ES2338088A1 - Sistema y metodo de optimizacion de energia en generadores fotovoltaicos. - Google Patents
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Abstract
El sistema comprende: - unos generadores fotovoltaicos principales (Gp1-Gpn), - unos generadores fotovoltaicos adicionales (Ga1-Gan), cada uno de ellos integrado por unos bloques generadores fotovoltaicos (B1-Bn), - unos inversores (I1-In) previstos para convertir tensión/corriente continua en alterna, - unos medios de conmutación (Sw1) dispuestos entre las salidas de los generadores principales (Gp1-Gpn) y las entradas de los inversores (I1-In), - unos segundos medios de conmutación (Sw2) dispuestos entre las salidas de los bloques generadores (B1-Bn) y las salidas de los generadores adicionales (Ga1-Gan), y - unos medios para controlar de manera automática ambos medios de conmutación (Sw1, Sw2) para conectar/ desconectar selectivamente las salidas de los generadores principales (Gp1-Gpn) y de los bloques generadores (B1-Bn) con las entradas de los inversores (I1-In). El método está previsto para llevar a cabo dicho control automático de los medios de conmutación.
Description
Sistema y método de optimización de energía en
generadores fotovoltaicos.
La presente invención concierne a un sistema y
un método de optimización de energía en generadores fotovoltaicos, y
en particular a un sistema y un método basados en la conmutación de
diferentes generadores fotovoltaicos respecto a una serie de
inversores, con el fin de optimizar el rendimiento de los
inversores.
Son conocidas instalaciones fotovoltaicas que
incluyen una pluralidad de generadores fotovoltaicos con sus salidas
conectadas a unos respectivos inversores para convertir la energía
generada en alterna y, por ejemplo, suministrarla, de manera
sincronizada, a la red eléctrica.
En función de la hora del día, la ubicación
geográfica, la fecha, el tiempo, etc., en muchas ocasiones la
incidencia del sol sobre los paneles de dichos generadores
fotovoltaicos es baja o muy baja, por lo que la eficiencia en el
rendimiento de dichos inversores también baja. En algunos casos la
energía en continua (ya sea corriente o tensión) suministrada por
los generadores está por debajo del valor mínimo aceptable por el
inversor para que pueda iniciar su funcionamiento.
Es por ello que en el estado de la técnica se
han propuesto diferentes alternativas encaminadas a la optimización
de energía en generadores fotovoltaicos, y basadas en la conmutación
de los mismos respecto a los citados inversores, o en la inclusión
de generadores adicionales de otra índole, es decir, no
fotovoltaicos, con el fin de asegurar el suministro de energía.
Por la solicitud US2008078436A1 se conoce un
sistema que incluye agrupaciones ordenadas de paneles solares, cada
una de las cuales se encuentra conectada a un respectivo inversor.
Con el fin de garantizar el suministro de energía, cuando la
provinente de los paneles solares no es suficiente, el sistema
incorpora un generador adicional, en un principio conectado
únicamente a un inversor adicional para colaborar en la producción
de energía. Cuando la energía generada por los paneles solares es
muy baja o inexistente (por ejemplo por la noche), el generador
adicional se conecta a las entradas de los demás inversores y
aumenta su rendimiento, de manera controlada, con el fin de
sustituir a los paneles en la generación de energía. La conmutación
puede ser manual o automática (por ejemplo el sistema puede estar
programado para conectarse a horas en que la energía solar es muy
baja). Dicho generador adicional es de tipo
"bio-amigable", tal como el formado por un
motor que utiliza como combustible biodiesel. No se propone conectar
de manera selectiva al generador adicional con solamente alguno de
los inversores conectados a los paneles solares, ni dejarlo
desconectado de su respectivo inversor cuando los paneles solares
están suministrando suficiente energía.
La patente JP2002073184 propone un sistema de
generación de energía fotovoltaica de alta eficiencia incluso cuando
la radiación solar es baja. Para ello el sistema, que comprende una
pluralidad de filas de paneles solares, cada una de ellas conectada
en un principio a un respectivo inversor, dispone de unas unidades
de conmutación que, en su operación más sencilla, desconectan a una
de las filas de paneles de un inversor (por estar la energía de
salida por debajo de los requerimientos mínimos del inversor) y la
conectan a otro de los inversores. Para otros ejemplos de
realización se incluye una unidad de control que monitoriza la
salida de los inversores, y hace predicciones de las mismas, con el
fin de volver a reconectar al inversor desconectado a su fila de
paneles cuando ello resulta eficiente.
