Reconfiguración dinámica del campo solar de una planta fotovoltaica para maximizar la producción de energía

Trabajo fin de grado Grado en ingeniería de tecnologías industriales Reconfiguración dinámica del campo solar de una planta fotovoltaica para maximizar la producción de energía Autor: Salvador Cabello García Tutor: José María Maza Ortega Dpto. de Ingeniería Eléctrica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 iii Trabajo fin de grado Grado en ingeniería de tecnologías industriales Reconfiguración dinámica del campo solar de una planta fotovoltaica para maximizar la producción de energía Autor: Salvador Cabello García Tutor: José María Maza Ortega Profesor titular Dpto. de Ingeniería Eléctrica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 v Trabajo fin de grado: Reconfiguración dinámica del campo solar de una planta fotovoltaica para maximizar la producción de energía Autor: Salvador Cabello García Tutor: José María Maza Ortega El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2018 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis maestros A mis amigos Agradecimientos Llegados a este punto, me gustaría dedicar unas palabras de agradecimiento a todas aquella personas que me han acompañado durante toda mi vida. En primer lugas a mis padres, por su eterna dedicación hacia mis hermanos y hacía mí, lo han dado todo por educar y sacar adelante nuestra familia. A toda mi familia (abuelos, tios, primos…) por apoyarme siempre. A mis amigos y amigas de toda la vida, que siempre me han apoyado cuando las cosas no iban de cara, a mi grupo El Perdón de Cristo, ensencial en mi vida ; y los amigos que durante estos cuatro años he conocido en Sevilla y en especial en la Escuela. A mi tutor José María por darme la oportunidad de realizar este trabajo, del cual estoy muy satisfecho, y ayudarme para conseguirlo. A todos los profesores que me han formado en las diferentes etapas de mi vida, en especial a los de esta Escuela por formarme en lo que verdaderamente me apasiona que es la ingeniería. A todos, GRACIAS. Salvador Cabello García Sevilla, 2018 ix Resumen El objetivo de este trabajo es estudiar cómo mejorar el rendimiento de las plantas fotovoltaicas mediante la reducción de las pérdidas Joule, basado en el aumento de la tensión DC de las ramas en paralelo usando reconfiguración dinámica de los paneles fotovoltaicos. A lo largo del trabajo se hace una pequeña introducción al mundo de la energía solar, en especial la fotovoltaica, para después desarollar cuáles son los componentes de las instalaciones fotovoltaicas de conexión a red y cómo diseñarlas hasta llegar al capítulo principal que es la reconfiguración dinámica, a grandes rasgos lo que se pretende es estar siempre en el límite de tensión superior del rango MPPT del inversor, establecido por las condiciones de irradiancia y temperatura del momento, para disminuir la corriente que llega al inversor logrando así disminuir las pérdidas Joule. Introducción a la energía solar 2 1.1 El Sol El Sol es la estrella más cercana a la Tierra siendo por ello nuestra principal fuente de energía, nos proporciona luz y calor, necesarios para el desarrollo de la vida en nuestro planeta. Nació hace unos 4600 millones de años y posee una potencia emisora de 3,7 *1014 TW, de la que nos llega a la superficie de la Tierra 1,7 *105 TW, es decir, durante una hora nos llega aproximadamente la energía que consume la humanidad en un año. Esta fuente de energía podría poner fin a los combustibles fósiles, pero actualmente existen limitaciones en la captación y almacenamiento de esta energía. Es el origen de todas las energías renovables:  Es la fuente de la energía solar.  Evapora el agua convirtiéndolo en lluvia y con ello permitiendo el almacenamiento de agua en las presas hidráulicas: energía hidráulica.  Provoca diferencias de presión que son el origen del viento: energía eólica.  Permite realizar la fotosíntesis a las plantas y con ello su crecimiento: biomasa.  Indirectamente con la creación del viento aparecen las olas: energía mareomotriz. 