líderes mundiales de la industria fotovoltaica. Se encarga de todos las etapas presentes en la cadena de la energía solar fotovoltaica, desde el tratamiento de silicio como materia prima hasta la entrega de proyectos llave en mano. Cuenta con centros de producción en Alemania, Corea del Sur y Estados Unidos. En California concentra la mayor fabricación de módulos solares, mientras que en Oregón se realiza la mayor producción de obleas y células solares. Ya en Europa, en Freiberg, opera una de las plantas de producción solar más modernas e integradas del mundo. A través de sus oficinas comerciales de Alemania, EE.UU., España, Sudáfrica y Singapur, Solar World ofrece soluciones energéticas no sólo para conexiones a red, sino que también para aplicaciones rurales, contribuyendo sustancialmente al desarrollo económico sostenible de áreas aisladas. 2.1.3. Instalación: Tejado del edificio DS1400 La instalación de la que se ocupa este PFC se encuentra en el tejado del edificio DS1400, propiedad de Solar World (Freiberg), como ya ha sido aclarado en el apartado Objetivo 1.1. El sistema a medir consta de 160 placas fotovoltaicas, distribuidas en 9 filas: 2 filas de 8 módulos, 2 filas de 12 módulos y 5 filas de 24 módulos cada una, acoplándose así a la arquitectura del edificio. Éste dispone de dos alturas, y el montaje se halla en la más baja de ellas, coincidente también con el sector más occidental del bloque como se verá posteriormente en la sección Sombras 2.5.1.a. El Cuadro 2.1 muestra un resumen de las características técnicas de la instalación fotovoltaica. Cuadro 2.1.: Resumen de los datos técnicos de la instalación Numero de paneles 160 Potencia pico por panel Anexo III Fabricante Solar World Potencia nominal de la instalación 40,7 kW Numero de inversores 17 x 2,1kW 2 x 2,5 kW Fabricante inversor SMA La instalación ha sido dispuesta de manera que, las líneas compuestas por 24 módulos, 5 2. Sistema de recogida de datos son en realidad 3 conjuntos de 8 módulos cada uno, correspondiéndoles a cada uno de esos grupos de 8 módulos un inversor de los de menor capacidad, 2,1 kW, de modo que el inversor pueda trabajar correctamente cuando aislamos uno de esos módulos para medición. Es decir, los agrupaciones de 8 módulos podrían definirse como grupos de 7+1 módulos. Para las dos líneas compuestas por 12 placas, el inversor utilizado tiene una potencia de 2,5 kW. Los módulos instalados en la instalación son de distinta naturaleza, los hay mono y policristalinos, por lo que algunos datos de la tabla 2.1 deberán ser consultados en Anexo C.1. 2.2. Demanda de la empresa La demanda de la empresa era un completo sistema de medición, recogida y evaluación de datos para la instalación sobre el tejado del nuevo edificio de Solar World, destinado a albergar al departamento de I+D de la empresa anteriormente nombrada. La instalación del tejado les ofrecía un sencillo control visual y una gran accesibilidad para la medición, para completar el seguimiento de la instalación se demandaba un sistema cuyos principales objetivos eran: Capacidad de obtener varios parámetros, tanto eléctricos como meteorológicos, para la obtención de interrelaciones entre el funcionamiento del módulo y las condiciones meteorológicas. Utilización del menor número de aparatos trazadores de línea posible maximizando el número de módulos medidos simultáneamente, debido a su elevado precio. Posibilidad de comparación entre módulos. Capacidad para cambiar los módulos objeto de la medición, si un día se miden módulos de las filas A y C, poder medir en otro momento módulos de las filas B y E, por ejemplo. Gran exactitud. El proyecto incluía no sólo la planificación y construcción del sistema de recogida de datos, sino también la evaluación de los mismos, proceso que se realizaría con la herramienta matemática MATLAB R . Las demandas realizadas por la empresa en este ámbito eran: Evaluación de los datos del DS1400. Capacidad de comparación y observación de tendencias. Evaluación de las condiciones meteorológicas y establecimiento de interrelaciones. 6 2. Sistema de recogida de datos Capacidad para cargar grandes cantidades de datos, pudiendo evaluar incluso años enteros. Posibilidad de evualuar datos de fuentes desconocidas. Para facilitar la realización de todo lo anteriormente expuesto, se fijaron las tareas expuestas en la siguiente figura 2.1: Figura 2.1.: Esquema para la realización de las tareas El presupuesto del que se disponía eran XXXXX e. 7 2. Sistema de recogida de datos 2.3. Elección de los aparatos y estudio de proveedores 2.3.1. Eleción de los aparatos A partir de la lectura de artículos relacionados con el tema se elaboró un primer listado para los aparatos de la estación meteorológica, Cuadro 2.2 y para los aparatos para la recolección de datos Tabla 2.3. Cuadro 2.2.: Tabla aparatos para una estación meteorológica completa Aparato Objeto medición Unidades Anemómetro Velocidad del viento m/s Veleta Dirección del viento ◦ Barómetro Presión atmosférica hPa Psicrómetro Humedad relativa aire Temperatura punto de rocío % ◦C Pluviómetro Cantidad de precipitación l/m2 Espectroradiometro Espectro de la radiación solar directa nm Piranómetro Radiación solar incidente kW/m2 Medidores radiación UVA UVB Radiación ultravioleta mW/cm2 Termómetro Temperatura ambiente ◦C Heliógrafo Duración de la insolación diaria Horas 8 2. Sistema de recogida de datos Cuadro 2.3.: Tabla aparatos para para la recolección de los parámetros eléctricos de la instalación fotovoltaica Aparato Objeto Trazador línea I-V Datos fotovoltaicos de carácter eléctrico y térmico DataLogger Recogida y almacenamiento de datos MATLAB R Herramienta matemática para evaluación de datos Multiplexor Capaz de recibir varias entradas, permite una única salida, determinada por la entrada de selección De acuerdo a las necesidades de nuestra instalación se descartaron los siguientes aparatos: Pluviómetro, resultaba más interesante el estudio de la interrelación entre humedad relativa y funcionamiento del módulo, demanda ya cubierta por el psicrómetro. Espectroradiómetro, ya se disponía de uno antiguo con el que no se contaría en la instalación, ya que los datos no eran concluyentes para nuestro estudio. Heliógrafo, su precio era muy elevado, el dato de horas de sol no resultaba determinante, además de que su cálculo aproximado era bastante sencillo, cálculos que fueron realizados como se puede observar en Anexo D.2. Medidores de rayos UVA y UVB, se contó con ellos hasta el último momento, cuando debido a limitaciones económicas fueron considerados los aparatos más prescindibles. Dado a la petición, anteriormente expuesta en el Apartado Demanda de la empresa 2.2, de maximizar el número de módulos a medir simultáneamente minimizando el costo, se consideró después de varias ideas que lo mejor sería implementar un multiplexor a un aparato trazador de línea. Por lo que a pesar de no ser un aparato común en este tipo de instalaciones, mejoraría considerablemente la capacidad del sistema. 