En la patente ES2284577T3 se propone una
instalación formada por unos generadores fotovoltaicos que, para un
ejemplo de realización, están formados a partir de módulos
fotovoltaicos conectados en serie, para el suministro de energía
alterna tras su correspondiente conversión por parte de unos
inversores. La instalación incluye una pluralidad de dispositivos de
conmutación activables por un dispositivo de control para iniciar
una operación de conmutación, que provoca la separación de al menos
un generador de un primer inversor y una conexión de dicho generador
a un segundo inversor, cuando se produce una condición relativa a
que el segundo inversor ha visto caer su potencia de entrada a un
nivel tan bajo que ya no trabaja en su zona de grado de eficacia
óptima. La instalación incluye varios generadores y varios
inversores, y el dispositivo de control de los dispositivos de
conmutación para desconectarlos-conectarlos entre sí
según la mencionada condición.
Tanto en la patente JP2002073184 como en la
ES2284577T3 se propone desconectar uno o más generadores
fotovoltaicos de un primer inversor para conectarlos a un segundo
inversor, ya sea porque el primer inversor esté trabajando de manera
muy poco o nada eficiente (JP2002073184) o porque sea el segundo
inversor el que trabaja por debajo de su zona de grado de eficacia
óptima (ES2284577T3).
No se propone en ninguna de dichas patentes
disponer de generadores fotovoltaicos adicionales no conectados
previamente a otro inversor, para su conexión selectiva y puntual a
un inversor que pueda admitir más potencia de entrada que la que le
está suministrando un generador fotovoltaico al que ya se encuentra
conectado, con el fin de complementar el suministro de energía de
dicho generador cuando sea necesario.
Los presentes inventores consideran necesario
ofrecer una alternativa al estado de la técnica, representado por
las patentes citadas, que permita optimizar la energía en
generadores fotovoltaicos, y en concreto optimizar la eficiencia de
los inversores utilizados, inyectándoles una potencia base o
principal generada por un generador fotovoltaico principal y, cuando
sea necesario, inyectarles una potencia adicional, también de origen
fotovoltaico, variable de manera selectiva para realizar un ajuste
fino que complemente (no que sustituya) a la principal.
Con tal fin la presente invención aporta, en un
primer aspecto, un sistema de optimización de energía en generadores
fotovoltaicos que comprende, de manera en sí conocida, los
siguientes elementos:
- -
- una pluralidad de generadores fotovoltaicos, cada uno de ellos formado por un respectivo conjunto de paneles fotovoltaicos de un primer tipo,
- -
- una pluralidad de inversores previstos para convertir tensión/corriente continua en alterna,
- -
- unos primeros medios de conmutación dispuestos entre las salidas de como mínimo parte de dichos generadores fotovoltaicos y las entradas de dichos inversores, y
- -
- unos medios de control previstos para controlar de manera automática dichos medios de conmutación para conectar/desconectar de manera selectiva las salidas de dichos generadores fotovoltaicos con las entradas de dichos inversores.
A diferencia de las propuestas convencionales,
en el sistema propuesto por la presente invención cada uno de dichos
generadores fotovoltaicos es un generador principal, y el sistema
comprende además de manera característica:
- -
- una pluralidad de generadores fotovoltaicos adicionales, cada uno de ellos integrado por unos bloques generadores fotovoltaicos formados por unos respectivos conjuntos de paneles fotovoltaicos de un segundo tipo, y
- -
- unos segundos medios de conmutación dispuestos entre las salidas de dichos bloques generadores fotovoltaicos y las salidas de dichos generadores fotovoltaicos adicionales, para aplicar uno o mas de dichos bloques generadores fotovoltaicos a dichas salidas de los generadores fotovoltaicos adicionales.
Los medios de control del sistema propuesto por
la invención están previstos para controlar, de manera automática,
también a dichos segundos medios de conmutación, para
conectar/desconectar de manera selectiva uno o más de dichos bloques
generadores fotovoltaicos, respecto a la salida del generador
fotovoltaico adicional al que pertenecen y en relación a las
entradas de dichos inversores, con el fin de suministrarles una
potencia adicional, que es función del número de bloques conectados
y menor a la suministrada por los generadores fotovoltaicos
principales.
En el sistema propuesto por el primer aspecto de
la invención, los mencionados medios de control comprenden uno o más
sistemas de procesamiento previstos para llevar a cabo el control de
los medios de conmutación en función de unos valores de unos
parámetros operativos del sistema de optimización de energía y/o de
los conjuntos de paneles fotovoltaicos, detectados y/o medidos y/o
calculados, en función del ejemplo de realización.