1.2 Radiación solar La energía que emite el Sol la transmite mediante la denominada radiación solar. La radiación en el sol es 63450720 W/m2. Si suponemos que el Sol emite en todas las direcciones y construimos una esfera que llegue hasta la atmosfera terrestre, es decir, que tenga un radio de la distancia de 149,6 millones de Km podremos determinar cual es la radiación en ese punto. Este valor de la radiación solar recibida fuera de la atmósfera sobre una superficie perpendicualr a los rayos solares es conocida como constate solar (1353 W/m2), variable durante el año un ± 3 % a causa de la elipticidad de la órbita terrestre. A la Tierra solo llega aproximadamente un 1/3 de la energía total que recibe la atmósfera, y de ella el 70 % cae al mar. Aún así, es varios miles de veces el consumo energético mundial. 3 Figura 1.2.1. Irradiación solar Los tipos de radiación solar depende de como inciden los rayos en la superficie terrestre, se distinguen tres componentes:  Directa: es la recibida desde el Sol sin que se desvíe en su paso por la atmosfera.  Difusa: es la que sufre cambios en su dirección principalmente debidos a la reflexión y disfusión de la atmósfera.  Albeldo: es la radiación directa y difusa que se recibe por reflexión en el suelo u otras superficies cercanas. Figura 1.2.2. Tipos de radiación solar. Introducción a la energía solar 4 1.3 Efecto fotovoltaico El efecto fotovoltaico transforma la energía lumínica (fotones) en energía eléctrica. Fue descubierto y descrito por Heinrich Hertz, en 1887, al observar que el arco que salta entre dos electrodos conectados a alta tensión alcanza distancias mayores cuando se ilumina con luz ultravioleta que cuando se deja en la oscuridad. La explicación teórica fue hecha por Albert Einstein, quien publicó en 1905 el revolucionario artículo “Heurística de la generación y conversión de la luz”, por el que recibió el premio Nobel de física en 1921. El efecto fotovoltaico ocurre cuando un semiconductor dopado se expone a radiación electromagnética, se desprende del mismo un fotón, que golpea a un electrón y lo arranca, creando un hueco en el átomo. Normalmente, el electrón encuentra rápidamente otro hueco para volver a llenarlo, y la energía proporcionada por el fotón, por tanto, se disipa en forma de calor. El principio de una célula fotovoltaica es obligar a los electrones y a los huecos a avanzar hacia el lado opuesto del material en lugar de simplemente recombinarse en él: así, se producirá una diferencia de potencial y por lo tanto tensión entre las dos partes del material, como ocurre en una pila. Para ello, se crea un campo eléctrico permanente, a través de una unión p-n, entre dos capas dopadas respectivamente, p y n. En las células de silicio, que son mayoritariamente las más utilizadas, se encuentran por tanto:  La capa superior de la celda, que se compone de silicio dopado de tipo n. En esta capa, hay un número de electrones libres mayor que en una capa de silicio puro, de ahí el nombre del dopaje n, negativo. El material permanece eléctricamente neutro, ya que tanto los átomos de silicio como los del material dopante son neutros: pero la red cristalina tiene globalmente una mayor presencia de electrones que en una red de silicio puro.  La capa inferior de la celda, que se compone de silicio dopado de tipo p. Esta capa tiene por lo tanto una cantidad media de electrones libres menor que una capa de silicio puro. Los electrones están ligados a la red cristalina que, en consecuencia, es eléctricamente neutra pero presenta huecos, positivos (p). La conducción eléctrica está asegurada por estos portadores de carga, que se desplazan por todo el material. Figura 1.3.1. Efecto fotovoltaico. 5 En el momento de la creación de la unión p-n, los electrones libres de la capa n entran instantáneamente en la capa p y se recombinan con los huecos en la región p. Existirá así durante toda la vida de la unión, una carga positiva en la región n a lo largo de la unión (porque faltan electrones) y una carga negativa en la región en p a lo largo de la unión (porque los huecos han desaparecido); el conjunto forma la «Zona de Carga de Espacio» (ZCE) y existe un campo eléctrico entre las dos, de n hacia p. Este campo eléctrico hace de la ZCE un diodo, que sólo permite el flujo de corriente en una dirección: los electrones pueden moverse de la región p a la n, pero no en la dirección opuesta y por el contrario los huecos no pasan más que de n hacia p. Para lograr una célula solar práctica, además es preciso añadir contactos eléctricos (que permitan extraer la energía generada), una capa que proteja la célula pero deje pasar la luz, una capa antireflectante para garantizar la correcta absorción de los fotones, y otros elementos que aumenten la eficiencia de la misma. 