2.3.2. Estudio de proveedores La elección de los proveedores es una labor que requiere tiempo, ya que es necesario evaluar detenidamente cada una de las alternativas. Contar con buenos proveedores implica calidad, bajos costos, seguridad en el suministro.. . de esta manera intentamos asegurar el correcto funcionamiento de nuestro sistema. Los factores decisivos a la hora de elegir un proveedor fueron: 9 2. Sistema de recogida de datos El precio, sobre todo en un proyecto de estas características, cuyo presupuesto está fuertemente fijado. Debemos comparar con el resto del mercado para valorar si el precio se encuentra dentro de los límites razonables para ese producto, teniendo en cuenta otros gastos adicionales, como pueden ser, el transporte, embalaje, seguros, etc. La calidad, en el caso que nos ocupa se puede determinar por los materiales utilizados, su durabilidad, sus características técnicas como son: resolución, exactitud, rangos de medida, conectividad.. . La entrega, siendo de gran importancia los plazos de entrega, y el compromiso de abastecimiento. Servicio de post-venta, han de evaluarse las garantías, servicio técnico, de mantenimiento, la política de devoluciones. .. Otros factores a tener en cuenta son: experiencia, reputación, organización, servicio al cliente. . . Se elaboraron dos listados para los aparatos de las estación meteorológica, tomando como punto de partida a los proveedores habituales del laboratorio: Clasificación por aparatos, se lista los aparatos clasificados por empresas, modelos y sus características técnicas, tales como el campo de medida, la exactitud, la resolución, y por supuesto el precio. Esta clasificación ayuda a la hora de identificar qué aparato de todos los ofertados por todas las empresas es mejor, elección según los aparatos. El listados se puede ver en Anexo A.1. Clasificación por empresas, tras un tiempo en la búsqueda se observa que muchas de los aparatos son ofertados por las mismas empresas, ver Anexo A.2. Esta organización permite de manera más fácil identificar qué empresa sería capaz de suministrar todos o casi todos los componentes. Y por último, un listado para los distintos aparatos trazadores de línea, ver Anexo A.3. Finalmente se escogió al grupo Mencke&Tegtmeyer, eran capaz de suministrar todos los equipos necesarios, evitando problemas de compatibilidad, suministro, conectividad, etc. El presupuesto era adecuado e incluía el montaje y puesta en marcha de la instalación. El tiempo de suministro estimado fueron ocho semanas para la recepción y una más para el montaje, es decir nueve semanas. Una de las grandes ventajas de Mencke&Tegtmeyer era el precio, ya que para hacerse una idea de las diferencias de presupuestos Bauerdick nos ofreció un sistema diseñado por ellos, con 4 trazadores de línea, una estación meteorológica, 2 armarios climatizados , un sistema de seguimiento biaxial y un sistema de medición para NOCT, por más de cinco veces nuestro presupuesto. 10 2. Sistema de recogida de datos 2.4. Componentes del sistema y su distribución En este apartado se describirá brevemente cada uno de los aparatos de los que finalmente consta el sistema, así cómo los parámetros que nos proporciona. La instalación está finalmente compuesta por dos partes bien diferenciadas: Recogida de datos meteorológicos, compuesta por un anemómetro, una veleta, un psicrómetro, un piranómetro y un datalogger. Recogida de datos fotovoltaicos, eléctricos y térmicos, compuesta por un conjunto de células de silicio para medir la radiación, de una serie de termómetros que miden la temperatura del módulo, un multiplexor y un trazador de línea IV. 2.4.1. Aparatos para la recogida de datos meteorológicos 2.4.1.a. Anemómetro Aparato destinado a la medición de la velocidad del viento en m/s. Los anemómetros utilizados en nuestro sistema son del tipo de cazoletas, son los más utilizados por su simplicidad, exactitud y facilidad en la medición a distancia, sin embargo para rachas de vientos, tienden a recoger velocidades medias más altas a las reales. En un principio nuestra instalación sólo iba a contar con el anemómetro que formara parte de la estación meteorológica, posteriormente se decidió que debido a la disposición del edificio, la distribución de las placas fotovoltaicas en la azotea, y considerando la influencia que tiene el viento en la temperatura del módulo, podría ser interesante instalar anemómetros en puntos determinados de la huerta, por lo que finalmente se pidieron 3 anemómetros adicionales, de una gama menor al que se colocaría en la estación meteorológica. Para la estación meteorológica se eligió el modelo Vwind_E caracterizado por la exactitud del ±3%del valor medido ó 0,5 m/s para vientos de 0,5 a 50 m/s. Para los adicionales se escogió el modelo Vwind-Si con un campo de medición de 0,8 a 40 m/s; y con un error en la medición de hasta el 0,5%. Se puede ver la ficha técnica en Anexo C.2. 2.4.1.b. Veleta Es un dispositivo giratorio, destinado a medir la dirección del viento, en grados. Por normas de la OMM (Organización Meteorológica Mundial), tanto la veleta como el anemómetro deben ser instalados a 10 metros sobre la superficie del suelo, pero para otro tipo de estudios especiales, como podría ser el nuestro, se puede instalar según las diferentes necesidades. 