Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias

Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Energías Renovables FIABILIDAD DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS A TRAVES DEL ANALISIS DE INCIDENCIAS Autor: José Zambrano Romero Tutor: Dr. D. Isidoro Lillo Bravo Dpto. de Ingeniería Energética Grupo de Termodinámica y Energías Renovables Escuela Técnica Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias Autor: José Zambrano Romero Tutor: Dr. D. Isidoro Lillo Bravo Dpto. de Ingeniería Energética Grupo de Termodinámica y Energías Renovables Escuela Técnica Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla Sevilla, 2016 Trabajo Fin de Grado: Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias Autor: José Zambrano Romero Tutor: Dr. D. Isidoro Lillo Bravo El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2016 El Secretario del Tribunal A mi familia A mis maestros A mis amigos Agradecimientos Es en este momento cuando puedo agradecer a mis amigos, compañeros de clase y a mi familia el apoyo incondicional que me han dado en todo momento para poder sacar esta carrera adelante, asignatura tras asignatura, año tras año, haciéndome ver que todo esfuerzo tarde o temprano acaba teniendo su recompensa. Quiero hacer una mención especial a mis padres, quienes siempre han querido lo mejor para mí y me han apoyado y aconsejado en todo lo que he necesitado. José Zambrano Romero Sevilla, 2016 ÍNDICE DE ILUSTRACIONES Ilustración 3.1. Esquema básico de una instalación FV para una vivienda aislada. 5 Ilustración 3.2. Esquema Instalación FV Mixta (Grupo eólico y electrógeno). 6 Ilustración 3.3. Esquema general Instalación FV conectada a la red para generación de energía (Central Fotovoltaica). 7 Ilustración 3.4. Fotografía de una planta fotovoltaica: Amanecer Solar CAP, 100 MW (Chile). 8 Ilustración 3.5. Esquema Instalación FV conectada a la red (Usuario particular). 8 Ilustración 3.6. Esquema Instalación FV conectada a la red con autoconsumo en forma de Balance Neto. 9 Ilustración 4.1. Esquema de una central fotovoltaica. 13 Ilustración 4.2. Curva Característica (I-V) de una célula solar. 14 Ilustración 4.3. Influencia de la Irradiancia en la curva I-V (T cte). 16 Ilustración 4.4. Influencia de la Temperatura en la curva I-V (I cte). 16 Ilustración 4.5. Módulo fotovoltaico comercial. 18 Ilustración 4.6. Componentes constructivos de un módulo FV. 19 Ilustración 4.7. Esquema básico del conexionado de un string a una caja de conexión (String box). 21 Ilustración 4.8. Centro de Transformación (Transformador y celdas de protección). 25 Ilustración 5.1. Visión telescópica de las incidencias. 27 Ilustración 5.2. Zonificación interna y externa de una instalación FV. 29 Ilustración 5.3. Esquema del sistema de monitorización de una planta FV. 32 Ilustración 5.4. Esquema de clasificación de los fallos e incidencias. 33 Ilustración 6.1. Localización de los parques FV objeto de estudio. 35 Ilustración 7.1. Distribución de incidencias registradas asociadas a los diferentes elementos de una instalación FV. 40 Ilustración 7.2. Distribución de los diferentes tipos de incidencias registradas. 42 Ilustración 7.3.Índice o probabilidad de fallo de los diferentes elementos de una planta FV en función de la tecnología. 40 Ilustración 7.4. Representación gráfica de las proporciones de cada tipo de incidencias. 46 Ilustración 7.5. Porcentajes de incidencias internas registradas en cada uno de los elementos analizados. 48 Ilustración 7.6. Incidencias Campo Solar. 48 Ilustración 7.7. Incidencias en Inversores. 51 Ilustración 7.8. Incidencias en cableado AC. 52 Ilustración 8.1 Distribución de incidencias registradas asociadas a los diferentes elementos de una instalación FV por Antonio Palomo. 56 Ilustración 8.2 Distribución de incidencias registradas asociadas a los diferentes elementos de una instalación FV por José Zambrano. 55 Notación Unidades físicas KW Kilovatio MW Megavatio Wp Vatio pico W/m² Vatios por metro cuadrado W/cm² Vatios por centímetro cuadrado ºC Grado Celsius nm Nanómetro KWh Kilovatio hora MWh Megavatio hora KVA Kilo Volt-Amperio Símbolos % Tanto por ciento ‰ Tanto por mil < Menor que > Mayor que = Igual ⇔ Si y sólo si Abreviaturas BOE Boletín Oficial del Estado RD Radiación FV Relativo a fotovoltaico/a MPP Punto de Máxima Potencia Isc Intensidad de cortocircuito Voc Tensión de circuito abierto PP− PMPP Potencia pico IM Intensidad en el punto de máxima potencia VM Tensión en el punto de máxima potencia AM Masa de aire TFSC Thin film solar cell DSC Celdas solares sensibilizadas por colorante UV Ultra Violeta EVA Etilen Vinil Acetato CSI Inversores en Fuente de Corriente VSI Inversores en Fuente de Tensión CT Centro de Transformación BT Baja Tensión AT Alta Tensión CA Corriente Alterna CC / DC Corriente Continua O&M Operación y Mantenimiento PR Performance Ratio RE Rendimiento Energético a-Si Silicio amorfo TF-Si Película fina de Silicio CdTe Teluro de Cadmio GHI Radiación Global Horizontal GSM Global System for Mobile 1 Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias 1 INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA a energía solar fotovoltaica es una fuente de energía que produce electricidad de origen renovable (1), obtenida directamente a partir de la radiación solar, la cual es aprovechada mediante un conjunto de componentes (eléctricos, electrónicos y mecánicos fundamentalmente), que constituyen en su conjunto a los sistemas o instalaciones fotovoltaicas. En términos generales, el elemento principal de un sistema fotovoltaico es el generador fotovoltaico, compuesto por agrupaciones de módulos fotovoltaicos y cuyo tamaño dependerá de una aplicación (potencia) determinada. Los módulos fotovoltaicos (también conocidos como paneles solares) están formados a su vez por un conjunto de celdas (células fotovoltaicas), compuestas de materiales semiconductores capaces de generar corrientes eléctricas a partir de la radiación solar (luz) que incide sobre las mismas y cuyo fundamento teórico se basa en el efecto fotovoltaico, un fenómeno físico conocido como una variante del famoso efecto fotoeléctrico. Las corrientes eléctricas generadas en una célula fotovoltaica son de intensidad constante (corriente continua), por lo que si en una determinada aplicación se requiriese corriente alterna, se necesitaría la incorporación de otro elemento de gran importancia en los sistemas fotovoltaicos: el inversor, cuya función es precisamente la de convertir la corriente continua en corriente alterna haciendo uso de la electrónica de potencia. Entre las principales ventajas de la energía solar fotovoltaica, además de provenir de una fuente de energía inagotable como es el Sol y no generar contaminación alguna durante su operación ya que no produce emisiones de CO2 u otros gases nocivos para el medio ambiente, hay que citar la simplicidad que presentan los sistemas fotovoltaicos debido a la sencilla conversión energética que tiene lugar frente a otros procesos. En particular, si se realiza una comparación con la energía termosolar, la cual se basa en la concentración de la energía solar para obtener energía térmica y que a su vez, ésta es convertida en energía mecánica y eléctrica mediante un ciclo de potencia, resulta un proceso con mayor número de conversiones energéticas y por tanto más complejo, ya que en los sistemas fotovoltaicos se obtiene la energía eléctrica directamente a partir de la energía solar. Esto hace que la tecnología fotovoltaica, al ser más simple, no requiera importantes esfuerzos económicos y humanos para su operación y mantenimiento, ya que además pueden ser perfectamente automatizables e independientes. Por otro lado, hay que reconocer que en la práctica, los sistemas termosolares presentan rendimientos energéticos mayores que los sistemas L Introducción a la Energía Solar Fotovoltaica 2 fotovoltaicos, debido fundamentalmente al mejor aprovechamiento de la energía solar mediante los sistemas de concentración y a la existencia del ciclo de potencia, sin embargo, la tecnología utilizada para dicho aprovechamiento de la energía solar es más costosa debido a como se dijo anteriormente, la complejidad del proceso. Todo lo comentado