1.4 Célula fotovoltaica Una célula fotovoltaica es un dispositivo electrónico que convierte la energía lumínica en energía eléctrica gracias al efecto fotovoltaico. Estas se clasifican según el tipo de material con las que son fabricadas (silicio generalmente), se dividen en:  Monocristalinas: se componen de secciones de un único cristal de silicio (Si). Presentan una estructura completamente ordenada, son de difícil fabricación y se obtienen de silicio puro fundido y dopado con boro.  Policristalinas: cuando están formadas por pequeñas partículas cristalizadas. Presentan una estructura ordenada por regiones, se obtienen de igual forma que las monocristalinas pero con menos fases de cristalización.  Amorfas: cuando el silicio no se ha cristalizado. Figura 1.4.1. Clasificación de las células fotovoltaicas. Introducción a la energía solar 6 Tabla 1.4.1. Características de las células fotovoltaicas. En la práctica la diferencia entre células monocristalinas y policristalinas es mínima, el mayor rendimiento de las monocristalinas tiene importancia cuando no se dispone de demasiado espacio. Por otro lado, la escasez de silicio puro influye en el precio de estas últimas, por lo que a lo largo de la carrera de la energía fotovoltaica se han desarrollado otro tipo de células de lámina delgada como las de Silicio amorfo, fabricadas con otros elementos que reducen los costes de producción. 7 2 COMPONENTES DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS DE CONEXIÓN A RED n este capítulo nos centraremos en los elementos fundamentales que componen un sistema fotovoltaico de conexión a red, son cuatro: panel fotovoltaico, inversor, cableado y las protecciones. 2.1 Panel fotovoltaico Un panel fotovoltaico está formado por una agrupación de células fotovoltaicas que generan electricidad a partir del efecto fotovoltaico, explicado anteriormente. La agrupación por lo general es en serie. La distinción entre paneles se hace en función de la célula fotovoltaica de Silicio con la que son fabricados: monocristalinos, policristalinos o amorfos. 2.1.1 Modelo eléctrico y matemático El modelo eléctrico equivalente de un panel fotovoltaico consta de una fuente de corriente foto generada por la radiación solar, un diodo y una resistencia paralelo y serie. Existen otros modelos con más de un diodo en paralelo, más sofisticados y complejos, pero este es el más aceptado y utilizado en la actualidad para realizar las simulaciones. Figura 2.1.1.1. Modelo eléctrico del panel fotovoltaico. E Componentes de los sistemas fotovoltaicos de conexión a red 8 Para calcular la corriente de salida (I) se aplica la 1ª ley de Kirchhoff en el nudo central, así: 𝐼=𝐼𝐿−𝐼𝐷−𝐼𝑆 ( 1) Siendo, IL la corriente foto generada, ID la corriente del diodo y ISH la corriente por la rama paralelo. La corriente foto generada varía en función de la irradancia y la temperatura de la celda, se modela: 𝐼𝐿= 𝑆 𝑆𝑛(𝐼𝐿𝑛+𝐾𝑖(𝑇𝐶−𝑇𝐶𝑛)) ( 2) Donde, S es la irradancia en W/m2, Sn es la irradancia de referencia o nominal que vale 1000 W/m2, ILn es la corriente foto generada nominal (si no se dispone de datos sobre ella se suele usar la corriente de cortocircuito (ILn=ISC)) en amperios, Ki es el coeficiente de cortocircuito en A/ K, TC es la temperatura de la placa en kelvin y TCn es la temperatura de la placa de referencia 298,15 K (25 ºC). La temperatura de la placa se calcula conforme a la siguiente ecuación: 𝑇𝐶=𝑇𝑎+ 𝑇𝑁𝑂𝐶−20 800 𝑆 ( 3) Donde, Ta es la temperatura ambiente y TONC es la temperatura normal de operación de la célula, la cual oscila entre [45, 49] ºC. La corriente del diodo, se describe por: 𝐼𝐷=𝐼0(exp(𝑉+𝐼∗𝑅𝑆 𝑉𝑇∗𝐴 )−1) ( 4) Siendo, IO la corriente de saturación inversa del diodo en amperios, V la tensión de la placa en voltios, A es el factor de idealidad del diodo en p.u, RS la resistencia serie en ohmios y VT es el voltaje térmico en voltios, el cual se define: 𝑉𝑇=𝑁𝑆∗𝑘∗𝑇𝐶 𝑞 ( 5) Donde, NS es el número de células fotovoltaicas en serie, k es la constante de Boltzmann (1,38x10-23 J/K) y q es la carga del electrón (1,6x10-19 C). La corriente de saturación inversa del diodo, se modela: 9 𝐼0= 𝐼0𝑛∗(𝑇𝐶𝑛 𝑇𝐶)3∗exp(𝑞∗𝐸𝑔 𝑘∗𝐴(1 𝑇𝐶𝑛−1 𝑇𝐶)) ( 6) Donde Eg es la energía del semiconductor en su banda de gap en eV y I0n es la corriente de saturación inversa nominal que se describe: 𝐼0𝑛 =𝐼𝑆𝐶𝑛+𝐾𝑖∗∆𝑇 exp(𝑉𝑂𝐶𝑛+ 𝐾𝑣∗∆𝑇 𝐴∗𝑉𝑇𝑛 )−1 ( 7) Siendo, ISCn