11 2. Sistema de recogida de datos El modelo es Rwind con un campo de medición, de 0◦a 360◦y una exactitud de ±5◦. La ficha técnica se puede observar en Anexo C.2. 2.4.1.c. Termómetro de temperatura ambiente Instrumento de medición de temperatura ambiente, mide en ◦C. El modelo utilizado es TMeteo con un rango de medición de -30 a 70 ◦C, y una exactitud de ±0,3 ◦C. Ficha técnica en Anexo C.2. 2.4.1.d. Psicrómetro Aparato destinado a la medición de la humedad relativa en el aire. El psicrómetro esta formado por dos termómetros, uno de bulbo seco y otro de bulbo húmedo. Este último se envuelve en un material, como por ejemplo la tela de algodón humedecida con agua, por lo que cuanto más seco es el aire, más frío por evaporación se produce, y más diferencia de temperatura hay entre los dos termómetros, el termómetro de bulbo húmedo medirá una temperatura inferior por la evaporación del agua. De la diferencia de temperatura uno puede determinar la humedad relativa del aire, así como otros parámetros. Para el correcto funcionamiento debe instalarse aislado de vientos fuertes y de la luz solar. El modelo utilizado es el FA54 de Thermokon. 2.4.1.e. Piranómetro Dispositivo utilizado para la medición de la radiación solar incidente. Mide la densidad de radiación solar (kW/m2) en un campo de 180 grados. En nuestra instalación dispondremos de dos piranómetros para medir la radiación directa, uno en el plano del suelo y otro en el plano de inclinación del módulo. Al tercero se le instalará un disco parasol, interfiriendo la radiación directa proveniente del sol, obteniendo así la radiación difusa. Radiación Global = Radiación directa + Radiación difusa Los piranómetros están constituidos por una pila termoeléctrica contenida en un alojamiento con dos semiesferas de cristal. La pila termoeléctrica se compone de una serie de termopares colocados horizontalmente, cuyos extremos están soldados con unas barras de cobre verticales solidarias a una placa de latón maciza. El conjunto está pintado con un barniz negro, para absorber la radiación. El flujo de calor originado por la radiación se transmite a la termopila, generándose una tensión eléctrica proporcional a la diferencia de temperatura entre los metales de los termopares. 12 2. Sistema de recogida de datos El modelo utilizado es el CMP 11, uno de las características determinantes del aparato es la tensión de salida de 7 a 14 mV para una radiación de 1000W/m2. Ficha técnica en Anexo C.2. El disco parasol es CM121. Todos ellos de Kipp&Zonen. 2.4.1.f. Datalogger Es un dispositivo electrónico que registra datos en el tiempo por medio de instrumentos y sensores propios o conectados externamente. En nuestro caso los sensores son externos, ya que son los sensores que conforman la estación meteorológica y los procedentes del trazador de línea. Éste está conectado al ordenador en el interior del armario eléctrico, ver Anexo G, donde los datos son recogidos. Nuestro datalogger se compone de un módulo IDL100, 4 módulos ISM111, y una ampliación de memoria SRAM de 2 MB. Ficha técnica en Anexo C.2. Anemómetro Veleta Psicrómetro Célula de referencia Piranómetro Piranómetro difusa Trazador de curva IV Datalogger Multiplexor Figura 2.2.: Principales aparatos que componen el sistema de recogida 2.4.2. Aparatos para la recogida de datos eléctricos 2.4.2.a. Trazador de curva IV Es un sistema de medición para el registro de la curva característica IV de los módulos fotovoltaicos. Permite la realización de medidas tanto en el exterior como en el interior, proporcionando los parámetros eléctricos, de radiación y temperatura que caracterizan los módulos. El modelo finalmente elegido es el PV-KLA, el aparato registra la curva IV a través del principio de carga capacitiva, es capaz de registrar simultáneamente los 4 parámetros que mide, intensidad, tensión, irradiancia y temperatura con una frecuencia de hasta 66 kHz. 13 2. Sistema de recogida de datos Nuestro modelo PV-KLA, posee un rango de medida de entre 50 y 400 V, lo que nos permite medir líneas enteras hasta 8 módulos, así como de 4, 8 y 16 A. Ficha técnica en Anexo C.2. 2.4.2.b. Multiplexor Es un dispositivo capaz de recibir 2nentradas y transmitirlas por un único medio de transmisión compartido. Para ello, serán las “n” entradas de selección, las que determinen cuál de las líneas de entrada será la que proporcione valor a la salida. Es un circuito combinacional compuesto por tantas puertas AND como líneas de entrada y una entrada de habilitación por cada una de ellas, y finalmente una puerta OR para todas las salidas de las AND. En nuestro caso el Multiplexor realiza una función de transmisión multiplexada, ya que permite medir varios módulos simultáneamente utilizando la misma línea de conexión con el trazador de curva IV. El multiplexor fue fabricado según nuestro pedido, en un principio se barajó la opción de solicitar un multiplexor de 20 canales, debido al precio de éste se decidió reducir el número de canales hasta un total de 12. 2.4.2.c. Termómetro de temperatura del módulo Aparato para la medición de la temperatura del módulo fotovoltaico, se adhieren a la parte trasera del módulo. Nos permite medir uno de los parámetros más interesantes a observar en un módulo fotovoltaico. El modelo utilizado el TModul10, se dispone de 10 unidades, caracterizados por una exactitud del 1 %, ficha técnica en Anexo C.2. 2.4.2.d. Sensor de radiación / Célula de Silicio Aparato utilizado para medir la radiación solar, se instala en el mismo plano que las líneas fotovoltaicas, y está hecho del mismo material. Proporciona mediciones de radiación, que a pesar de no ser tan exactas como las de los piranómetros, son muy válidas debido a la orientación de la célula y la semejanza con respecto al material del módulo fotovoltaico. Cabe destacar la diferencia de precios entre estos dos aparatos, ya que el precio de una célula de silicio es entorno a 10 veces menor al de un piranómetro. La instalación dispone de 4 células de referencia, llamadas células de silicio, el modelo es Si-13TC-K. El trazador de línea lleva incluido una célula de silicio, del tipo Si-01TCext. Esta es la que nos dará la radiación general, y las otras cuatro serán distribuidas por la instalación fotovoltaica. Ficha técnica en Anexo C.2. 