anteriormente y junto con el hecho de que en los últimos años se haya reducido considerablemente el coste asociado a la tecnología de los componentes fotovoltaicos, hace que actualmente la energía fotovoltaica sea más rentable desde el punto de vista económico y operativo. Los motivos argumentados anteriormente demuestran el hecho de porqué en España, que posee unas condiciones climatológicas idóneas para el aprovechamiento de la energía solar ya que es uno de los países europeos con índices de irradiación más elevados, ha aumentado considerablemente la potencia instalada de este tipo de instalaciones en los últimos años. Si se analizan los datos, España fue en el año 2008 uno de los países con más potencia fotovoltaica instalada del mundo, con 2708 MW instalados en un sólo año. Sin embargo, posteriores modificaciones en la legislación del sector (2) ralentizaron la construcción de nuevas plantas fotovoltaicas, de tal forma que en 2009 se instalaron tan sólo 19 MW, en 2010, 420 MW, y en 2011 se instalaron 354 MW, correspondiendo al 2% del total de la Unión Europea (3). A finales de 2014 la potencia fotovoltaica instalada en España ascendía a 4672 MW (4), lo que supone un aumento de prácticamente un 73% de la potencia fotovoltaica instalada en un transcurso de seis años(5). Aunque las instalaciones fotovoltaicas son bastante fiables, todavía su disponibilidad no es del 100%. Por ello, con objeto de aumentar la disponibilidad es de mucho interés aprender de la experiencia que sobre todo desde el año 2008, se ha adquirido en España y en otros países. Con esta experiencia se podrán mejorar los protocolos de diseño de instalaciones, selección de equipos y planificación del mantenimiento. 3 Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias 2 OBJETO DEL PROYECTO l objeto del presente proyecto es realizar un análisis en el que podremos ver en que partes de una instalación fotovoltaica se producen más incidencias así como la frecuencia de las mismas, y de esta forma, analizar la criticidad de los componentes. Para ello se ha realizado un análisis de un total de 120 plantas fotovoltaicas agrupadas en 11 parques fotovoltaicos. Se ha tomado un periodo de tiempo desde enero de 2009 hasta diciembre de 2015, haciendo un total de 7 años. Todas las plantas analizadas son de tecnología fija de 100 kW. El análisis de fallo se ha realizado con los datos de históricos que la empresa de operación y mantenimiento en la que estuve realizando mis prácticas tenía recogidos en su base de datos. En ella, los trabajadores de campo, bajo la supervisión del equipo de ingenieros, recogen todas las incidencias registradas en cada una de las plantas fotovoltaicas. Tras el tratamiento de toda la información y datos disponibles, se realizará una clasificación de fallos e incidencias que permita llevar a cabo un análisis global y homogéneo de fallos. A partir del análisis estadístico se determinarán los índices y probabilidades de fallos de cada uno de los elementos que componen una instalación fotovoltaica así como su distribución en la muestra analizada. Además se determinará la probabilidad de fallo de una instalación FV en general, estableciendo en qué proporciones los posibles fallos o incidencias repercuten negativamente a la producción de electricidad, así como su la naturaleza interna o externa a dicha instalación. Por último, realizaremos una comparación de los resultados obtenidos, con los que Antonio Palomo Hijano en su proyecto de Fin de Carrera, titulado “Análisis Estadístico de Incidencias en la Operación de Plantas Fotovoltaicas”. E Instalaciones Fotovoltaicas 4 3 INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS na instalación fotovoltaica tiene como objeto producir electricidad directamente a partir de la radiación solar (6). Como se comentó en el apartado anterior, los módulos fotovoltaicos están formados por células solares asociadas entre sí. Las células solares son los dispositivos encargados de la conversión directa de la radiación solar en energía eléctrica en forma de corriente continua, y es el principal componente de una instalación fotovoltaica. En el módulo, mientras más radiación solar incida y menor sea su temperatura de operación, mayor es su eficiencia y en consecuencia, su producción. En su ubicación hay que procurar que no reciba sombras ya que en estos casos su rendimiento disminuye considerablemente. Algunas instalaciones fotovoltaicas incluyen sistemas de seguimiento solar que permiten aumentar considerablemente la producción, ya que optimizan en todo momento el ángulo de incidencia (posición relativa módulos-Sol) dependiendo de la orientación. La orientación del módulo que más produce en posición fija es la Sur. En las instalaciones fotovoltaicas pueden existir otros componentes como por ejemplo, el inversor que sería el dispositivo que transforma la corriente continua en corriente alterna, la batería que se encargaría de almacenar la energía y el regulador de tensión que es un dispositivo básicamente para el control y protección de la batería. Las instalaciones fotovoltaicas se agrupan en dos grandes grupos en función del objeto de la misma y por tanto de su configuración:  Instalaciones FV aisladas.  Instalaciones FV de conexión a la red eléctrica. 3.1 Instalaciones Fotovoltaicas Aisladas Las instalaciones fotovoltaicas aisladas de la red, tienen como objeto cubrir las necesidades de energía eléctrica en un lugar determinado normalmente aislado de la red eléctrica convencional. Entre las instalaciones fotovoltaicas aisladas las aplicaciones más frecuentes son:  Suministro eléctrico para bombeo de agua para riego, ganado o abastecimiento humano.  Electrificación rural para casas en el campo.  Suministro eléctrico para instalaciones de telecomunicaciones, señalización e iluminación, tanto terrestres (carreteras, túneles, etc.) como marítimas (faros, boyas y balizas).  Pequeños suministros eléctricos en juguetería, relojería, etc. U 5 Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias Estas instalaciones aisladas disponen de módulos fotovoltaicos o células solares y además suelen incluir otros equipos como baterías, inversores y reguladores de tensión. La existencia de estos equipos en una instalación aislada depende fundamentalmente de la aplicación a la que se destina, por lo que hace posible que se den diferentes configuraciones. Teniendo en cuenta, entre otras consideraciones, el tipo de corriente que se requiere (continua, alterna o ambas) será o no necesaria la incorporación de un inversor. Otro aspecto importante es analizar la autonomía de la instalación, que determinará si es necesario el uso de acumuladores o baterías. Por ejemplo si se tiene una instalación aislada para dar energía eléctrica a una vivienda, se incluirán baterías y si es para bombear agua no es necesario incluir una batería ya que se almacena el agua en lugar de la energía. Ilustración 3.1. Esquema básico de una instalación FV para una vivienda aislada. Las baterías son un sistema de almacenamiento de energía que no es muy eficiente (se pierde del orden del 35-40% de la energía), y además requieren de un excelente diseño y mantenimiento para que duren mucho tiempo, es decir, son delicadas. Sin embargo, se utilizan porque técnicamente aún no se ha descubierto ningún procedimiento para almacenar la electricidad en cantidades adecuadas. Bien es cierto que en los últimos años se están produciendo importantes avances que apuntan a una gran mejora en este sentido. En las instalaciones para viviendas aisladas, la acumulación de energía mediante baterías es estrictamente necesaria para el consumo de energía en instantes o intervalos en los que la radiación solar sea escasa (nubosidad, lluvia, adversas condiciones atmosféricas en general) o nula (periodos nocturnos). Por ello durante el diseño, es necesario dimensionar la instalación de forma que durante el periodo de insolación permita alimentar las cargas conectadas al sistema a la vez que se produce la recarga de los acumuladores o baterías existentes. Instalaciones Fotovoltaicas 12 13 Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias 4 CENTRALES FOTOVOLTAICAS. COMPONENTES as centrales o plantas fotovoltaicas son