Por lo que se refiere a los parámetros
operativos detectados, con el fin de llevar a cabo dichas
detecciones, el sistema comprende una serie de sensores dispuestos
en diferentes elementos del sistema y previstos para detectar los
valores de distintos parámetros operativos, estando las salidas de
dichos sensores conectadas a unas entradas de dicho(s)
sistema(s) de procesamiento para suministrarle(s) los valores de dichos parámetros operativos detectados, a través de una circuitería eléctrica/electrónica adecuada.
sistema(s) de procesamiento para suministrarle(s) los valores de dichos parámetros operativos detectados, a través de una circuitería eléctrica/electrónica adecuada.
El sistema de procesamiento del sistema
propuesto tiene acceso a unos datos históricos relativos a
parámetros operativos del sistema, y está previsto para llevar a
cabo el control de los medios de conmutación en función también de
dichos datos históricos.
La presente invención concierne, en un segundo
aspecto, a un método de optimización de energía en generadores
fotovoltaicos, que comprende conectar/desconectar, de manera
selectiva y automática, las salidas de una pluralidad de generadores
fotovoltaicos, cada uno de ellos formado por un respectivo conjunto
de paneles fotovoltaicos, con las entradas de una pluralidad de
inversores previstos para convertir tensión/corriente continua en
alterna.
El método propuesto por el segundo aspecto de la
invención comprende llevar a cabo dicha conexión selectiva, para
como mínimo un inversor determinado (aunque en general para una
pluralidad de inversores de manera análoga), mediante la realización
de las siguientes etapas, de manera secuencial:
- -
- conectar la salida de cómo mínimo un generador fotovoltaico principal, formado por un conjunto de paneles fotovoltaicos de un primer tipo, a la entrada de dicho inversor determinado, para suministrarle una potencia base o principal, y
- -
- conectar además a la entrada de dicho inversor determinado como mínimo un generador fotovoltaico adicional, para suministrar una potencia adicional, sin llegar a la potencia máxima de entrada de cada inversor, representativa de un ajuste fino, de manera complementaria a dicha potencia principal.
En general, y con el fin de que la mencionada
potencia adicional sea variable en función de las necesidades del
inversor al cual se le suministra como parte de dicho ajuste fino,
cada uno de dichos generadores fotovoltaicos adicionales está
integrado por unos bloques generadores fotovoltaicos formados por
unos respectivos conjuntos de paneles fotovoltaicos de un segundo
tipo, y dicha etapa de ajuste fino comprende conectar/desconectar,
de manera selectiva y automática, uno o más de dichos bloques
generadores fotovoltaicos, por sus salidas, con la salida del
generador fotovoltaico adicional al que pertenecen, para suministrar
dicha potencia de salida con un valor dependiente del número de
bloques generadores conectados.
Para otro ejemplo de realización, la variación
de la potencia de salida de cada generador fotovoltaico adicional se
llevará a cabo de otra manera distinta a la descrita en el párrafo
anterior, sin incluir los citados bloques, tal como por ejemplo
mediante un dispositivo regulador para regular, manual o
preferentemente de manera automática, dicha potencia de salida.
Por lo que se refiere a la mencionada
desconexión selectiva, el método comprende llevarla a cabo, para
dicho u otro inversor determinado, mediante la realización de la
siguiente etapa:
- -
- desconectar de la salida de dicho generador fotovoltaico adicional uno o más de dichos bloques generadores fotovoltaicos adicionales, con el fin de disminuir un poco la potencia adicional suministrada,
y de la siguiente etapa si es necesario:
- -
- desconectar de la entrada de dicho inversor determinado al menos la salida de dicho generador fotovoltaico principal, con el fin de no suministrarle ninguna potencia principal, tras haberle retirado previamente también la potencia adicional.
En un apartado posterior se describirán ejemplos
de realización referentes tanto a la conexión como a la desconexión
de diferentes generadores y bloques, en diferentes situaciones de
trabajo.
Para un ejemplo de realización, con el fin de
inyectar más o menos potencia a cada inversor para mantenerlo
funcionando dentro de tolerancias y en el punto de la curva de
máxima eficiencia, el método propuesto comprende llevar a cabo dicha
conexión/desconexión selectiva en función de algunos o de todos los
siguientes valores:
- -
- unos valores de unos parámetros operativos del sistema que incluye a dichos generadores fotovoltaicos y/o de los conjuntos de paneles fotovoltaicos y/o de cualquiera de los elementos utilizados por el método de optimización de energía, siendo dichos valores detectados y/o medidos y/o calculados.