14 2. Sistema de recogida de datos trazado de las bandejas para cables, siendo el resultado final el que se puede observar en la figura 2.6. 2.5.2.b. Planchas de hormigón El suelo de la azotea es de grava, por lo que para la fijación de la estación meteorológica, el armario eléctrico y las bandejas de cableado se necesitaban planchas de hormigón, sin embargo, Mencke&Tegtmeyer no las habían tenido en cuenta al planificar la instalación. El camino había sido realizado con unas de 59,5 x 39,5 x 8 cm, costaban 20 epor placa, incluido el montaje. Por lo que se estimó que saldría mejor económicamente devolverlas al proveedor y comprar unas de menor gama en la cadena alemana de bricolage, Baumarkt. Finalmente se compraron 14 de dimensiones 49,5 x 49,5 x 5 cm. de coste 4e/unidad, 6 fueron para la estación meteorológica y 8 para el armario eléctrico. Y también se compraron 148 planchas de 29,5 x 29,5 x 3,5 cm. a 3e/unidad, para la fijación de las bandejas de cableado. Siendo en total el gasto de 500 e, considerablemente menor que los 3240eque hubiera supuesto utilizando las planchas del camino. 2.5.2.c. Montaje inacabado Como ya he nombrado anteriormente al comienzo de este apartado, el montaje acabó el día 1 de junio, sin embargo esta afirmación no es del todo cierta, ya que en ese momento no estaban instalados todos los aparatos y sensores. Los elementos que faltaban y las razones eran: Disco parasol CM 121, todavía no lo habían recibido. 4 Sensores de temperatura del módulo, se pidieron 10 sensores extra además de los recibidos con cada aparato trazador de línea, sólo 6 estaban en la instalación, la falta de cable impidió la instalación de los 4 últimos. 4 Sensores de radiación de tipo Si-C, células de referencia, éstas también fueron pedidas además de las recibidas para cada trazador de línea. No fueron instalados también en este caso debido a la insuficiencia de cable. Al realizar la instalación del día 01.06.2010, Mencke&Tegtmeyer nos comunicaron que se realizaría una revisión a las dos o tres semanas a partir de ese momento, para comprobar el correcto funcionamiento del sistema y traer todo el cableado necesario, así como los sensores que faltaban. La revisión se realizó el 05.07.2010, fecha en la que la instalación se completó. 21 2. Sistema de recogida de datos 2.5.2.d. Problemas con la recepción de datos Otro de los problemas relacionados con la instalación inacabada fue la recepción de una de las piezas del data logger, un ISM111, sin programar, se les había pasado por alto la programación del módulo que se encargaba del piranómetro. Recibimos una solución con fecha 17.06.2010, la cuál consistía en que nosotros reprogramáramos el módulo mandándonos ellos la licencia necesaria, la reprogramación se completó a fecha 21.06.2010. Debido a diversas complicaciones que serán explicadas en la Sección, reprogramación, 3.6.2, la detección de otros problemas del sistema se demoró dos semanas y media, tiempo utilizado para solventar el problema de la reprogramación, por lo que después de ese tiempo comencé a evaluar los datos, observando que las curvas relacionadas con la Isc no se correspondían a los cánones que debían seguir, los valores nunca superaban los 4,5 A, por lo que se reparó en que en el conjunto trazador de línea, multiplexor y ordenador industrial, los parámetros de Isc,STC fijados no se correspondían a los reales de los módulos objeto de medición. Es decir, los parámetros no habían sido ajustados a los datos de cada uno de los módulos que medíamos. Una vez solucionado este problema, se observó que los datos obtenidos para el rendimien- to de las placas, tampoco eran adecuados lo que nos llevó a buscar, y repercutir en que los valores para Pmpp, Umpp y Uoc no eran los adecuados. Este problema no fue de tan sencillo arreglo, ya que tras varias conversaciones con Mencke %Tegtmeyer, varias mediciones en la instalación, seguíamos sin encontrar en qué punto fallaba, dándonos como resultado tensiones del orden de diez veces menor a las que supuestamente debíamos obtener. El día 05.07.2010 dos trabajadores de Mencke %Tegtmeyer vinieron para completar el sistema y revisar los fallos, fue en ese momento cuando repararon en que habían colocado un aparato trazador de línea sin calibrar, ya que ellos habían realizado las pruebas en sus laboratorios con otro aparato. 22 3. Sistema de evaluación de datos 3.1. Explicación de los parámetros recogidos A través del aparato trazador de línea I-V, modelo PV-KLA, y del PC, se recolectan cada 30 segundos los datos de intensidad [A] y voltaje [V] que proporcionan los módulos, así como datos de radiación [W/m2]. Por lo que cada 30 segundos disponemos de una curva característica por módulo, este tiempo de ciclo es un parámetro que se puede variar en la configuración del sistema a través del PC. Los datos son almacenados en archivos ASCII, como los que se muestran en el lado izquierdo de la figura 3.1, en la pantalla del PC conectado al sistema en el armario eléctrico se observa la curva I-V al mismo tiempo que la G-V, lado derecho de la figura 3.1. Figura 3.1.: Curva y datos software Mencke&Tegtmeyer Para caracterizar eléctricamente un módulo fotovoltaico es necesario representar el conjunto de valores de intensidad de corriente y tensión que bajo cualquier situación de carga, irradiancia o temperatura del módulo puedan darse, para posteriormente poder cuantificar algunos parámetros que nos permitirán comparar tanto distintos módulos como distintas situaciones, observando así el comportamiento de los módulos en cada caso. El data logger no sólo se encarga de recolectar los datos de tensión, intensidad y radiación cada 30 segundos, sino que también recoge otros datos de gran importancia, tanto de carácter eléctrico, Vmpp, Impp, Pmpp, Voc, Isc, FF, como meteorológico, ve- 23 3. Sistema de evaluación de datos locidad y dirección del