instalaciones de conexión a red de aplicación industrial, que pueden ser instaladas en zonas rurales o sobrepuestas en grandes cubiertas de áreas urbanas (aparcamientos, centros comerciales, áreas deportivas, etc.) no aprovechadas para otros usos, y cuyo objetivo principal es generar electricidad para cubrir parte de la demanda de energía eléctrica existente. El funcionamiento de una central fotovoltaica puede resumirse de la siguiente forma: Ilustración 4.1. Esquema de una central fotovoltaica. El elemento básico de una central fotovoltaica es el conjunto de células fotovoltaicas, que captan la energía solar, transformándola en corriente eléctrica continua mediante el efecto fotoeléctrico. Están integradas, primero, en módulos y luego se forman con ellos los paneles fotovoltaicos (1). Lógicamente, la producción de electricidad de dichas células depende de las condiciones meteorológicas existentes en cada momento, —fundamentalmente de la insolación—. Dichas condiciones son medidas y analizadas con la ayuda de una torre meteorológica (2). Como la energía eléctrica que circula por la red de transporte lo hace en forma de corriente alterna, la corriente continua generada en los paneles solares debe ser transformada a corriente alterna. Es conducida, entonces, primeramente a un armario de corriente continua (4), para ser convertida en corriente alterna por medio de un inversor (5) y ser finalmente transportada a un armario de corriente alterna (6). L Centrales Fotovoltaicas. Componentes 14 Posteriormente, la energía eléctrica producida pasa por un centro de transformación (7) donde se adapta a las condiciones de intensidad y tensión de las líneas de transporte (8) para su utilización en los centros de consumo. El funcionamiento de todos los equipos de la central se supervisa desde la sala de control (3), en la que se recibe información de los distintos sistemas de la instalación: torre meteorológica, inversor, armarios de corriente continua y alterna, centro de transformación, etc. (10) 4.1 Componentes de las Centrales Fotovoltaicas 4.1.1 Generador Fotovoltaico: Campo Solar El generador fotovoltaico es el dispositivo encargado de transformar la radiación solar en electricidad. Está constituido por una asociación serie-paralelo de módulos que, a su vez, son el resultado de una agrupación serie-paralelo de células solares. La célula solar es el dispositivo básico de conversión de energía (6). 4.1.1.1 Célula Solar La célula solar es un dispositivo formado por una lámina de un material semiconductor y que transforma la radiación solar en energía eléctrica. El proceso por el cual se realiza esta conversión se denomina efecto fotovoltaico. Curva característica de una célula La representación más útil del comportamiento eléctrico de una célula solar la proporciona su curva característica, que contiene los posibles puntos de operación en intensidad y tensión para un determinado valor de la radiación incidente y la temperatura de la célula. Ilustración 4.2. Curva Característica (I-V) de una célula solar. 15 Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias Para facilitar la comparación de distintas células o módulos fotovoltaicos entre sí se fijan unas condiciones climáticas de referencia, denominadas “condiciones estándar”, establecidas por la norma ICE 60904, que consisten en: - Nivel de irradiancia E = 1000 W/m2. - Temperatura de la célula = 25ºC, con una tolerancia de ±2º. - Espectro de radiación definido (distribución espectral de un nivel de radiación de referencia según IEC 60904-3) con una masa de aire, AM = 1.5. En la curva característica de una célula fotovoltaica, pueden distinguirse tres puntos de interés:  Corriente de cortocircuito (Isc): Máxima corriente que puede entregar un dispositivo bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura correspondiendo a tensión nula y consecuentemente a potencia nula.  Tensión de circuito abierto (Voc): Máxima tensión que puede entregar un dispositivo bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura correspondiendo a circulación de corriente nula y consecuentemente a potencia nula.  Potencia Pico (Pmpp): Es el máximo valor de potencia que puede entregar el dispositivo. Corresponde al punto de la curva en el cual el producto V·I es máximo, por tanto: Pmpp=(Vmpp, Impp). Se define como aquella potencia que produciría una célula solar en condiciones estándar a la tensión del punto de máxima potencia, por lo que da una idea del máximo potencial de una célula. Efecto de factores ambientales sobre la característica de salida del dispositivo Efecto de la intensidad de radiación solar El resultado de un cambio en la intensidad de radiación es una variación en la corriente de salida para cualquier valor de tensión. La corriente varía con la radiación en forma directamente proporcional. La tensión se mantiene prácticamente constante. Centrales Fotovoltaicas. Componentes 16 Ilustración 4.3. Influencia de la Irradiancia en la curva I-V (T cte). Efecto de la temperatura El principal efecto provocado por el aumento de la temperatura del módulo es una reducción de la tensión en forma directamente proporcional. Existe un efecto secundario dado por un pequeño incremento de la corriente para valores bajos de tensión. Ilustración 4.4. Influencia de la Temperatura en la curva I-V (I cte). Existen tres coeficientes α, β y γ que representan la variación de los parámetros fundamentales de la característica I-V del generador fotovoltaico con la temperatura. Así, α expresa la 17 Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias variación de la corriente de cortocircuito con la temperatura, β la variación del voltaje de circuito abierto y γ la variación de la potencia máxima. En general, los fabricantes de módulos FV incluyen en sus hojas de características técnicas los valores de estos tres coeficientes: (11) 𝛼 = 𝜕𝐼𝑆𝐶 𝜕𝑇 𝛽 = 𝜕𝑉𝑂𝐶 𝜕𝑇 𝛾 = 𝜕𝑃 𝑚𝑝𝑝 𝜕𝑇 Tipos de células En cuanto a los materiales utilizados, el silicio es actualmente el material más comúnmente usado para la fabricación de células fotovoltaicas. Se obtiene por reducción de la sílice, compuesto más abundante en la corteza de la Tierra, en particular en la arena o el cuarzo. Los tipos de células de silicio son diferentes en la medida del tipo de silicio que se utilice: - Monocristalino: El rendimiento de las células de silicio monocristalino suele variar entre el 15% y el 18%. Es difícil fabricarlas, lo que aumenta su precio. La estructura atómica es muy ordenada. - Policristalino: Su rendimiento varía entre el 12% y el 15%. La estructura atómica no es tan ordenada como en el caso anterior, lo que hace que su rendimiento sea menor. - Amorfo: Su rendimiento es inferior al 10%. La estructura atómica es bastante desordenada, pero su fabricación es más sencilla, lo que disminuye su coste. Otro tipo de células solares que se han desarrollado en los últimos años son las celdas solares de película fina (thin-film solar cell, abreviadamente TFSC, en inglés), también denominada celda fotovoltaica de película delgada, es una celda solar que se fabrica mediante el depósito de una o más capas delgadas (película delgada) de material fotovoltaico en un sustrato. El rango de espesor de esta capa es muy amplio y varía desde unos pocos nanómetros a decenas de micrómetros. Muchos de los materiales fotovoltaicos se fabrican con métodos de depósito diferentes en una variedad de sustratos. Las celdas solares de película delgada suelen clasificarse según el material fotovoltaico utilizado: - Silicio amorfo (a-Si) y otros silicios de película delgada (TF-Si) - Teluro de cadmio (CdTe) - Cobre indio galio y selenio (CIS o CIGS) - Celdas solares sensibilizadas por colorante (DSC) y otras celdas solares orgánicas. 