- -
- y/o de unos datos reales históricos relativos a parámetros operativos del sistema
- -
- y/o de unos datos teóricos referentes a unas previsiones de funcionamiento y/o de condiciones ambientales.
Por lo que se refiere a los mencionados
parámetros operativos, se contemplan los siguientes para aplicar el
método propuesto: temperatura, de la planta de generadores
fotovoltaicos y/o de cada conjunto de paneles, irradiación
instantánea, velocidad del viento, suciedad en los paneles, pérdidas
en cableados, tensiones, intensidades y potencias de cada inversor,
de la planta, de cada generador fotovoltaico y de cada bloque
generador fotovoltaico, o una combinación de los mismos.
Siempre que sea posible es preferible utilizar
todos los parámetros operativos citados, ya sean detectados mediante
sensores (como por ejemplo la velocidad del viento, la irradiación
instantánea, etc.), medidos (como por ejemplo las tensiones e
intensidades) o calculados (como por ejemplo las potencias, las
pérdidas estimadas, etc.).
En cuanto a los datos históricos referidos,
éstos son al menos uno del grupo que incluye los siguientes datos o
agrupaciones de datos: curvas de irradiación minutal anual,
temperaturas medias horarias anuales y curvas de máxima eficiencia
de cada inversor, o una combinación de los mismos.
Según un ejemplo de realización, y con el fin de
llevar a cabo la citada conexión/desconexión selectiva de manera
automática, el método comprende preestablecer una serie de consignas
teóricas relacionando potencia teórica a inyectar, a obtener
mediante un número determinado de generadores fotovoltaicos
principales, adicionales y de bloques de los generadores
adicionales, a conectar a cada inversor en función de como mínimo
unos datos teóricos de radiación previstos para la zona donde está
instalada la planta de generadores fotovoltaicos y de dichos datos
reales históricos medidos anteriormente.
Para una variante más elaborada de dicho ejemplo
de realización, el método comprende preestablecer dichas consignas
teóricas también en función de los parámetros operativos detectados
y/o medidos y/o calculados descritos anteriormente.
El método comprende clasificar dichas consignas
teóricas en una serie de situaciones o casos que, para un ejemplo de
realización, son los siguientes casos, los cuales han sido
establecidos a partir de dichos datos teóricos, históricos y/o de
dichos parámetros operativos:
- a)
- amanecer;
- b)
- anochecer;
- c)
- nubosidad;
- d)
- viento o nieve;
- e)
- niebla matinal;
- f)
- baja radiación;
- g)
- tareas de mantenimiento.
El método comprende detectar la aproximación
real a una de dichas consignas o casos, y conectar los generadores
asociados a dicha consigna a cada inversor, con el fin de inyectarle
la potencia cuyo valor teórico representa dicha consigna.
Es decir, que si, por ejemplo, el método detecta
o determina mediante los datos teóricos, históricos y/o de alguno de
los parámetros operativos, que en la zona geográfica donde se
encuentran los generadores fotovoltaicos está anocheciendo, es
decir, el denominado caso b), el método conectará los generadores
asociados a dicha consigna del caso b), para cada inversor, que en
general en tal situación, donde la energía generada es muy pequeña,
consistirá en conectar el mayor número posible de generadores
fotovoltaicos, incluyendo los adicionales, a cada inversor, o si aún
así la energía suministrada a cada inversor es todavía demasiado
pequeña, se procederá a desconectar algunos de los inversores y
conectar sus generadores al resto de inversores, para aumentar así
la potencia inyectada a los
mismos.
mismos.
En cualquier caso tales consignas, que
establecen qué selección de conexiones/desconexiones realizar para
cada caso, son teóricas, por lo que la estimación de potencia a
inyectar realizando las selecciones preestablecidas puede ser
errónea o no completamente adecuada para la situación real. Es por
ello que el método comprende compensar las diferencias entre la
potencia real inyectada a cada inversor y la teórica relativa a la
consigna aplicada, mediante la conexión/desconexión de uno o más de
dichos bloques generadores fotovoltaicos, es decir, realizar un
ajuste fino de dicha potencia inyectada, y en el caso poco probable
de que las diferencias sean muy grandes también es posible
conectar/desconectar los generadores principales.