viento, temperatura ambiente, radiación difusa, radiación en el plano del módulo, radiación normal y humedad relativa del aire. 3.1.1. Intensidad de corriente del módulo fotovoltaico [A] La conversión de la energía solar en energía eléctrica es consecuencia del llamado efecto fotovoltaico, es necesario conocer a groso modo el desarrollo de este fenómeno para llegar a comprender correctamente el funcionamiento de una célula fotovoltaica, y en consecuencia la aparición de la intensidad de corriente eléctrica. La mayoría de los módulos comerciales utilizan como semiconductor el silicio, por lo que se tratará de explicar el proceso a través de este elemento. El silicio, que es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después del oxígeno, tiene de número atómico 14, y pertenece al cuarto grupo de la tabla periódica, por lo que posee catorce electrones, y cuatro de estos son electrones de valencia. Estos cuatro electrones son capaces de participar en las interacciones con otros elementos, o con el propio silicio. Así por ejemplo dos átomos de silicio adyacentes pueden tener en común dos electrones, generando un fuerte enlace electrostático entre los átomos, enlace que puede ser roto suministrando la suficiente energía como para elevar al electrón a un nivel superior, alcanzando así la banda de conducción, en el caso del efecto fotovoltaico la energía aportada para elevar al electrón hasta la banda de conducción proviene de los fotones de la luz solar. En este proceso no sólo el electrón será finalmente capaz de desplazarse, sino que también habrá dejado un hueco en la banda de valencia, el cuál podrá ser rellenado por otro electrón. Por lo que se generan dos portadores, un electrón en la banda de conducción, y un hueco en la banda de valencia. Para poder obtener una corriente aprovechable, es necesario crear un movimiento coherente de portadores, por lo que se crea un campo eléctrico dentro de la célula fotovoltaica, para ello someteremos las obleas de silicio a procesos de dopado, obteniendo como resultado una zona dopada con átomos de boro, lado positivo ya que el boro tiene tres electrones de valencia, y otra con átomos de fósforo, lado negativo ya que el fósforo tiene cinco electrones de valencia, creando así la llamada estructura de diodo, caracterizada por la unión P-N, siendo P el lado positivo dopado con Boro, y N el negativo dopado con Fósforo. Por lo que al exponer una célula fotovoltaica a la luz solar, esta se comporta como un generador de corriente, la corriente entregada a una carga por una célula solar, es el resultado de dos componentes de corriente que se oponen: La corriente de iluminación, es decir corriente fotogenerada, debida a los portadores generados por la iluminación. Iph=IL 24 3. Sistema de evaluación de datos La corriente de oscuridad, corriente del diodo, debida a la recombinación de portadores que produce el voltaje externo necesario para poder entregar energía a la carga. ID=IO(eeV KTc−1) A partir del circuito equivalente de una célula fotovoltaica, figura 3.2, y de las fórmulas anteriormente expuestas, se deduce la ecuación que representa a todos los pares I-V de una célula fotovoltaica: I=IL−IO[e e(V+IRS) KTc−1] −V+IRS RP Siendo: e, carga del electrón, 1,6021x10−19 C. K, constante de Boltzman. Tc, Temperatura en grados Kelvin. Rs, resistencia en serie del cct. equivalente. Rp, resistencia en paralelo del cct. equivalente. Figura 3.2.: Circuito equivalente de una célula fotovoltaica Algunos parámetros de interés con respecto a la intensidad de corriente que circula por una célula fotovoltaica son: Intensidad de cortocircuito, Icc, es la máxima intensidad que puede circular por una célula, y se alcanza poniendo ésta a cortocircuito. Intensidad en el punto de máxima potencia, Impp, es el máximo valor de intensidad para el que la potencia entregada a una carga es máxima en el funcionamiento de la célula. 25 3. Sistema de evaluación de datos 3.1.2. Tensión del módulo fotovoltaico [V] Para el voltaje existen también dos parámetros de especial importancia: Tensión a circuito abierto, Voc, es el máximo voltaje que se puede registrar en bornes de una célula, sin permitir el paso de la corriente entre los bornes, en circuito abierto. Tensión en el punto de máxima potencia,Vmpp, es el máximo valor de tensión para el que la potencia suministrada a una carga es máxima durante el funcionamien- to de la célula. También es utilizada como tensión nominal. Comercialmente, los módulos se identifican por su potencia y su tensión nominal, con su marca y modelo correspondientes. La tensión nominal no se corresponde, ni debe confundirse, con la tensión a circuito abierto. Simplemente hace referencia a la idoneidad del módulo en cuestión para su utilización en sistemas con dicha tensión nominal, o tensión habitual de utilización. 3.1.3. Punto de máxima potencia [W] Es el punto en el que se maximiza el producto de tensión por intensidad de corriente para una determinada radiación, es decir la carga para la cual la célula es capaz de entregar la máxima potencia. Este punto varía con la radiación incidente sobre la célula, debido a la dependencia de la intensidad de corriente, y al mismo tiempo a la de ésta con la radiación. Por lo que a mayor radiación obtendremos mayores potencias. Los valores que caracterizan a este punto son la potencia,Pmpp [W], que es llamada en ocasiones potencia de pico o potencia nominal, y como ya acabamos de ver la intensidad Impp, y la tensión Vmpp. Este par de valores es único, es decir, sólo existe un punto en la curva I-V para el cuál la potencia es la máxima posible. Puntos que se ven claramente reflejados en las curvas características de un módulo, como se ve en la figura 3.3 Figura 3.3.: Punto de máxima potencia, curva I-V y P-V 26 3. Sistema de evaluación de datos 3.1.4. Factor de llenado [ %] El factor de llenado, Fill Factor en inglés, es un término que nos ayuda a definir la eficacia de la célula. FF =Pmpp VocIsc Nos permite obtener la relación entre la máxima potencia real que podemos obtener para esas condiciones con la potencia que se obtendría teniendo