4.1.1.2 Módulo o Panel Fotovoltaico Se trata del dispositivo comercial ya acabado y formado a partir de una asociación de células fotovoltaicas siguiendo una configuración serie-paralelo determinada y preparado para su instalación en el exterior. Centrales Fotovoltaicas. Componentes 18 Ilustración 4.5. Módulo fotovoltaico comercial. De la misma forma que las células fotovoltaicas se asocian para formar el modulo, los módulos se asocian entre sí, en serie y en paralelo, hasta obtener agrupaciones llamadas, en la práctica “strings”, los cuales se asocian entre sí para generar la potencia. El módulo FV consiste en la conexión eléctrica de células FV en serie-paralelo hasta obtener unos valores de voltaje y corriente deseados. El conjunto así definido es encapsulado de forma que quede protegido de los agentes atmosféricos que le puedan afectar cuando esté trabajando en la intemperie, dándole a la vez rigidez mecánica y aislándole eléctricamente del exterior. Tradicionalmente los módulos fotovoltaicos más utilizados en aplicaciones autónomas de pequeña potencia estaban constituidos por 33 ó 36 células de silicio monocristalino o policristalino, asociadas en serie. No obstante en la actualidad, con la amplia gama de aplicaciones fotovoltaicas existentes y el incremento de nuevas aplicaciones como la integración de sistemas fotovoltaicos en edificios o los módulos fotovoltaicos de alta concentración, el tamaño y características de los módulos presenta una gran variación, pudiendo encontrarse desde el modulo convencional con cubierta convencional transparente, encapsulado en Tedlar y con 36 células conectadas en serie, hasta módulos semitransparentes coloreados especialmente para su integración en edificios, o los llamados “AC-modules”, que incorporan un pequeño inversor en la caja de conexiones generando por tanto en corriente alterna. Existen diferentes tipos de paneles solares en función de los materiales empleados, los métodos de fabricación que se empleen y la forma final de las células que los componen tal y como se vio en el apartado anterior. Elementos de un módulo fotovoltaico Cubierta frontal Ha de poseer una elevada transmisión en el rango de longitudes de onda que puedan ser aprovechadas por una célula solar fotovoltaica (350 a 1200 nm en caso de células de silicio), y una baja reflexión de la superficie frontal, para aprovechar al máximo la energía solar incidente. Además, el material ha de ser impermeable al agua, deberá tener una buena resistencia al impacto, deberá ser estable a la exposición prolongada de rayos UV y contará 19 Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias con una baja resistividad térmica. Si se diera el caso de que penetrara agua en el interior del módulo, ésta corroería los contactos metálicos contribuyendo a reducir drásticamente la vida útil del módulo. En la mayoría de los módulos la superficie frontal se utiliza para dar rigidez y dureza mecánica al mismo. Ilustración 4.6. Componentes constructivos de un módulo FV. Entre los materiales para la superficie frontal más empleados podemos encontrar acrílicos, polímeros y cristal. El más empleado suele ser el cristal templado con bajo contenido en hierro por sus características de bajo coste, elevada transparencia y estabilidad, impermeabilidad al agua y los gases y buenas propiedades de autolimpiado. Encapsulante Se utiliza para dar adhesión entre las células solares, la superficie frontal y la posterior del módulo. Deberá ser impermeable al agua y resistente a la fatiga térmica y la abrasión. Se trata de polímeros transparentes y el más utilizado es el EVA (etilen-vinil-acetato). Cubierta posterior Debe ser impermeable y con baja resistencia térmica. Normalmente se utiliza una película de Tedlar adosada en toda la superficie del módulo, aunque también existen modelos que emplean una nueva capa de Tedlar y un segundo vidrio. Células solares y sus conectores Las cintas de interconexión eléctrica suelen ser de aluminio o acero inoxidable, y se sueldan de forma redundante, con dos conductores paralelos para aumentar la recolección de portadores en ambas caras de la célula. Los bordes del bloque así laminado se protegen de la posible exfoliación con una junta de neopreno, y todo el conjunto va incrustado en un marco de aluminio adherido normalmente con silicona, que le proporciona resistencia mecánica y está preparado para permitir su instalación y ensamblaje en cualquier estructura . Se incorpora también una caja de conexiones externa (normalmente adherida con silicona a la parte posterior) que cuenta con dos bornes de salida positiva y negativa, para permitir el conexionado de módulos. Éste ha de ser de cierre hermético y resistente a la intemperie para proteger las conexiones del módulo, y en algunos casos lleva incorporados diodos de protección. Centrales Fotovoltaicas. Componentes 20 El tiempo de vida útil de los módulos debe ser superior a los 20 años, y el sistema ha de ser fiable incluso en las condiciones climatológicas más adversas. Para poder predecir esta fiabilidad a tan largo plazo, los módulos son sometidos a ensayos de cualificación de sus características eléctricas y físicas. Algunos fabricantes poseen su propio Sistema de Aseguración de Calidad y realizan algunos de estos ensayos en muestras obtenidas de sus cadenas de producción, no obstante, existen normativas nacionales e internacionales de homologación de módulos fotovoltaicos que, si bien no son de obligado cumplimiento, son de una excelente garantía de durabilidad. 4.1.1.3 Sistema Mecánico de Seguimiento Solar Los sistemas de seguimiento aumentan la producción energética de la luz del sol dependiendo de la duración del día y la época del año. Mientras que los sistemas convencionales tienen un rendimiento máximo de unas dos horas al día, los sistemas de seguimiento crean mucha más energía a partir de la luz del sol disponible. Los sistemas de seguimiento solar mejoran la eficacia operativa al seguir la posición del sol a lo largo del día. En los sistemas de paneles de seguimiento fotovoltaico, se combinan varios módulos solares en una gran superficie de recepción. Los sistemas de seguimiento de un solo eje siguen la ruta del sol durante el día cambiando su ángulo acimut. Sin embargo, el ángulo de inclinación es fijo. Los sistemas de seguimiento de doble eje pueden seguir la ruta del sol además de las variaciones estacionales a lo largo del año. 4.1.1.4 Strings y Cajas de Conexión En una planta fotovoltaica el objetivo principal es generar energía eléctrica a gran escala. Debido a que la potencia pico de los módulos fotovoltaicos es pequeña (generalmente entre 70 y 300 Wp) es necesario realizar sucesivas agrupaciones serie-paralelo de gran cantidad de módulos, para alcanzar los niveles requeridos de tensión e intensidad de entrada al inversor. Dichas agrupaciones serie-paralelo de módulos se denominan strings y no son más que el cableado que existe en el interior del campo solar. A su vez, en función del tamaño de la planta, se realizan agrupaciones de strings en cajas de conexión, dónde se canaliza la energía eléctrica generada en los paneles asociados, de forma que permite un mejor control de los niveles de tensión e intensidad que entran en el inversor. 21 Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias Ilustración 4.7. Esquema básico del conexionado de un string a una caja de conexión (String box). 4.1.2 Sistema de conversión de Potencia: Inversor El inversor o convertidor CC-CA tiene objetivo principal transformar la corriente continua en corriente alterna. Funciona como interfase entre el generador fotovoltaico y la red eléctrica. El inversor debe seguir la frecuencia a la tensión correspondiente de la red a la que se encuentre conectado. La forma de onda de la corriente de salida del inversor deberá ser lo más senoidal posible para minimizar el contenido en armónicos inyectados a red. Se recomiendan los valores incluidos en la norma CEI 555/1/2/3 (Comité Electrotécnico Internacional) equivalente a la norma CENELEC EN 60 555/1/2/3 (Comité Europeo de Normalización Electrotécnica) y equivalente a su vez a la norma AENOR UNE- 806-90/1/2/3. El contenido de esta norma incluye la distorsión armónica máxima en corriente, en % sobre la fundamental, dependiendo del número de orden del armónico, producida por un receptor conectado a la red. Por supuesto, estos valores se consideran válidos cuando no existe distorsión armónica en la onda de tensión proveniente de la red. Ya que la potencia disponible del generador fotovoltaico varía con la irradiancia y temperatura de trabajo de las células que lo componen, el inversor deberá extraer la máxima potencia posible del generador fotovoltaico. Esto