Las anteriores y otras ventajas y
características se comprenderán más plenamente a partir de la
siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización con
referencia a los dibujos adjuntos, que deben tomarse a título
ilustrativo y no limitativo, en los que:
la Fig. 1 es una representación esquemática de
una planta o instalación fotovoltaica convencional, conectada a la
red eléctrica;
la Fig. 2 ilustra en detalle, de manera
esquemática, varios de los elementos del sistema propuesto,
incluyendo los diferentes bloques generadores incluidos dentro de
cada generador fotovoltaico adicional, para un ejemplo de
realización; y
la Fig. 3 muestra de manera esquemática los
medios de control incluidos en el sistema propuesto por el primer
aspecto de la invención, para un ejemplo de realización en el que
dichos medios de control incluyen un sistema de procesamiento
principal, en este caso un PLC maestro, y una serie de sistemas de
procesamiento secundarios, en este caso PLCs de campo.
Haciendo en primer lugar referencia a la Fig. 1
en ella pueden apreciarse los elementos básicos que incluye una
planta o instalación fotovoltaica de manera convencional, que
son:
- -
- Campo fotovoltaico: formado por una serie de generadores fotovoltaicos Gp1-Gpn, cada uno de ellos a su vez formado por la interconexión en serie y paralelo de un determinado número de módulos fotovoltaicos encargados de captar la luz del sol y transformarla en energía eléctrica, generando corriente continua proporcional a la irradiación solar recibida, y que se encuentran instalados sobre estructuras o seguidores solares.
- -
- Inversores: dispositivos electrónicos, basados en electrónica de potencia, encargados de convertir la energía (corriente/tensión) continua en energía (corriente/tensión) alterna con características idóneas para poderla verter a la red, pudiendo de esta manera, la instalación fotovoltaica, operar en paralelo con la red eléctrica R. En la Fig. 1 se han indicado n inversores mediante las referencias I1 ...In.
- -
- Protecciones: esta parte constituye una configuración de elementos (referenciados en bloque como CT en la Fig. 1) que actúan como interfaz de conexión entre la instalación fotovoltaica y la red R en condiciones de seguridad, tanto para personas como para los componentes que configuran, la instalación fotovoltaica.
El sistema de optimización propuesto por la
presente invención, de acuerdo a un ejemplo de realización se
ilustra en detalle en la Fig. 2. En ella pude observarse cómo los
generadores fotovoltaicos principales Gp1-Gpn son
conectables, a través de unos primeros medios de conmutación Sw1, a
diferentes inversores I1-In, de forma en sí
conocida. En el caso ilustrado cada generador principal
Gp1-Gpn se puede conectar a uno de dos inversores
I1-In, el primero Gp1 al inversor I1 o al I2, el
segundo Gp2 al I2 o I3, y así sucesivamente.
En dicha Fig. 2 se ilustran igualmente los
diferentes generadores fotovoltaicos adicionales
Ga1-Gan, cada uno de los cuales incluye una
pluralidad de bloques generadores fotovoltaicos
B1-Bn, siendo n en general el número de inversores
totales.
Se pueden apreciar en dicha Fig. 2 los
anteriormente citados segundos medios de conmutación Sw2 dispuestos
entre las salidas de los bloques generadores fotovoltaicos
B1-Bn y las salidas de los generadores fotovoltaicos
adicionales Ga1-Gan.
En concreto, en el ejemplo ilustrado en esta
Fig. 2, en el primer generador adicional Ga1 se encuentra conectada
únicamente la salida del primer bloque generador B1 a la salida del
propio generador adicional Ga1, en el segundo Ga2 las salidas de los
dos primeros bloques B1 y B2 a la salida del propio generador Ga2, y
en el resto no se encuentra conectado ningún bloque.
En general, el número de bloques generadores
B1-Bn se determina en función de las características
propias de cada planta fotovoltaica, y en concreto por las
siguientes características:
- -
- Relación de Rendimiento real de la planta.
- -
- Temperatura media.
- -
- Irradiación estimada.
- -
- Tipo de instalación (fija, 1 eje o 2 ejes).
- -
- Tipo y potencia de los inversores.
Los medios de control que controlan a dichos
medios de conmutación Sw1 y Sw2 no se han ilustrado en dicha Fig. 2,
pero sí que han sido ilustrados por separado en la Fig. 3 para un
ejemplo de realización.