la máxima intensidad, Isc, y la máxima tensión, Voc. 3.2. Explicación de los parámetros calculados 3.2.1. Condiciones Estándar Las condiciones estándar para la medición de módulos son: Temperatura 25◦C Irradiancia 1000 W/m2 Masa de aire espectral 1,5 La medición de potencia en condiciones estándar determina los kilovatio pico (kWp) que caracteriza a los módulos solares comercialmente. Por lo que es muy importante conocer los valores en condiciones de estándar ya que es una referencia de competitividad entre módulos. En el caso de la instalación objeto de este PFC, los parámetros en condiciones estándar, STC, no son recibidos como parámetros, por lo que tuvieron que ser calculados como parte de la programación adicional en Matlab. Las fórmulas utilizadas son las siguientes: Uoc,ST C =Uoc 1+T KUoc∗(T−25) Isc,ST C =Isc∗1000 G∗(1+T KIsc∗(T−25)) Pmpp,ST C =Pmpp∗1000 G∗(1+T Kmpp∗(T−25)) Donde: 27 3. Sistema de evaluación de datos TKUoc , coeficiente de temperatura para la tensión en circuito abierto, representa el porcentaje en el que aumenta o disminuye la Uoc para una variación de la temperatura de un grado Kelvin, los valores utilizados son -0,33 %/K para módulos de silicio monocristalino, y -0,34 %/K para los de policristalino. TKIsc , coeficiente de temperatura para la intensidad de corriente en cortocircuito, y representa el porcentaje en el que aumenta o disminuye la Isc para una variación de la temperatura de un grado Kelvin, los valores para módulos monocristalinos 0,042 %/K y 0,034 %/K para policristalinos. TKmpp , coeficiente de temperatura para la potencia de pico, representa el porcentaje en el que aumenta o disminuye la Pmpp para una variación de la temperatura de un grado Kelvin, los valores utilizados son -0,45 %/K para mono y -0,48 %/K para policristalino. G, irradiancia en W/m2 T, temperatura en ◦C. Los coeficientes de temperatura pueden observarse en las fichas técnicas de los módulos, Anexo C.1. 3.2.2. Rendimiento del módulo Hay distintos parámetros que nos ayudan a determinar la eficiencia de un módulo fotovoltaico, hasta ahora han sido explicados dos, el trabajo en el punto de máxima potencia, 3.1.3 que nos permite comparar entre módulos, y el factor de llenado 3.1.4 que podría decirse, nos permite comparar el funcionamiento real con el funcionamiento ideal de la placa, para unas determinadas condiciones. Pero todavía podemos calcular un tercero que nos aporta información sobre la eficiencia de conversión del módulo, es decir de toda la energía que recibe, cuánta es finalmente convertida en energía eléctrica útil. η=Pmpp G∗Am Siendo: Am, área del módulo en m2. 28 3. Sistema de evaluación de datos 3.3. Explicación de las interfaces gráficas para usuario Como ya se ha explicado con anterioridad una de las partes más importantes de este PFC, ha sido la dedicada a la programación en MATLAB R con el objeto de crear un sistema de interfaces que faciliten al usuario la evaluación de los datos fotovoltaicos, sin la necesidad de saber programar en MATLAB R o de incluso manejarlo. En principio mis tareas con respecto a MATLAB R , consistían en una programación general, a grosso modo, siendo la ampliación al detalle objeto de un futuro PFC en la misma empresa, sin embargo, finalmente la programación realizada puede considerarse bastante detallada. GUIDE fue la herramienta de MATLAB R utilizada para la programación de interfaces, a partir de ahí generé una red de interfaces que posibilitan la evaluación, el siguiente esquema 3.4 trata de aclarar la organización de mi programa. Es decir, en este apartado se tratará de explicar la forma, y no el contenido, objeto de la siguiente sección. Figura 3.4.: Esquema de la red de interfaces en MATLAB R  29 3. Sistema de evaluación de datos En la figura anterior 3.4, podemos observar como se repiten los términos: AD , all data, es decir cuando lo que evaluamos es el total de datos. WO , without outliers, evaluamos todos los datos excepto aquellos datos que pueden ser fruto de un error en la medición. WOWSD , without outliers and 3 times standard desviation, evaluamos todos los datos excepto los que son fruto del error y todos aquellos que no estén dentro del límite ±3 veces la desviación estandard. Como el esquema nos muestra, el programa parte de un menú principal, desde el cual se puede acceder a distintos tipos de evaluaciones, que son las que aparecen en la segunda fila del esquema, se tratará de explicar brevemente lo que cada una de ellas ofrece, para una explicación más detallada y gráfica, ver CD adjunto, donde se explican y muestran cada una de las interfaces. 3.3.1. Representación curva IV A través de esta interfaz podemos acceder a un menú que nos permite representar la curva IV, para un módulo o más de un módulo. En ambos casos, la interfaz solicita al usuario que introduzca la hora objeto de evaluación, por lo que para el caso de la evaluación de un módulo obtendremos dos curvas, ya que al ser el ciclo de 30 seg. en cada minuto se realizan dos mediciones, permitiéndonos así comparar todos los parámetros representativos para ese módulo en ese minuto, así como las gráficas de I(V), G(V), P(V), 3.5. Lo mismo sucederá para la opción de evaluación de más de un módulo, siendo esta vez comparados distintos módulos durante el mismo segundo. Figura 3.5.: Interfaz que muestra las representaciones I(V), P(V), G(V), así como parámetros de importancia en el funcionamiento del módulo 30 3. Sistema de evaluación de datos milivoltios. Influencia de la temperatura del módulo, al aumentar la temperatura del módulo disminuirá la Uoc, mientras que la Isc se mantendrá constante, esta es la razón por la que se estudia para encontrar sistemas de refrigeración del módulo, combatiendo así el progresivo aumento de temperatura de la placa, que influye negativamente en el rendimiento de ésta. Punto de máxima potencia, la curva IV está fuertemente ligada a la curva PV, esquina inferior derecha de la figura 3.5. La potencia se define como el producto de la tensión por la intensidad, por lo que esta curva nos permite ver rápidamente qué punto tiene la máxima potencia, simplemente tendremos que buscar el punto con ese voltaje en la curva IV para determinar el punto de máxima potencia en la curva IV. Por lo explicado en los dos puntos anteriores se deduce que los aumentos de radiación y las temperaturas bajas de funcionamiento de la placa influyen positivamente en el punto de máxima potencia. Este punto también determina la resistencia de la carga óptima para el funcionamiento a máxima potencia del módulo o célula. La representación de la curva GV, deja ímplicita la independencia de la tensión con la radiación, ya que ésta es una línea recta como vemos en la esquina inferior izquierda de la figura 3.5. 