se consigue con un dispositivo que normalmente suelen incorporar este tipo de equipos, denominado “seguidor del punto de máxima potencia” (Maximum Power Point Tracker – MPPT), dispositivo electrónico incorporado en el inversor y que varía cada determinado tiempo, de uno o varios minutos, la tensión de entrada del inversor (o tensión de salida del generador fotovoltaico) hasta que el producto V·I de salida, potencia de salida, del generador fotovoltaico se hace máximo. En resumen, los inversores al utilizar sistemas fotovoltaicos conectados a red deben reunir las siguientes características generales: Alta eficiencia en condiciones nominales (> 90 %), así como en condiciones de baja insolación (>80 % para valores de irradiancia ≥ 150 MW/cm2); bajo contenido en armónicos de intensidad (THD < 5 %); gran fiabilidad, peso reducido, bajo nivel de emisión acústica, etc. El rendimiento de un inversor se define como la relación, expresada en porcentaje, entre la potencia de salida y la potencia de entrada del inversor y depende de las características del Clasificación de Fallos e Incidencias 28 Por tanto, aunque en la práctica se detecte que los inversores de la instalación no se encuentran operativos, no significa que hayan fallado en su funcionamiento, sino que se trata de una incidencia provocada por el fallo en un nivel superior de la instalación. Esta consideración es imprescindible, ya que si no se tiene en cuenta, puede llevar a contabilizar incidencias por partida doble, o bien asociar un fallo a un determinado elemento o equipo, el cual que depende a su vez de otras incidencias. Por otro lado es necesario destacar que en este proyecto no se analizará el histórico de alarmas registradas por el sistema telemático de detección de fallos como se ha llevado a cabo en otros estudios, pues puede conducir a error debido a que un gran porcentaje de las alarmas registradas son falsas, ya que en muchas ocasiones la detección por parte de dicho sistema automático, de cualquier anomalía puntual en los parámetros que determinan el rango de funcionamiento de los diferentes equipos o elementos de la instalación, no genera ningún tipo de fallo real en el mismo que afecte de manera relevante a su operación. Para este análisis se recopilarán y clasificarán todos los fallos e incidencias reales registradas durante el seguimiento diario del conjunto de plantas. Dicho seguimiento se realizaba contrastando los datos recogidos por el sistema de monitorización de la empresa de O&M, que normalmente se desplazaba hasta el emplazamiento para comprobar el estado real del componente afectado. Asimismo, los técnicos de mantenimiento realizaban las correspondientes revisiones e inspecciones de las instalaciones, por lo que en caso de detectar cualquier defecto o fallo, éste era comunicado de forma inmediata. Por tanto se asegura la fiabilidad de la información analizada. Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, se procederá a continuación a describir la clasificación de fallos e incidencias establecida. En primer lugar se tendrá en cuenta su localización, es decir, determinar el punto o elemento de la instalación en el que aparece dicho fallo o incidencia. Sería interesante desde el punto de vista técnico realizar una diferenciación entre las incidencias internas que pueden aparecer en una instalación, es decir, las asociadas a los elementos internos existentes y las incidencias externas a la instalación. Para realizar nuestro análisis de incidencia, hemos clasificado las plantas fotovoltaicas en los siguientes elementos básicos:  Campo solar  Inversor  Cableado AC Dichos elementos definen la parte interna de la planta. Por otro lado se tiene la conexión con la red eléctrica convencional, la cual la consideraremos a partir de la salida de alterna del inversor. A esto nos referiremos como la parte externa de la planta fotovoltaica. 29 Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias Ilustración 5.2. Zonificación interna y externa de una instalación FV. A continuación se analizarán las posibles incidencias que pueden aparecer en cada elemento por separado. 5.1 Incidencias en el Campo Solar Son varias las incidencias que pueden aparecer en el campo solar de una planta fotovoltaica, ya que se trata de la parte de la instalación que se encuentra a la intemperie. A continuación se analizarán los diferentes componentes del mismo: - Módulos fotovoltaicos: Los fallos más comunes en módulos FV se deben a la aparición de puntos calientes y la rotura de la cubierta frontal del módulo, debido esto último a diversos motivos tales como la existencia de dilataciones térmicas de la estructura, defectos de fabricación, acciones de viento extremo o incluso vandalismo, entre otros. Además pueden darse situaciones de robo de módulos. Sin embargo, debido a la gran cantidad de módulos existentes en una instalación fotovoltaica de tamaño medio, estos fallos apenas repercuten en la operación, por lo que resulta muy difícil detectar el momento de su aparición, ya que para ello, la empresa encargada de la O&M tendría que realizar inspecciones visuales del campo solar con una alta frecuencia y en la práctica, esa medida resulta inviable debido a la inmensidad de campo solar en algunas plantas. Hay que destacar que debido a que la información analizada se corresponde con datos reales recogidos en la práctica sobre el seguimiento de las instalaciones, únicamente se tiene constancia de sustituciones de módulos, así como la existencia de incidencias relevantes, tales como casos de rotura por vandalismo y robo de módulos. Por otro lado, en el caso de que se den incidencias más graves asociadas a situaciones de vandalismo, robo o accidentes por viento, se considerarán como una Clasificación de Fallos e Incidencias 30 sola incidencia independientemente del número de módulos que afecte dicha incidencia. - Cableado (Strings): Se contabilizarán de forma global el conjunto de fallos que se den en el cableado que conecta las diferentes agrupaciones de módulos, debidos al deterioro de la superficie aislante o a la existencia de fallos de diseño como que las ramas de los módulos estén cruzadas, entre algunas causas. Por tanto se incluirán en un mismo grupo todo tipo de defectos y roturas que se detecten en los cables y strings del campo solar. Al igual que ocurre con las incidencias en módulos FV, la mayoría de fallos originados en el cableado del campo solar apenas afectan a la instalación, a no ser que el fallo aparezca en líneas principales. Además se tendrán en cuenta situaciones de robo, ya que por tratarse de elementos compuestos por cobre, se han recogido algunos casos. - Cajas de Conexión: De acuerdo a los datos analizados, el total de incidencias asociadas a las cajas de conexión (string boxes), se deben a saltos de fusibles e interruptores magnetotérmicos. Estos saltos se deben fundamentalmente a fallos de origen eléctrico, tales como cortocircuitos y sobrecargas, originados por la presencia de humedad en el interior de la caja, calentamiento excesivo debido a altas temperaturas o defectos de aislamiento principalmente. La activación de los sistemas de protección eléctricos suponen una pérdida de producción relevante, ya que anulan alguna o algunas fases de corriente que entran a la caja, afectando por tanto a la potencia de entrada del inversor correspondiente, lo que afecta a la producción de forma considerable. 5.2 Incidencias en el Inversor El inversor es sin duda el elemento más importante en el análisis de una planta fotovoltaica, ya que de ellos depende la cantidad de energía eléctrica que se inyecta en la red. Debido a que se tratan de equipos fundamentalmente electrónicos, existe una gran cantidad de fallos que pueden afectar al correcto funcionamiento de los inversores, entre los cuales se han contabilizado fallos en la parametrización del inversor, fallos en los IGBTs, fallos en la fuente de alimentación… Se clasificarán las incidencias en 4 grupos como se explica a continuación:  Fallos de electrónica: se incluirán en este grupo todas las incidencias relacionadas con la electrónica del inversor. 