Siguiendo con dicha Fig. 2, en ella puede
apreciarse cómo la salida de cada uno de los generadores
fotovoltaicos adicionales Ga1-Gan está conectada a
la salida de uno respectivo de dichos generadores fotovoltaicos
principales Gp1-Gpn, por lo que al actuar los
primeros medios de conmutación Sw1 para conectar, por ejemplo, el
primer generador principal Gp1, también se producirá la conexión del
primer generador adicional Ga1 con el mismo inversor al que se haya
conectado el principal Gp1, en este caso (Fig. 2) con el inversor
I2.
Para otro ejemplo de realización, no ilustrado,
se contempla conectar la salida de los generadores adicionales
Ga1-Gan a los inversores I1-In a
través de otros medios de conmutación, por ejemplo unos terceros
medios de conmutación, actuando de manera independiente a los
primeros medios de conmutación Sw1.
Aunque tanto los primeros medios de conmutación
Sw1 como los segundos Sw2 se han representado agrupados por sendos
rectángulos de líneas discontinuas que engloban a todos los
conmutadores incluidos en los mismos, cada uno de dichos
conmutadores es controlado de manera individual por los medios de
control.
Para un ejemplo de realización, cada uno de
dichos bloques generadores fotovoltaicos B1-Bn está
adaptado para suministrar aproximadamente entre un 0,1% y un 10% de
la potencia máxima que admite cada inversor I1 -In (teniendo en
cuenta las tolerancias), una vez aplicadas las correspondientes
pérdidas al sistema (Temperatura, cableado, reflexión, sombras,
orientación, inclinación, suciedad, etc.).
Por lo que se refiere a los generadores
principales Gp1-Gpn, cada uno de ellos está previsto
para, en condiciones de máxima radiación, suministrar una potencia
de salida máxima inferior o igual al 95-100% de la
potencia máxima que admite cada inversor I1-In
(teniendo en cuenta las tolerancias), una vez aplicadas las
correspondientes pérdidas al sistema (Temperatura, cableado,
reflexión, sombras, orientación, inclinación, suciedad, etc.).
Normalmente (sin sistema de optimización) los
generadores principales se diseñan con una potencia superior a la
nominal del inversor (ejemplo 116 KW para un inversor de 100 KW).
Estos 16 KW extras son estimados para compensar las pérdidas que se
pueden producir en el generador debidas a suciedad en los módulos,
cableado, mala orientación de los módulos, sombras producidas y
reflexión. Ahora bien, la potencia especificada del modulo solar
(ejemplo un modulo de 175 W) es la potencia para condiciones óptimas
de irradiación incidente y, por consiguiente, la potencia calculada
para un inversor depende de la irradiación incidente (la irradiación
puede disminuir por nubosidad, etc.), es decir, que si, por ejemplo,
los inversores I1-In aceptan una potencia de entrada
máxima de 100 KW y cada uno de ellos se encuentra conectado a un
generador principal Gp1-Gpn de 116 KW (100 KW + 16
KW estimados para pérdidas), únicamente en meses de verano y durante
"pocas horas" (junio, julio, agosto) el generador principal
Gp1-Gpn inyectará los 100 KW en el inversor
I1-In. En el caso contrario, en invierno, la
potencia que inyectará el generador principal
Gp1-Gpn al inversor I1-In podría
ser, por ejemplo, de unos 80 KW durante unas "pocas horas". El
resto de horas la potencia a inyectar del generador al inversor es
menor.
Mediante el sistema de optimización propuesto
por la presente invención, y en particular mediante los generadores
adicionales Ga1-Gan, responsables de la inyección de
potencia adicional para un ajuste fino, actuando sobre los segundos
medios de conmutación Sw2 se consigue mantener durante el máximo de
horas, sea invierno o verano, la potencia inyectada en el inversor
I1-In que se mantiene operativo.
En general, el conjunto de bloques
B1-Bn de cada generador adicional
Ga1-Gan está diseñado para suministrar una potencia
de hasta el 40% (despreciando las pérdidas) de la potencia máxima
admitida por cada inversor I1-In. Por ejemplo, para
el mencionado caso de utilización de inversores de 100 kW de
potencia de entrada máxima, y de módulos solares de 175 W, se
contempla la utilización de generadores adicionales
Ga1-Gan capaces de suministrar 37,8 KW, al estar
formados por doce series, o bloques B1-B12, de
dieciocho módulos solares, proporcionando cada serie 3,15 KW.
Cuanta menos irradiación incidente más series o
bloques B1-Bn de los generadores adicionales
Ga1-Gan son conectados con el fin de mantener, según
la Fig. 2 en la salida común de un generador principal y de uno
adicional, una potencia constante de 100 KW durante el máximo numero
de horas.