3.4.2. Gráficas más importantes En la figura 3.10 se puede observar la interfaz que se podría llamar resumen de gráficas", ya que representa en una sola interfaz las representaciones más significativas a la hora de valorar un módulo fotovoltaico. 3.4.2.a. Potencia en el punto de máxima potencia a condiciones estándard, Ppk Las tres primeras representaciones hacen referencia a éste parámetro, empezando por la esquina superior izquierda encontramos la representación de la media de Pmpp,STC, descrita como Av.Ppk, enfrentada a la radiación en W/m2, justo debajo podemos encontrar la desviación estándard de Pmpp,STC, señalada como St.desv., frente a la radiación nuevamente. Se puede observar en ambos casos como a partir de los 500 W/m2la media se estabiliza, al igual que la desviación estándard, concluyendo así que el aparato obtiene mediciones exactas a partir de aproximadamente este valor, como ya se sabía según información del fabricante, en este caso PV Engineering. La siguiente gráfica, Ppk(G), representa como su encabezado indica, todos los puntos medidos Pmpp,STC frente a G. Los valores de la potencia se mantienen constantes a 37 3. Sistema de evaluación de datos partir de los 500 W/m2, como era de esperar, pues la potencia a condiciones estándard es un dato proporcionado por el fabricante, es decir, una constante. Así se confirma, la hipótesis anteriormente expuesta, se podrán considerar fiables los datos a partir de 500 W/m2, al menos con este aparato. Figura 3.10.: Interfaz que muestra las principales gráficas 3.4.2.b. Gráficas referidas a la intensidad de cortocircuito Las dos últimas representaciones de la primera fila de la figura anterior 3.10, son las gráficas referidas al comportamiento de la intensidad de cortocircuito frente a la temperatura, en cuyo caso se observa un aumento. Este incremento de Isc, al aumentar la temperatura del módulo, podría considerarse más una consecuencia de que la temperatura del módulo se incrementa al aumentar la radiación, siendo esta última la causa directa del aumento de Isc, como se puede observar en la gráfica de la esquina superior derecha, donde se observa claramente como la dependencia es lineal. 38 3. Sistema de evaluación de datos 3.4.2.c. Gráficas referidas a la tensión de circuito abierto Las dos primeras gráficas de la fila del medio de la figura 3.10, son las referidas a la tensión de circuito abierto, la primera de las representaciones empezando por la izquierda es la que muestra la relación entre Uoc, y la temperatura del módulo. En esta gráfica se observa claramente la disminución de la tensión con el aumento de la temperatura. La segunda representación empezando por la izquierda de la fila del medio enseña la dependencia entre la Uoc y la radiación, como hemos explicado con anterioridad 3.4.1, al aumentar la radiación también aumenta la Uoc, pero lo hace de una manera muy ligera, no hay más que comparar las gráficas de Uoc e Isc contra G. 3.4.2.d. Gráficas referidas a la potencia del punto de máxima potencia Éstas son las dos últimas representaciones de la fila del medio de la figura 3.10, podemos observar a simple vista como la dependencia de la potencia con la temperatura y la radiación es similar a la dependencia que tiene la Isc con respecto a esas dos variables. Sin embargo podemos observar que en la dependencia con la radiación, tercera representación de la fila, puede apreciarse una ligera dispersión si se compara con la representación de la Isc frente a G, esto puede deberse a la pequeña influencia de la radiación sobre la tensión. En el caso de la influencia de la temperatura, cuarta representación, se observa como es más compacta de lo que era la dependencia de Isc, esto puede deberse a que los parámetros de tensión disminuyen para aumentos de temperatura. 3.4.2.e. Representaciones frente al tiempo En la primera representación de la cuarta fila, se representan las dependencias de la radiación y la temperatura con el tiempo, es decir, con las horas en el día. Las horas del día registradas con radiaciones más altas son coincidentes con las temperaturas más altas del módulo, tal como se esperaba. 3.4.2.f. Gráfica de la dependencia del rendimiento con la temperatura La segunda representación de la última fila de la figura 3.10, muestra la dependencia del rendimiento con la temperatura, mostrando claramente la influencia negativa del aumento de la temperatura del módulo. 39 3. Sistema de evaluación de datos 3.4.2.g. Gráfica a tres ejes de potencia, temperatura del módulo y la radiación Es la tercera gráfica de la última fila, donde se observa con facilidad el aumento de la potencia para aumentos de radiación. 