la corriente de cortocircuito nominal en A, VOCn la tensión de circuito abierto nominal en V, VTn el voltaje térmico nominal y Kv el coeficiente de circuito abierto en V/K. Todas la magnitudes nominales deben calcularse a una irradancia de 1000 W/m2, a una temperatura de 25 ºC y a una distribución espectral de 1,5G, así lo establecen las condiciones estándar de medida (CEM o STC (standard test conditions)). La corriente ISH se calcula aplicando la 2ª ley de Kirchhoff en la segunda malla, así: 𝐼𝑆𝐻 =𝑉+𝐼∗𝑅𝑆 𝑅𝑆𝐻 ( 8) Donde, RSH es la resistencia paralelo en ohmios. Así la ecuación (1) se puede reescribir como: 𝐼=𝐼𝐿−𝐼0(exp(𝑉+𝐼∗𝑅𝑆 𝑉𝑇∗𝐴 )−1)−𝑉+𝐼∗𝑅𝑆 𝑅𝑆𝐻 ( 9) La intensidad de salida, por tanto, es función de la tensión que se le aplique al panel, la irrandacia y la temperatura. 2.1.2 Caracteristicas eléctricas Se van a analizar la diferentes gráficas I-V y P-V para diferentes casos de irradancia y temperatura. Componentes de los sistemas fotovoltaicos de conexión a red 10 Figura 2.1.2.1. Gráficas I-V y P-V en el punto nominal. Se muestra la intensidad y potencia para las condiciones nominales, en estas condiciones se definen los parámetros eléctricos del panel, que son:  Tensión de circuito abierto (VOC): es la tensión máxima en bornas del panel que se puede dar, ocurre cuando no circula intensidad.  Corriente de cortocircuito (ISC): es la máxima intensidad que se puede generar en el panel, ocurre cuando la tensión es nula.  Punto de máxima potencia (Pmp): es el producto de la tensión (Vmp) e intensidad (Imp) para los que la potencia entregada por el panel en máxima.  Factor de forma (FF): Se define como el cociente de potencia máxima que se puede entregar a una carga entre el producto de la tensión de circuito abierto y la intensidad de cortocircuito, es decir: 𝐹𝐹=𝐼𝑚𝑝∗𝑉𝑚𝑝 𝐼𝑆𝐶∗𝑉𝑂𝐶 ( 10)  Rendimiento (ɳ): Se define como el cociente entre la máxima potencia eléctrica que puede entregar el panel (Pmp) y la irradiancia incidente (S) sobre el panel: ɳ=𝑃𝑚𝑝 𝑆 ( 11) Es importante destacar el papel que juegan la temperatura y la irradiancia en el comportamiento 11 eléctrico del panel. Respecto a la temperatura, si aumenta:  Disminuye la tensión de circuito abierto y la del punto de máxima potencia.  Disminuye el FF.  Disminuye el rendimiento como consecuencia del calentamiento de las células.  Disminuye el punto de máxima potencia. Figura 2.1.2.2. Gráfica I-V y P-V a temperatura variable. En cuanto a la irradiancia, si esta aumenta:  Aumenta la corriente de cortocircuito.  Aumenta el punto de máxima potencia.  La tensión de circuito abierto aumenta ligeramente.  La tensión del punto de máxima potencia se mantiene prácticamente constante. Componentes de los sistemas fotovoltaicos de conexión a red 18 Figura 2.2.4.2. Topología de doble etapa (DC/DC + DC/AC). 2.2.5 Seguimiento del punto de máxima potencia Como se ha visto anteriormente la característica I-V del panel fotovoltaico es no lineal y depende de irradiancia solar y la temperatura Para que en cualquier momento el generador fotovoltaico este proporcionando su punto de máxima potencia, el inversor deberá trabajar de manera óptima. Sin embargo, existe una única carga, para cualquier condición de temperatura e irradancia, a la que el generador entrega la máxima potencia. 19 Esta carga no se puede elegir arbitrariamente, sino que es variable con la irradancia y la temperatura, por lo que se obtendrán diferentes valores de intensidad y tensión para cada caso. Bajo estas condiciones, el inversor se encargará de ajustar esas variaciones de carga realizando un seguimiento del punto de máxima potencia o Maximum power point tracking (MPPT). Según varíen esas condiciones, este sistema se encargará de obtener cada PMM para cada caso. Los algoritmos más utilizados son:  Observación y perturbación: consiste en variar la tensión del panel, a la vez que se monitoriza la potencia resultante. Si la medida en la muestra actual es mayor que la anterior, se varía la tensión (aumento-disminución), por el contrario, si la potencia medida es menor que la anterior, la variación es la contraria (disminución-aumento). Figura 2.2.5.1. Algoritmo de perturbación y observación. Es fácil de implementar pero presenta el inconveniente de que nunca se trabaja en el punto exacto de máxima potencia, se oscila sobre él. Componentes de los sistemas fotovoltaicos de conexión a red 20 Figura 2.2.5.2. Diagrama de flujo del algoritmo de perturbación y observación.  