31 Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias  Fallos de comunicación en el inversor: en este grupo se tendrán en cuenta las incidencias asociadas al sistema de comunicación y monitorización del propio inversor, es decir, como por ejemplo, fallos relativos al cable (bus) o la tarjeta de comunicaciones. Es necesario destacar que hay que diferenciar este tipo de incidencias, propias del inversor, con los fallos producidos en el sistema de monitorización de la planta. Cabe destacar que este tipo de incidencias no afectan a la producción, ya que los inversores se encuentran operando correctamente y su aparición únicamente supone la pérdida de información relativa a los datos de operación que se monitorizan para el correcto control y seguimiento.  Salto de elemento de protección: Se incluirán en este grupo los defectos o parada en el funcionamiento del inversor a causa de la activación de una protección. Cabe destacar, que el salto de un elemento de protección, no es un fallo propiamente dicho, sino que hay un fallo en otro lugar de la planta el cual provoca la activación de la protección. Como hemos explicado antes, no tenemos información suficiente para saber el origen del fallo propiamente dicho.  Otros fallos en la operación: En este grupo recogemos todas las incidencias del inversor que no se recogen en los otros subgrupos explicados anteriormente, como son causas externas que afecten al rendimiento o fallos de origen desconocidos. 5.3 Cableado AC En este grupo se recogerán los fallos o incidencias en el cableado de alterna. En este se incluirán incidencias como el salto de protecciones, que como hemos dicho antes, indica un defecto de funcionamiento de la planta, fallo en embarrado o robo en el cableado de alterna. 5.4 Incidencias en la Red Eléctrica Aquí se contabilizarán las incidencias asociadas a la red eléctrica de distribución a la que se conecta la planta. Estos fallos pueden darse por la existencia de inestabilidades en la red debidas a cualquier causa externa, y por tanto, ajena a la instalación, como por ejemplo, existencia de armónicos, variaciones de tensión. Este tipo de fallos son de gran importancia, ya que cualquier perturbación de la red genera el salto del relé de protección produciendo en consecuencia la parada total de la planta. Como se ha dicho anteriormente, el conjunto de incidencias y fallos ocurridos en la red eléctrica se considerarán como externos a la planta fotovoltaica, y por lo tanto, toda consecuencia que afecte a la producción podrá ser excluida por parte de la empresa encargada de la O&M; por otro lado, el resto de incidencias comentadas serán de carácter interno a la instalación. 5.5 Incidencias en el Sistema de Monitorización En este bloque se contabilizarán todos los fallos e incidencias que aparezcan en las plantas fotovoltaicas objeto de estudio asociadas a su correspondiente sistema de monitorización. Clasificación de Fallos e Incidencias 32 El esquema de un sistema de monitorización típico puede observarse en la Ilustración 5.3, por lo que se incluirán todos los fallos relativos a cableado y buses comunes de comunicaciones, fallos de señal e internet (ADSL, cobertura 3G, GSM, etc.), problemas de software, paradas o reseteos espontáneos de dataloggers, fallos en los equipos de medida, etc. Ilustración 5.3. Esquema del sistema de monitorización de una planta FV. Como se comentó anteriormente, hay que diferenciar este tipo de incidencias de aquellas de la misma naturaleza, es decir, incidencias de comunicación y monitorización, relativas al inversor. Esto permite, según lo establecido en las pautas de clasificación de fallos e incidencias, identificar el elemento que falla, es decir, diferenciar en qué casos el fallo (de comunicación o monitorización) se produce en el inversor o bien en el sistema de monitorización. Es importante identificar correctamente ambos tipos de incidencias, ya que estas no suponen una pérdida de producción en la planta. 33 Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias 5.6 Descripción del contenido de cada subgrupo A continuación se presenta en la siguiente ilustración las incidencias que se han contemplado y recogido en cada uno de los subgrupos en los que hemos dividido la planta fotovoltaica. Ilustración 5.4 Esquema de clasificación de los fallos e incidencias 35 Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias 6 DESCRIPCIÓN DE LAS PLANTAS FOTOVOLTAICAS OBJETO DE ESTUDIO n este capítulo se describirán las instalaciones que han sido objeto de estudio para realizar el análisis de fallos e incidencias establecido en el capítulo 5. Para ello, se han seleccionado una serie de parques y plantas FV, las cuales presentaban un seguimiento de fallos e incidencias más riguroso. Finalmente, se han analizado un total de 11 parques fotovoltaicos, divididos a su vez en 120 plantas fotovoltaicas de diferentes potencias (12,8 MWp en total aproximadamente) situadas en numerosos emplazamientos localizados en España (véase la Ilustración 6.1), las cuales presentan características constructivas y tipología similares. Ilustración 6.1. Localización de las plantas/instalaciones FV objeto de estudio. Una característica común que presentan todas las plantas analizadas es que ninguna posee sistema de seguimiento, siendo por tanto instalaciones fijas y son todas de 100 kWp. Cabe destacar que todas las instalaciones son sobre terreno a excepción de 1, que es sobre cubierta. Respecto al campo solar, se tienen en total 77.487 módulos fotovoltaicos. En cuanto a los inversores, se han analizado un total de 125. Con esta información, puede realizarse un análisis estadístico de incidencias desde un punto de vista global de la planta. E Descripción de las Plantas Fotovoltaicas Objeto de Estudio 36 También hay que destacar que todas las plantas comenzaron su operación en el año 2009. Analizandose la muestra desde Enero de 2009 a 2015 A continuación se presenta la Tabla 6.1, dónde se recogen las características de todas las plantas analizadas y en la que puede observarse de forma resumida todos los aspectos comentados anteriormente. 37 Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias Tabla 6.1. Características de las plantas FV analizadas Características de los parques Nombre Año de Inicio Nº Plantas FV Población Tecnología Potencia (MWp) Nº Paneles Tecnología módulo Nº Inversores PS Aguilar 2009 25 Escacena del Campo Fija 2,42 10.512 Policristalino 25 PS Almodovar 2009 2 Almodóvar del Río Fija 0,13 704 Policristalino 2 PS ARCOS 2009 2 Arcos del la Frontera Fija 0,2 936 Policristalino 2 PS Aznalcollar 1 2009 9 Aznalcollar Fija 0,76 5.902 Policristalino 9 PS Carmona 2009 12 Carmona Fija 1,4 7.784 Monocristalino 12 PS Cartaya 2009 16 Cartaya Fija 1,53 12132 Policristalino 16 PS Gibraleón 2009 14 Gibraleón Fija 1,68 9.576 Policristalino 14 PS La Palma 2009 15 Palma del Condado Fija 1,68 13.249 Policristalino 15 PS Marchena 2009 5 Marchena Fija 0,26 2.032 Policristalino 5 PS Puente Genil 2009 19 Puente Genil Fija 2,113 11300 Monocristalino 19 Prefesur 2009 1 Fuente Palmera Cubierta 0,723 3.360 Policristalino 6 120 12,896 77.487 125 Registro de Incidencias en la Operación de Plantas Fotovoltaicas 44 Tabla 7.2. Distribución del total de incidencias registradas en cada parque FV analizado. Sistema de monitorización Nombre Año de Inicio Nº Plantas FV Población Tecnología Potencia (MWp) Nº Paneles Tecnología módulo Nº Inversores Sustituciónsustituciones de módulo FV Incidencias en cableado y strings Incidencias en caja de conexión Robos cableado Fallo de electrónica Fallo de comunicación Salto de elemento de protección Otros fallos en la operación(tarjeta de disparo) Incidencias en cableado Protecciones Salto de protecciones Sistema de Comunicación Sistemas de Medida Sistema de Seguridad PS Aguilar 2009 25 Escacena del Campo Fija 2,42 10.512 Policristalino 25 71 29 25 69 44,39% 14 652 87 36,38% 15 0 3,43% 8 1,83% 59 625 20,59% PS Almodovar 2009 2 Almodóvar del Río Fija 0,13 704 Policristalino 25 0 9 6 36,36% 2 1 2 20 45,45% 1 0 1,82% 2 3,64% 7 0 0 12,73% PS ARCOS 2009 2 Arcos del la Frontera Fija 0,2 936 Policristalino 20 1 12 0 65,00% 0 1 1 0 10,00% 3 0 15,00% 0 0,00% 2 1 0 15,00% PS Aznalcollar 1 2009 9 Aznalcollar Fija 0,76 5.902 Policristalino 99 2 18 0 26,36% 6 5 20 28 53,64% 2 0 1,82% 1 0,91% 