Para un ejemplo de realización preferido, los
diferentes bloques B1-Bn corresponden a diferentes
series de módulos o paneles solares de unos respectivos seguidores
solares o estructuras portantes, y los generadores principales
Gp1-Gpn corresponden a agrupaciones de seguidores
solares o estructuras portantes conectados en serie y/o paralelo. Es
decir, que lo que anteriormente se ha indicado como conjunto de
paneles fotovoltaicos de un primer tipo hace referencia en este caso
a dichas agrupaciones, y lo que se denominado como conjuntos de
paneles fotovoltaicos de un segundo tipo hace referencia a dichas
series de módulos solares.
Es decir, que el sistema, por tanto, trabaja con
los siguientes dos tipos de conmutaciones:
- a)
- Conmutaciones de líneas (agrupaciones de seguidores solares) Gp1-Gpn, cuando la potencia a inyectar a cada inversor es muy alta, y
- b)
- Conmutaciones de series de paneles solares B1-Bn, cuando se pretende realizar un ajuste fino de la potencia óptima a inyectar en cada inversor.
Mediante la conmutación de dichas series o
bloques B1-Bn (ajuste fino) se consigue que, hasta
en los momentos en los que se produce un decremento de potencia por
el paso de una simple nube, el sistema reaccione en tiempo real e
inyecte más potencia solar a los inversores
I1-In.
En la Fig. 3 se han ilustrado los medios de
control del sistema de optimización propuesto, para un ejemplo de
realización para el que éste incluye una serie de PLCs de campo, o
autómatas esclavos, cada uno de ellos encargado de mover un
respectivo seguidor solar (no ilustrados) con un número determinado
de paneles agrupados en una o varias series en paralelo.
Las salidas de la producción eléctrica de todas
estas series se recogen en unos cuadros, que no aparecen
representados, donde se detectan las corrientes que circulan por
ellas y se lleva a cabo el mencionado control de potencia adicional,
o ajuste fino, es decir, la conmutación de bloques
B1-Bn actuando sobre los segundos medios de
conmutación Sw2. Para ello las medidas de las diferentes series de
paneles son enviadas al PLC de campo más cercano, el cual se encarga
de proceder con el control de potencia adicional o fina.
En general y, aparte del control de potencia
fina, estos cuadros tienen la función de agrupar toda la corriente
eléctrica que le llega en un único conductor de mayor sección, al
que se conoce como línea, que se distribuye hasta un cuadro de
conmutación, donde se realiza la conmutación entre los generadores
principales Gp1-Gpn y los inversores
I1-In (no ilustrados en dicha Fig. 3), actuando
sobre los primeros medios de conmutación Sw1, mediante el control
por parte de uno o más PLCs, o autómatas maestros o principales (se
han ilustrado dos en dicha Fig. 3), que recoge los datos referentes
a todos los seguidores solares o estructuras portantes a través una
red de comunicaciones formada por diferentes líneas de comunicación
(algunas de fibra óptica), y de diferentes conmutadores de red que
interconectan al PLC maestro con todos los PLC de campo o
esclavos.
En dicha Fig. 3 también se ha ilustrado un
ordenador PC, con una serie de periféricos (impresora, módem ADSL,
SAI online, etc.), el cual representa de manera esquemática un SCADA
de control, en el cual se recogen los datos para supervisión y
controla a su vez los PLCs maestros para llevar a cabo el mencionado
control de los medios de conmutación, según cualquiera de los
ejemplos de realización del método propuesto por el segundo aspecto
de la invención descrito con anterioridad.
Siguiendo con la descripción de dicha Fig. 3,
para un ejemplo de realización, los autómatas esclavos y el maestro
realizan las siguientes funciones, en tiempo real:
- \sqbullet
- Actuación, en el caso de plantas con seguidores de uno o dos ejes, de, cada autómata sobre los motores de movimiento de cada seguidor para que, con una precisión inferior a 1º, se consiga la posición tanto azimutal como cenital óptima para obtener la máxima potencia de los paneles fotovoltaicos.
- \sqbullet
- Medición de las intensidades y tensiones de cada una de las series de paneles, tanto del conjunto de series que conforman la potencia base (Gp1-Gpn) como de la potencia fina (Ga1-Gan).
- \sqbullet
- Comunicación con el autómata maestro todos los datos medidos.