Conductancia incremental: es un algoritmo analítico, una vez que se alcanza en MPP, el seguidor continúa trabajando en ese punto hasta que se produce un cambio en el valor de la corriente. Este cambio es dependiente de la variación en la radiación sobre el generador fotovoltaico. En el momento en que se incrementa la radiación, por tanto el valor de corriente, el MPP se desplaza hacia la derecha respecto a la tensión de operación del generador. Para compensar este efecto, el seguidor MPPT debe aumentar la tensión. En caso de que disminuya la radiación, el sistema operará a la inversa. 21 Figura 2.2.5.3. Algoritmo de la conductancia incremental. Presenta una mayor complejidad pero no oscila sobre el PMM y ofrece buenas respuestas a cambios bruscos de irradancia. Figura 2.2.5.4. Diagrama de flujo del algoritmo de la conductancia incremental. Componentes de los sistemas fotovoltaicos de conexión a red 22 2.3 Protecciones Su función es la de intervenir de la forma más rápida y eficaz ante la ocurrencia de un defecto, fallo o falta. Ante los diferentes tipos de defectos que pueden producirse en cualquier elemento del sistema eléctrico y los diferentes niveles de tensión (M.AT, A.T, M.T y B.T) a los que puede estar la instalación, se necesitarán elementos y sistemas de protección específicos para responder ante un tipo de falta. La falta más frecuente es el cortocircuito, que implican circulación de corriente muy superior a la nominal, pero también pueden producirse situaciones anómalas provocadas por variación de tensión o frecuencia, sobrecalentamiento, inversión de los flujos de potencia, etc. Centrándonos en las protecciones para instalaciones fotovoltaicas estás obedecen al artículo 14 del Real Decreto 1699/2011 por el que se regula la conexión a red de instalaciones de producción de energía eléctrica de pequeña potencia y al reglamento electrotécnico de baja tensión, en su instrucción ITC-BT-40. También es aconsejable seguir ciertos criterios recomendados por el IDAE (Instituto para la diversificación y ahorro de la energía). Se diferencian entre las protecciones de la parte de continua y las de la parte de alterna. Figura 2.3.1. Esquema de protecciones En la parte de continua tenemos las protecciones frente a sobretensiones (varistores) y frente a sobrecargas (fusibles), también se incorporan seccionadores.  Varistores: también llamados descargadores, su función es la de actuar y proteger frente a las posibles sobretensiones que puedan aparecer generadas normalmente por descargas atmosféricas. 23 Figura 2.3.2. Símbolo eléctrico del varistor. El varistor se conecta al polo positivo, negativo y a tierra para descargar por ahí la sobretensión. Figura 2.3.3. Esquema de protección con varistores.  Fusibles: son dispositivos constituidos por un hilo o lámina metálica de bajo punto de fusión que se intercala en la instalación eléctrica para que, por efecto Joule, se funda ante un la ocurrencia de una falta (sobrecarga o cortocircuito). Pueden ser de muy diversos tipos y tamaños dependiendo de la intensidad y voltaje de la instalación a proteger. Del mismo modo, la fusión del elemento metálico puede ser extrarrápida, rápida o lenta. Componentes de los sistemas fotovoltaicos de conexión a red 24 En los generadores fotovoltaicos se instalan en cada rama en paralelo para evitar que se dañen en caso de sobrecarga. En el lado de alterna se deben instalar un interruptor diferencial, un magnetotérmico general para la instalación y otro para el inversor.  Interruptor diferencial: es un dispositivo electromecánico que se instala en las instalaciones eléctricas de corriente alterna con el fin de proteger a las personas de accidentes directos e indirectos provocados por el contacto con partes activas de la instalación (contacto directo) o con elementos sometidos a potencial debido, por ejemplo, a una derivación por falta de aislamiento de partes activas de la instalación (contacto indirecto). También protegen contra los incendios que pudieran provocar dichas derivaciones. Cuando entre las corrientes circulantes en cada una de las bobinas existe una diferencia que provoca que parte de la corriente se derive a tierra, se produce un campo magnético que atrae el núcleo metálico, provocando la apertura de los contactos e interrumpiendo el paso de corriente hacia la carga. Una vez subsanada la avería, el interruptor debe reactivarse manualmente para permitir, de nuevo, la circulación de corriente.  