14 6 1 19,09% PS Carmona 2009 12 Carmona Fija 1,4 7.784 Monocristalino 12 1 4 1 29 25,55% 13 519 37 54,01% 6 0 4,38% 12 8,76% 4 5 5 10,22% PS Cartaya 2009 16 Cartaya Fija 1,53 12132 Policristalino 16 0 2 2 0 4,30% 6 2 14 42 68,82% 0 0 0,00% 0 0,00% 27 0 0 29,03% PS Gibraleón 2009 14 Gibraleón Fija 1,68 9.576 Policristalino 14 11 40 0 0 59,30% 9 25 2 2 44,19% 33 2 40,70% 1 1,16% 0 1 0 1,16% PS La Palma 2009 15 Palma del Condado Fija 1,68 13.249 Policristalino 15 6 2 0 29 30,83% 2 0 13 17 26,67% 2 2 3,33% 11 9,17% 36 2 0 31,67% PS Marchena 2009 5 Marchena Fija 0,26 2.032 Policristalino 5 015 4 1 15,87% 3 3 32 40 61,90% 1 2 2,38% 2 1,59% 33 0 5 30,16% PS Puente Genil 2009 19 Puente Genil Fija 2,113 11300 Monocristalino 19 2 1 0 0 12,00% 1 0 11 3 60,00% 1 0 4,00% 1 4,00% 4 2 0 24,00% Prefesur 2009 1 Fuente Palmera Cubierta 0,723 3.360 Policristalino 6 1 1 1 0 4,69% 0 0 36 25 95,31% 1 0 1,56% 0 0,00% 0 0 0 0,00% 120 12,896 77.487 125 106 97 72 134 29,52% 56 48 202 301 50,58% 65 6 7,13% 38 2,82% 186 23 36 17,60% Red Eléctrica Inversor Campo Solar Características de los parques Cableado AC 45 Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias En la Tabla 7.3 se presenta la tabla de contingencia en la que se muestra la asociación de dos aspectos clave en cuanto a la naturaleza de las incidencias: por un lado, estableciendo si son de carácter interno o externo a la planta según las consideraciones anteriores, y por otro, si afectan o no a la producción, dando lugar a cuatro tipos de incidencias: - Incidencias internas que afectan a la producción. - Incidencias internas que no afectan a la producción. - Incidencias externas que afectan a la producción. - Incidencias externas que no afectan a la producción. De esta forma, se ve claramente que el tipo de fallos e incidencias que más interesa controlar son las correspondientes a las internas que afectan a la producción, las cuáles suponen prácticamente un 75% del total de incidencias registradas. Otro resultado positivo es que el 21,77% de las incidencias registradas no han tenido una penalización en la producción de energía, lo que ya fue comentado anteriormente y que se visualiza mejor en esta tabla. Además puede observarse también que el 22,33% de las incidencias analizadas son relativas a componentes o agentes externos a la planta. Este último punto resulta interesante para la empresa encargada de los servicios O&M, ya que este tipo de incidencias son generalmente excluibles a la hora de obtener un valor de PR de acuerdo al contrato de mantenimiento en el que se garantiza un PR promedio anual determinado. SI NO TOTAL Porcentaje 75,30% 2,38% 77,67% numero 951 30 981 porcentaje 2,93% 19,40% 22,33% numero 37 245 282 988 275 78,23% 21,77% ¿Afectan a la producción? Incidencias internas Incidencias externas TOTAL Tabla 7.3. Tabla de contingencia entre el carácter de las incidencias registradas y su repercusión en la producción Registro de Incidencias en la Operación de Plantas Fotovoltaicas 46 A continuación se muestran la Ilustración 7.4 y la Tabla 7.4 en las que se ha representado gráficamente y desglosado en cada parque respectivamente la información recogida en la Tabla 7.3. 951; 75% 245; 20% 37; 3% 30; 2% Incidencias internas que afectan a la produccion Incidencias externas que afectan a la produccion Incidencias internas que no afectan a la produccion Incidencias externas que no afectan a la produccion Ilustración 7.4. Representación gráfica de las proporciones de cada tipo de incidencias 47 Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias Los parques fotovoltaicos son agrupaciones de instalaciones solares fotovoltaicas de conexión a red, lo que también se conocen como plantas fotovoltaicas, que pueden pertenecer a diferentes propietarios, pero se encuentran ubicadas en el mismo emplazamiento. En la mayoría de las ocasiones, varias plantas pertenecientes a un mismo parque poseen centros de transformación comunes, así como, la red eléctrica lógicamente, además del sistema de monitorización. Por este motivo, aunque resulte más interesante realizar el análisis de fallos e incidencias a nivel de planta, se ha decidido mostrar cómo se distribuyen las incidencias recogidas en el estudio en cada parque fotovoltaico, ya que existen incidencias que pueden aparecer en dichos elementos comunes, por lo que deben de ser consideradas a nivel de parque para no inducir a error. Por ejemplo, si se tiene un parque fotovoltaico compuesto de tres plantas monitorizadas por un único sistema de monitorización, sería difícil contabilizar un fallo en dicho sistema a nivel de planta. Teniendo en cuenta que se han analizado las incidencias en la operación de 11 parques fotovoltaicos, desde un punto de vista estadístico, puede deducirse que, de forma general, el valor promedio de incidencias en cada parque fotovoltaico es aproximadamente 115 𝑖𝑛𝑐/𝑝𝑎𝑟𝑞𝑢𝑒. A su vez, considerando que la contabilización de incidencias se ha llevado a cabo durante un periodo de 84 meses, puede obtenerse el promedio mensual del número de incidencias por cada parque, el cual toma un valor de 1,37 𝑖𝑛𝑐/(𝑝𝑎𝑟𝑞𝑢𝑒·𝑚𝑒𝑠) , es decir, que según el análisis realizado, se produce una media de prácticamente 1,37 incidencias al mes en cada parque FV. Nombre Afectan a la prod? SI NO SI NO Σ nº Inc/mes PS Aguilar 362 6 8 90 466 5,55 PS Almodovar 45 1 2 7 55 0,65 PS ARCOS 17 1 0 3 21 0,25 PS Aznalcollar 1 85 5 1 21 112 1,33 PS Carmona 110 512 14 141 1,68 PS Cartaya 66 2 0 27 95 1,13 PS Gibraleón 99 25 1 1 126 1,50 PS La Palma 73 011 38 122 1,45 PS Marchena 98 3 2 38 141 1,68 PS Puente Genil 19 0 1 6 26 0,31 Prefesur 65 0 0 0 65 0,77 Σ1039 48 38 245 1263 15,04 nº Inc/parque F 94,45 4,36 3,45 22,3 114,82 1,37 Inc. Internas Inc. Externas Tabla 7.4. Distribución y promedios mensuales de cada tipo de incidencias en cada parque FV Registro de Incidencias en la Operación de Plantas Fotovoltaicas 48 En la tabla 7.4 podemos observar como en todos los parques a excepción de Aguilar el número de incidencias mensuales medio es menor o muy poco mayor a 1,37, por lo que esta afirmación anterior se encuentra del lado de la seguridad. 7.2 Análisis y Distribución de Incidencias Internas A continuación se procede al análisis estadístico de las incidencias de carácter interno con la finalidad de obtener resultados a nivel de planta fotovoltaica. Puede observarse en la Ilustración 7.6 que el componente interno que más falla estadísticamente es el inversor con un 54,4% de las incidencias internas registradas. Hay que tener en cuenta que dicho porcentaje hace referencia a la existencia de cualquier tipo de fallo, sin embargo, posteriormente se analizará más detalladamente que parte del mismo se corresponde con incidencias menores, tal y como fallos de comunicación. Asimismo, el porcentaje de incidencias internas asociadas al campo solar es de prácticamente un 37%, las cuales como ya se ha comentado en otras ocasiones no suelen repercutir en la operación de la planta debido al inmenso tamaño del campo solar. De hecho hay que tener en cuenta que en la realidad, se producen gran cantidad de fallos y defectos en la operación del campo solar, pero la mayoría de ellos son indetectables a través de los sistemas de monitorización convencionales, por lo que únicamente a través de inspecciones periódicas y estrictas pueden detectarse aquellas de mayor relevancia. Por otra parte, se tiene aproximadamente un 3% de las incidencias internas analizadas asociadas a cableado de alterna. Como se ha visto anteriormente se han contabilizado un total de 981 incidencias internas, por lo que desde un punto de vista estadístico, puede deducirse que el valor promedio de incidencias internas producidas por planta fotovoltaica es aproximadamente de 89 𝑖𝑛𝑐/𝑝𝑙𝑎𝑛𝑡𝑎. 37% 60% 3% Campo solar Inversor Cableado AC Ilustración 7.5. Porcentajes de incidencias internas registradas en cada uno de los elementos analizados 49 Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias Al igual que antes, considerando que la contabilización de incidencias se ha llevado a cabo durante un periodo de 84 meses, puede obtenerse el promedio mensual del número de incidencias internas por cada planta, el cual toma un valor de 1.059 𝑖𝑛𝑐/𝑝𝑎𝑟𝑞𝑢𝑒·𝑚𝑒𝑠 , es decir, que según el presente análisis, se produce una media de más o menos de 1 incidencia de carácter interno al mes en cada planta FV, o lo que es lo mismo, se tendría una incidencia cada 30 días por parque. 