3.4.3. Análisis de interrelaciones Una de los grandes avances que permite este programa es la capacidad de evaluar y analizar la interrelación de hasta 4 variables. Se puede ver un ejemplo de este tipo de análisis con referencia a la temperatura del módulo en Anexo E. 3.5. Explicación de la programación Como se ha ido repitiendo a lo largo del PFC, la programación de interfaces para usuario con la herramienta GUIDE del MATLAB R , ha sido una parte importante de este trabajo para la que se han dedicado más de 3 meses, tiempo en el que empezando desde cero a nivel de programación, se ha creado un sistema de evaluación para los datos de los que disponíamos, así como para datos de origen desconocido. Debido a la extensión y complejidad de la programación, se ha considerado conveniente explicarla y mostrarla en el CD adjunto, dedicando así las páginas del resumen a la explicación de gráficas y parámetros que repercuten en la evaluación como tal. 3.6. Problemas en el proceso de creación del sistema de evaluación 3.6.1. Problemas en la programación Dada mi inexperiencia al comienzo de este proceso en actividades como la programación, y más concretamente en la programación con MATLAB R para interfaces gráficas, podría decirse que cada día aparecía un nuevo problema. Sería demasiado extenso explicar cada uno de los problemas surgidos así que serán ennumerados los pasos seguidos durante el proceso de búsqueda de soluciones. Primero recurría a la ayuda del MATLAB R , después buscaba en los diversos tutoriales que fueron descargados de la red, posteriormente acudía a internet, donde gente de todo el mundo con una gran experiencia en el entorno están dispuestos a ayudar, finalmente preguntaba a amigos y conocidos, y en el caso de no tener éxito a lo largo de este proceso buscaba una solución más larga y simple. 40 3. Sistema de evaluación de datos 3.6.2. Problemas de la instalación La programación comenzó la primera semana de marzo del 2010, dado que la instalación todavía no estaba operativa, se solicitó a la oficina de ingenieros Mencke&Tegtmeyer, que enviasen unos archivos iguales a los que se iban a recibir de la instalación, para así empezar a programar en base a los datos de los que se dispondría. La última semana de mayo la programación estaba completa, y a la semana siguiente vinieron a montar la instalación. El día 2.03.2010 se recibieron los siguientes archivos: Parameter, archivo en el que se encontraban todos los parámetros eléctricos obtenidos del aparato trazador de línea. Curve, archivo en el que se mostraba en tres columnas la tensión, corriente de intensidad y radiación. Logger, archivo en el que se disponía de todos los datos meteorológicos para una instalación de nuestras condiciones, es decir con los mismos sensores. Al acabar el montaje, durante la prueba de la instalación, se observó que los datos venían en dos archivos, no en tres como se nos había comunicado en un principio. Existiendo los siguientes problemas que requirieron la reprogramación durante las dos primeras semanas de julio, como ya se ha nombrado con anterioridad en el apartado de Problemas en la recogida de datos 2.5.2.d: Archivo para la representación de la curva, este fue uno de los principales problemas para la reprogramación, ya que a diferencia del primer archivo, Curve, todos los datos de un día se almacenaban en el mismo archivo, separados por las horas de medición, y además en el primer tipo de archivo, Curve, las primeras líneas estaban ocupadas por los parámetros característicos de la curva, como son Isc, Voc, Vmpp, Impp, Pmpp...etc. Archivo para los parámetros eléctricos y meteorológicosel problema en este caso era de más fácil solución, en este archivo se encontraban juntos los archivos que antes, Parameter yLogger. Uno de los principales problemas desencadenados de este archivo era que en un principio todos los datos de las distintas temperaturas de módulo estaban en un mismo archivo, posibilitando así la comparación de las temperaturas de todos los módulos abriendo un único archivo, ahora sin embargo sólo se pueden comparar las temperaturas de los módulos que se seleccionen, teniendo que cargar mucho más el programa, pues la cantidad de datos a analizar será tantas veces más grande como módulos se seleccionen. Otro de los problemas esta vez relacionados con los parámetros eléctricos es que en el primer archivo, Parameter, se disponía de todos los datos, incluido los de condiciones estándard, en el archivo actual no se dispone de estos parámetros que resultan esenciales a la hora de comparar distintos módulos de manera comercial, por lo que el cálculo pasó a 41 3. Sistema de evaluación de datos formar parte de la programación, como se ha visto en el apartado Explicación de los parámetros calculados 3.2. 42 4. Resultados Los resultados de este proyecto pueden dividirse, al igual que la realización del mismo, en dos partes bien diferenciadas. 4.1. Sistema de medición y recogida Esta sección enseña los resultados de todo el proceso explicado en el capítulo 2. Al comienzo del PFC, no existía ningún plan para la realización del mismo, sólo eran conocidas las demandas de la empresa y el presupuesto del que se disponía. Por lo que después de un tiempo de documentación, de búsqueda de los mejores productos a los mejores precios, de búsqueda de ofertas, de rechazar distintos aparatos, etc. Se procedió al pedido del sistema que hoy en día está instalado y operativo en la azotea del DS1400, Freiberg (Sajonia, Alemania). El sistema consta, como ya hemos aclarado en el capítulo 2, de: 1 estación meteorológica, 3 anemómetros adicionales, 10 sensores de temperatura, 4 células de silicio, 1 data logger, 1 trazador de línea IV, 1 multiplexor. En esta primera foto, 4.1, se puede observar la instalación de los 160 módulos fotovoltaicos. Figura 4.1.: Instalación de los 160 módulos fotovoltaicos en la azotea del DS1400 43 4. Resultados En la siguiente foto, 4.2, se ven los sensores de temperatura adheridos a la esquina superior izquierda de la parte trasera del módulo, círculos rojos. Figura 4.2.: Termómetros de temperatura del módulo adheridos al Tedlar Aquí, 4.3, se observa la estación meteorológica compuesta por una veleta, un anemómetro de cazoletas, un psicrómetro, un termómetro de temperatura ambiente, el cuál está colocado entre las carcasas del armario eléctrico para protegerlo de la lluvia y el viento, ver círculo rojo en 4.4, un piranómetro en el plano horizontal, otro en el plano de inclinación de los módulos y un último que mide la radiación difusa gracias al disco parasol. 44 4. Resultados Figura 4.3.: Estación meteorológica sobre el DS1400 45 4. Resultados Por último una foto del armario eléctrico, 4.4 que muestra los principales componentes, en el círculo verde encontramos el trazador de línea IV, en azul el PC industrial, en rosa el data logger, y en amarillo el multiplexor. Figura 4.4.: Armario eléctrico de la instalación 46