Interruptor magnetotérmico: dispositivo electromecánico que se coloca con el fin de proteger la instalación ante intensidades excesivas. Su funcionamiento se basa en efectos producidos por la circulación de la corriente eléctrica: el magnético y el térmico. El valor de la corriente que deben permitir circular por la rama que protegen, no puede ser superior a 1,1 y 1,5 veces la corriente máxima. El general se instala para proteger todo el huerto fotovoltaico ante cortocircuitos, mientras que el interruptor para el inversor se instala para proteger al mismo o desinstalarlo ante alguna que pueda sufrir dicho aparato. 4. Cableado Los conductores serán de cobre y tendrán la sección adecuada para evitar caídas de tensión y calentamientos:  Los conductores de la parte de continua (DC) deberán tener la sección suficiente para que la caída de tensión sea inferior al 1,5 %.  Los conductores de la parte de alterna (AC) deberán tener la sección suficiente para que la caída de tensión sea inferior al 2 %. (En ambos casos se tomarán como referencia las tensiones correspondientes a sus respectivas cajas de conexiones).  Se incluirá toda la longitud de cable de continua y de alterna, debiendo tener la longitud necesaria para no generar esfuerzos en los diversos elementos ni posibilidad de enganche por 25 el tránsito normal de personas  Todo cableado de continua será de doble aislamiento y adecuado para su uso en intemperie, al aire o enterrado, de acuerdo a la norma UNE 21123. 27 3 DISEÑO DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS esarrollaremos, a continuación, los criterios que hay que usar para dimensionar una instalación fotovoltaica de conexión a red. 3.1 Orientación e inclinación de los paneles. La posición de los paneles fotovoltaicos con relación al Sol influye directamente sobre su producción de energía. Es muy importante orientarlos bien para sacarles el máximo rendimiento. Se denomina orientación el punto cardinal hacia el que se gira la cara activa del panel (Sur, Norte, Noroeste…). Respecto a la inclinación, indica el ángulo que forma el panel con el plano horizontal. La orientación ideal de un panel fotovoltaico se rige por una regla bastante sencilla: hacia el Ecuador, lo que supone:  Orientación hacia el sur en el hemisferio Norte.  Orientación hacia el norte en el hemisferio Sur. En cuanto a la inclinación es más complicado. El invierno es el periodo menos soleado, por lo que hay optimizar la producción. Por lo que los paneles, los paneles deben conseguir toda la energía posible del Sol cuya altura en el horizonte es menor. En España la inclinación varía entre 30 y 60º según las zonas. Figura 3.1.1. Definición de la orientación e inclinación de un panel fotovoltaico. 3.2 Datos meteorológicos Un panel fotovoltaico expuesto al Sol recibe, en un momento determinado, una radiación solar en W/m2, que es un flujo. Dicho flujo varía a lo largo del día, ya sea por el paso de las nubes o las horas del día. Al acabar el día, este flujo ha producido una energía diaria o radiación solar integrada, en D Reconfiguración dinámica 34 34 Parámetros eléctricos Resistencia serie 1249,4748 Ω Resistencia paralelo 0,4236 Ω Número celdas serie 60 Corriente fotogenerada nominal 8,9495 A Energía banda prohibida 1,11 eV Factor de idealidad 1,0177 El inversor es el modelo de INGETEAM 3 PLAY SERIE 100TL con las siguientes características: Tabla 4.2. Características inversor INGETEAM 3 PLAY SERIE 100TL Calculamos ahora el rango de número de paneles en serie:  Número máximo: De la ecuaciones (16) y (17) calculamos la tensión de circuito abierto máxima. Usamos como temperatura ambiente mínima -5ºC e irradiancia mínima 100 W/m2. Valores de entrada (DC) Rango de potencia campo FV recomendado 101,2-145 kWp Rango de tensión MPP 570-850 V Tensión máxima 1100 V Corriente máxima 185 A Corriente cortocircuito 240 A Valores de salida (AC) Potencia nominal 100 kW Máxima temperatura a potencia nominal 50 ºC Corriente máxima 145 A Tensión nominal 400 V Frecuencia nominal 50 Hz Factor de potencia 1 Factor de potencia ajustable Sí. Smáx=100 kVA Qmáx=60 kVAr THD <3% 35 35 𝑇𝑝𝑚𝑖𝑛 =−5+48−20 800 ∗100=−1,5 º𝐶 ( 20) 𝑉𝑂𝐶(𝑇𝑝𝑚𝑖𝑛)=37,6∗(1−0,003641(3,5−25))=41,23 𝑉 ( 21) Así, el número máximo de paneles en serie resulta: 𝑁𝑚𝑎𝑥,𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 =1100 41,23=26 ( 22)  Número mínimo: Obtenemos la tensión mínima del punto de máxima potencia para las condiciones de Ta=50 ºC y S=1000 W/m2, gracias al código implementado en Matlab ya que es más preciso. Resulta: 𝑉𝑚𝑝(𝑇𝑝𝑚á𝑥)=26,58 𝑉 → 𝑁𝑚𝑖𝑛,𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒 =570 26,58=22 ( 23) El rango de paneles serie ha resultado [22, 26], con este intervalo esta asegurado que la tensión DC siempre va a estar en el intervalo del rango MPPT del inversor ([570, 850] V). El objetivo como se ha comentado es estudiar si aumentando el número de paneles serie por encima de 26 seguimos dentro de dicho intervalo del inversor. El lugar geográfico escogido ha sido la ciudad de Córdoba, los datos de irradiancia y temperatura han sido aportados por la Agencia andaluza de la energía y el IET. Para realizar los cálculos se ha implementado en Matlab el modelo matemático de panel fotovoltaico, en este introduciéndole los datos de temperatura e irradiancia nos calcula la potencia máxima (Pmp) y la tensión para dicha potencia (Vmp). Para calcular la producción total al ser el panel de 250 W nominales y la planta fotovoltaica de 100 kW se necesitan en torno a 400 paneles. Reconfiguración dinámica 36 36 Analizamos, a continuación, los diferentes meses:  Enero: Tabla 4.3. Análisis mes de enero. HORA IRRADIANCIA (W/m2) T (ºC) Vmp (V) Pmp (W) PRODUCCIÓN (W) V25 (V) V26 (V) V27 (V) V28 (V) V29 (V) V30 (V) 8:00 143.3 7.1 31.68 38.01 15204 792.00 823.68 855.36 887.04 918.72 982.08 9:00 314.8 8.3 32.11 85.46 34184 802.75 834.86 866.97 899.08 931.19 995.41 10:00 463.3 9.8 31.99 125.52 50208 799.75 831.74 863.73 895.72 927.71 991.69 11:00 567.9 11.4 31.74 152.70 61080 793.50 825.24 856.98 888.72 920.46 983.94 12:00 605.6 12.9 31.52 161.64 64656 788.00 819.52 851.04 882.56 914.08 977.12 13:00 567.9 14.0 31.42 151.02 60408 785.50 816.92 848.34 879.76 911.18 974.02 14:00 463.3 14.5 31.4 123.07 49228 785.00 816.40 847.80 879.20 910.60 973.40 15:00 314.8 14.3 31.35 83.31 33324 783.75 815.10 846.45 877.80 909.15 971.85 16:00 143.3 13.4 30.86 36.97 14788 771.50 802.36 833.22 864.08 894.94 956.66 37 37 Figura 4.1. Análisis de tensiones para el mes de enero El mes de enero es frío y con irradiancias moderadas lo que favorece tensiones altas, como se observa, solo entran en el intervalo de tensión del MPPT del inversor las configuraciones 25,26 y 27 aunque esta última sobrepasa el límite en algunos momentos del día. Pasamos ahora a calcular las intensidades y el % de pérdidas respecto de la configuración con 25 paneles que se ahorraría al utilizar un número de paneles mayor a este. Las intensidades que se van a calcular serían las que entran al inversor, es decir, la suma de todas las intensidades de las ramas en paralelo. Reconfiguración dinámica 38 38 Tabla 4.4. Intensidades para enero. HORA I25 (A) I26 (A) I27 (A) 8:00 19.20 18.46 17.77 9:00 42.58 40.95 39.43 10:00 62.78 60.37 58.13 11:00 76.98 74.01 71.27 12:00 82.05 78.89 75.97 13:00 76.90 73.95 71.21 14:00 62.71 60.30 58.07 15:00 42.52 40.88 39.37 16:00 19.17 18.43 17.75 Vemos como al aumentar la tensión disminuye la intensidad. El % de reducción de pérdidas es proporcional al cuadrado del número de paneles en serie. Demostración: ∆𝑃𝑃𝐽 =𝑃𝑃𝐽25−𝑃𝑃𝐽26 𝑃𝑃𝐽25 =𝑅𝐼25 2−𝑅𝐼26 2 𝑅𝐼25 2=1− 𝑃2 𝑉26 2 𝑃2 𝑉25 2=1−252 262 ( 24) Así, la reducción usando la configuración 26 es 7,54 % y con la configuración 27 es 14,27 %. 39 39  Abril: Tabla 4.5. Análisis mes de abril. HORA IRRADIANCIA (W/m2) T ºC Vmp (V) Pmp (W) PRODUCCIÓN (W) V25 (V) V27 (V) V28 (V) V29 (V) 6:00 31.6 11.5 29.11 7.21 2884 727.75 785.97 815.08 844.19 7:00 173.3 12.9 31.11 45.23 18092 777.75 839.97 871.08 902.19 8:00 345.0 15.0 31.29 91.19 36476 782.25 844.83 876.12 907.41 9:00 533.9 17.0 31.07 140.26 56104 776.75 838.89 869.96 901.03 10:00 693.6 18.5 30.75 180.27 72108 768.75 830.25 861.00 891.75 11:00 803.7 19.7 30.47 206.79 82716 761.75 822.69 853.16 883.63 12:00 843.1 20.6 30.31 215.65 86260 757.75 818.37 848.68 878.99 13:00 803.7 21.4 30.27 205.28 82112 756.75 817.29 847.56 877.83 14:00 693.6 22.0 30.33 177.57 71028 758.25 818.91 849.24 879.57 15:00 533.9 22.2 30.43 137.15 54860 760.75 821.61 852.04 882.47 16:00 345.0 21.9 30.43 88.48 35392 760.75 821.61 852.04 882.47 17:00 173.3 21.2 30.04 43.58 17432 751.00 811.08 841.12 871.16 18:00 31.6 20.0 27.94 6.92 2768 698.50 754.38 782.32 810.26 Reconfiguración