7.2.1 Campo Solar Respecto a las incidencias asociadas al campo solar se han registrado un total de 362 incidencias, entre las cuales, 92 son relativas a módulos fotovoltaicos, 59 asociadas al cableado de strings, 92 asociadas a cajas de conexión (string boxes) y 119 por robos de cableado. Excluyendo aquellas que fueron originadas por vandalismo o robo, se tendrían un total de 243 incidencias asociadas a fallos reales en el campo solar y los cuales se desglosan a continuación: Codigos de Error Total de incidencias porcentaje Sustitución de módulo FV 92 37,86% Incidencias en cableado y strings 59 24,28% Incidencias en caja de conexión 92 37,86% 243 Tabla 7.5. Incidencias del campo solar en las plantas FV analizadas Ilustración 7.6. Incidencias Campo Solar Registro de Incidencias en la Operación de Plantas Fotovoltaicas 50 Puede observarse en la Tabla 7.5 que dentro del campo solar, dónde se ha dado un mayor número de fallos e incidencias, ha sido en los módulos fotovoltaicos y en las cajas de conexiones, con un 38% de las mismas. Cabe destacar que debido a que resulta muy difícil saber con exactitud cuándo se produce realmente un fallo en un módulo, de optó por contabilizar el número de módulos que han sido sustituidos en cada planta, de acuerdo a la información de la que se disponía. Cabe destacar que es normal que haya tantas incidencias en las cajas de conexiones ya que, como se describió anteriormente, en este grupo englobamos incidencias como fusibles fundidos, que como se dijo anteriormente, no es propiamente un fallo, pero lo contabilizamos de esta forma debido a que no tenemos medios para saber el origen del fallo. También se estableció como criterio, que en el caso de que una causa externa afectara a una cantidad de módulos, como por ejemplo, casos de robo, vandalismo o accidentes por condiciones climatológicas adversas (viento), se contabilizaría dicha incidencia una sola vez, ya que si se contaran los módulos fotovoltaicos que resultan afectados podría pensarse que tales módulos han presentado fallos en su funcionamiento, lo cual resulta incierto. El resto de incidencias asociadas al cableado suponen 24% del total de incidencias registradas. Estas 9 incidencias asociadas a fallos en el funcionamiento de módulos o paneles fotovoltaicos suponen un 9.38% de las incidencias internas detectadas y un 7.27% del total de incidencias registradas. Como se comentó anteriormente, la producción de una planta fotovoltaica apenas se ve afectada en su producción si uno o varios módulos presentan defectos o en el peor de los casos, si no funcionan. Ya que si se observa, por ejemplo, la planta Gibraleón de dónde se han registrado un total de 11 incidencias en módulos, y suponiendo una situación hipotética en la que dichas incidencias hayan ocurrido simultáneamente, es decir, 11 módulos fotovoltaicos dejan de generar electricidad al mismo tiempo, se tiene una pérdida total de potencia pico de: 11/9576=0,11%. Por tanto, se comprueba que la pérdida de producción es muy pequeña y lo es más aun teniendo en cuenta además, que dichas incidencias no se producen de forma simultánea. Por último, de forma general, puede estimarse la probabilidad de fallo de un módulo fotovoltaico de acuerdo al análisis realizado. Ya que se han tenido constancia de 92 sustituciones de módulos en 77487 módulos analizados en un periodo de 84 meses, dicha probabilidad toma un valor de 0,11 %, es decir, se tendría que sustituir 1 de cada 909 módulos FV en dicho periodo según el presente análisis. 51 Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias 7.2.2 Inversor En cuanto a las incidencias de los inversores de cada planta FV analizada, se ha contabilizado un total de 586 incidencias, entre las cuales, de acuerdo con la clasificación establecida, 255 se corresponden a fallos de la electrónica del inversor, 220 a saltos de elementos de protección, 30 asociadas a fallos de monitorización y comunicación del inversor y 81 asociada a otros fallos en la operación, como los descritos en el apartado 5.2. Codigos de Error Total de incidencias porcentaje Fallo de electrónica 255 43,52% Fallo de comunicación 30 5,12% Salto de elemento de protección 220 37,54% Otros fallos en la operación 81 13,82% 586 Tabla 7.6. Incidencias en Inversores en las plantas FV analizadas Ilustración 7.7. Incidencias en Inversores Registro de Incidencias en la Operación de Plantas Fotovoltaicas 52 Como podemos observar en el gráfico anterior, los fallos más usuales en los inversores son de tipo electrónico con un 43% de fallos. Estos, además, son fallos de gran relevancia debido a que usualmente provocarán una gran merma en la producción normal. Puede llegar el punto a que el inversor quede inutilizado durante varios días debido a que el elemento que falle tenga que enviarse a reparar y no halla otro en stock, lo que provocaría una gran pérdida de producción. En Segundo lugar se encuentran los saltos de elemento de protección del inversor con un 38% de los fallos o incidencias en el inversor. Como se ha mencionado anteriormente, estos no son fallos propiamente dichos, ya que el elemento protector esta hacienda bien su trabajo, que es saltar en caso de fallo, pero al no disponer de información suficiente para saber el origen de este fallo, se ha decidido contabilizarlo de esta forma. Cabe destacar que este tipo de incidencias también son de gran relevancia en cuanto a merma de producción se refiere, ya que el salto de un elemento de protección de un inversor puede incluso dejar parada una planta. En tercer lugar encontramos otros fallos en la operación del inversor con un 14%, en los que en el apartado 5 describíamos que estábamos contabilizando en este grupo. Estos fallos también pueden provocar una gran merma de producción. Por último, nos encontramos con los fallos de comunicación con un 5% de los fallos o incidencias registradas en el inversor. Estos no son de gran relevancia en cuanto a la producción se refieren, ya que no van a provocar una merma de producción. De la misma forma que hemos hecho anteriormente, se han contabilizado un total de 586 fallos durante los 84 meses en los que hemos realizado este estudio, lo que hace un total 7 fallos mensuales y un total de 0,63 fallos por planta y mes. Esto es, cada 1,57 meses se registraría 1 incidencia por planta. 7.2.3 Cableado AC Codigos de Error Total de incidencias porcentaje Incidencias en cableado AC 31 93,94% Protecciones AC 2 6,06% 33 94% 6% Incidencias en cableado AC Protecciones AC Tabla. 7.7. Incidencias en cableado AC Ilustración 7.8 Incidencias en cableado AC 53 Fiabilidad de instalaciones fotovoltaicas a través del análisis de incidencias En el apartado 5 vimos lo que se incluían en cada uno de estos dos subgrupos. Como podemos observar en la tabla anterior, el 94% representa a las incidencias en cableado AC, que recogen incidencias como el fallo en el embarrado o averías generales en la línea. Con un 4% de las incidencias totales se encuentran los saltos de protecciones de AC. Cabe destacar que estas incidencias si provocaran en mayor o menor medida una merma en la producción, y es que el salto de una protección de AC puede llegar incluso a parar una planta. Referencias 60 15. L. Barberá, A. Crespo, P.Viveros, A. Arata “The graphical analysis for maintenance management method: A quantitative graphical analysis to support maintenance management decision making”. Quality and Reliability Engineering International (DOI: 10.1002/qre.1296). 16. L. Barberá, A. Crespo, V.González, R. Stegmaier, P.Viveros, “Análisis del gráfico Nelson-Aalen Modificado como soporte a la toma de decisiones en la gestión global del mantenimiento”. Revista Ingeniería y Gestión del Mantenimiento. 17. Palomo Hijano, Antonio. Análisis Estadístico de Incidencias en la Operación de Plantas Fotovoltaicas. [En línea] http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/5666/fichero/PFC- Antonio+Palomo_DEF.pdf 18. Martínez González Pablo. 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