dinámica 40 40 Figura 4.2. Análisis de tensiones para el mes de abril Abril tiene más intensidad de radiación que en enero y temperaturas más elevadas, lo que implica que los puntos de máxima potencia sean un poco menores y, por tanto, en algunos momentos del día pueda intervenir la configuración 28. Tabla 4.6. Intensidades para abril. HORA I25 (A) I27 (A) I28 (A) 6:00 3.96 3.67 3.54 7:00 23.26 21.54 20.77 8:00 46.63 43.18 41.63 9:00 72.23 66.88 64.49 10:00 93.80 86.85 83.75 11:00 108.59 100.54 96.95 12:00 113.84 105.40 101.64 13:00 108.51 100.47 96.88 14:00 93.67 86.73 83.64 15:00 72.11 66.77 64.39 16:00 46.52 43.08 41.54 17:00 23.21 21.49 20.72 18:00 3.96 3.67 3.54 41 41 La reducción de pérdidas con configuración 28 es 20,28 %.  Julio: Tabla 4.7. Análisis mes de julio HORA IRRADIANCIA (W/m2) T ºC Vmp (V) Pmp (W) PRODUCCIÓN (W) V25 (V) V27 (V) V28 (V) V29 (V) V30 (V) 6:00 63.4 22.3 27.95 6.92 2768 698.75 754.65 782.60 810.55 838.50 7:00 243.2 24.0 29.64 61.23 24492 741.00 800.28 829.92 859.56 889.20 8:00 446.5 26.3 29.89 112.48 44992 747.25 807.03 836.92 866.81 896.70 9:00 647.0 28.7 29.56 161.10 64440 739.00 798.12 827.68 857.24 886.80 10:00 817.2 30.7 29.13 200.21 80084 728.25 786.51 815.64 844.77 873.90 11:00 931.7 32.3 28.78 225.16 90064 719.50 777.06 805.84 834.62 863.40 12:00 972.2 33.7 28.54 323.87 129548 713.50 770.58 799.12 827.66 856.20 13:00 931.7 34.8 28.48 222.61 89044 712.00 768.96 797.44 825.92 854.40 14:00 817.2 35.8 28.52 195.61 78244 713.00 770.04 798.56 827.08 855.60 15:00 647.0 36.4 28.62 155.54 62216 715.50 772.74 801.36 829.98 858.60 16:00 446.5 36.5 28.69 107.51 43004 717.25 774.63 803.32 832.01 860.70 17:00 243.2 36.1 28.41 57.84 23136 710.25 767.07 795.48 823.89 852.30 18:00 63.4 34.9 27.00 13.92 5568 675.00 729.00 756.00 783.00 810.00 Reconfiguración dinámica 42 42 Figura 4.3. Análisis de tensiones para el mes de julio. Julio es un mes de elevadas temperaturas e irradiancias lo que favorecen tensiones bajas y justifica el hecho de que entre en funcionamiento la configuración 29 y en algunas horas la configuración 30. Tabla 4.8. Intensidades de julio HORA I25 (A) I27 (A) I28 (A) I29 (A) I30 (A) 6:00 3.96 3.67 3.54 3.41 3.30 7:00 33.05 30.60 29.51 28.49 27.54 8:00 60.21 55.75 53.76 51.91 50.18 9:00 87.20 80.74 77.86 75.17 72.67 10:00 109.97 101.82 98.19 94.80 91.64 11:00 125.18 115.90 111.76 107.91 104.31 12:00 181.57 168.12 162.11 156.52 151.31 13:00 125.06 115.80 111.66 107.81 104.22 14:00 109.74 101.61 97.98 94.60 91.45 15:00 86.95 80.51 77.64 74.96 72.46 16:00 59.96 55.52 53.53 51.69 49.96 17:00 32.57 30.16 29.08 28.08 27.15 18:00 8.25 7.64 7.37 7.11 6.87 43 43 La reducción de pérdidas de la configuración 29 es 25,68 % y de la configuración 30 es 30,56 %.  Octubre: Tabla 4.9. Análisis mes de octubre. HORA IRRADIANCIA (W/m2) T ºc Vmp (V) Pmp (W) PRODUCCIÓN (W) V25 (V) V27 (V) V28 (V) V29 (V) 7:00 85.8 16.1 29.92 21.18 8472 748.00 807.84 837.76 867.68 8:00 249.5 17.8 30.77 64.62 25848 769.25 830.79 861.56 892.33 9:00 420.8 19.6 30.76 109.31 43724 769.00 830.52 861.28 892.04 10:00 575.1 21.2 30.53 148.27 59308 763.25 824.31 854.84 885.37 11:00 682.7 22.7 30.26 174.32 69728 756.50 817.02 847.28 877.54 12:00 721.3 23.9 30.07 182.94 73176 751.75 811.89 841.96 872.03 13:00 682.7 24.8 30.00 172.73 69092 750.00 810.00 840.00 870.00 14:00 575.1 25.4 30.01 145.58 58232 750.25 810.27 840.28 870.29 15:00 420.8 25.2 30.07 106.64 42656 751.75 811.89 841.96 872.03 16:00 249.5 24.3 29.94 62.77 25108 748.50 808.38 838.32 868.26 17:00 85.8 23.0 28.99 20.50 8200 724.75 782.73 811.72 840.71 Anexo B. Código matlab del método de newton-rapshon 50 50 ANEXO B. CÓDIGO MATLAB DEL MÉTODO DE NEWTON-RAPSHON La ecuación (9) de la intensidad final es trascendete por lo que se ha programado también el método de Newton-Raphson para la resolución de dicha ecuación. function [I1]=newton_rph(x0,tol,Io,Rs,A,V,Vt,Il,Rp) error=1; it=1; while error>tol f=-x0+Il-Io*(exp((V+x0*Rs)/(A*Vt))-1)-(V+x0*Rs)/Rp+Io; df=-1-Io*Rs/(A*Vt)*exp((V+x0*Rs)/(A*Vt))-Rs/Rp; a=x0-f/df; error=abs(a-x0); x0=a; it=it+1; end I1=a; end 51 51 ANEXO C. MODELO SIMULINK DEL MODELO MATMÁTICO El modelo matemático también se implemento en Simulink, al tener este simulador un solver más rápido de resolución. Los resultados para ambas simulaciones resultaron iguales salvo diferencias mínimas en alguna ocasión. Anexo C. Modelo simulink del modelo matmático 52 52