- \sqbullet
- Actuación sobre la matriz de conmutación de los bloques B1-Bn de los generadores adicionales Ga1-Gan, bajo petición del autómata o PLC maestro, a través de los segundos medios de conmutación Sw2.
- \sqbullet
- Está midiendo y calculando la Irradiación instantánea real.
- \sqbullet
- Está midiendo la temperatura real de la planta.
- \sqbullet
- Está midiendo la velocidad del viento.
- \sqbullet
- Está midiendo los parámetros de tensiones, intensidades y potencias de cada inversor.
- \sqbullet
- Actúa sobre una matriz de conmutación para inyectar tanto la potencia base como la potencia fina (bajo demanda a los PLCs esclavos) al inversor/inversores que un modelo de máxima eficiencia representativo del método propuesto determine.
Asimismo, los medios de control mantienen en
memoria los datos de:
- \sqbullet
- Históricos de curvas de irradiación minutal anual.
- \sqbullet
- Históricos de temperaturas medias horarias anuales.
- \sqbullet
- Curva de máxima eficiencia del inversor.
En el sistema propuesto por la presente
invención, para un ejemplo de realización, los medios de conmutación
descritos Sw1 y Sw2, constituyen unas matrices de conmutación
apoyadas en contactores, interruptores, relés, seccionadores y
fusibles, capaces de derivar las líneas tanto de potencia base, es
decir, la provinente de los generadores principales
Gp1-Gpn, como de potencia fina o adicional, es
decir, la provinente de los bloques B1-Bn de los
generadores adicionales Ga1-Gan, a uno o varios
inversores I1-In.
Este sistema de inyección conmutada de potencia
puede realizarse de forma tan compleja como se desee, en general
aplicando el método propuesto por el segundo aspecto de la
invención, pero como mínimo permite derivar cada generador principal
Gp1-Gpn a al menos dos inversores y
conectar/desconectar al menos un bloque B1-Bn de
potencia adicional. Tal es el caso ilustrado por la Fig. 2,
anteriormente descrita.
Según un ejemplo de realización de utilización
del sistema propuesto según el método del segundo aspecto de la
invención, se controla una planta fotovoltaica con el siguiente
esquema de funcionamiento:
- a.)
- Antes de amanecer los medios de control han conectado parte de los generadores principales Gp1-Gpn, y de sus generadores adicionales Ga1-Gan asociados, a solamente parte de los inversores I1-In, manteniendo al resto de inversores desconectados. Supuesta una planta de 1 MWn formada por diez inversores de 100 KWn, el sistema inyectaría toda la producción esperada en solo cinco inversores, desconectando los otros cinco (caso de conmutación a dos inversores, tal como se ilustra en la Fig. 2).
- b.)
- Conforme amanece, los distintos generadores fotovoltaicos o FV, Gp1-Gpn y Ga1-Gan, comienzan a inyectar la potencia generada en los cinco inversores seleccionados y se comienzan a detectar las corrientes y tensiones de entrada de los inversores en funcionamiento. Esta situación se mantiene hasta que la potencia total inyectada a cada inversor llega al punto óptimo de potencia nominal para la desconexión (distinto al punto optimo de potencia nominal del inversor que suele estar especificado en torno al 50% de carga), obtenido a través de la aplicación de unos algoritmos matemáticos sobre la curva de rendimiento del inversor y teniendo en cuenta el número de inversores que intervienen en la propia conmutación. Una vez alcanzado ese valor los medios de control actúan sobre la matriz de conmutación, en concreto sobre los primeros medios de conmutación Sw1, y conectan a cada inversor I1-In un generador principal Gp1-Gpn junto con el adicional Ga1-Gan asociado al mismo, es decir, su potencia base y su potencia fina. Este procedimiento mantiene a los inversores I1-In en un rango óptimo de rendimiento, minimizando las pérdidas de potencia debidas al propio rendimiento del inversor.
- c.)
- Conforme avanza el día, la producción de energía de los generadores FV, Gp1-Gpn y Ga1-Gan aumenta y el sistema continúa detectando las corrientes y tensiones de entrada a los inversores I1-In. Cuando dichas corrientes llegan al 100% del valor máximo admitido por el inversor, los medios de control comienzan a desconectar secuencialmente tantos bloques generadores adicionales B1-Bn (o bloques de potencia fina) como sean necesarios para llevar de nuevo las intensidades de entrada al rango permitido por el inversor, mediante el control de los segundos medios de conmutación Sw2.
- d.)
- La situación anterior se mantiene a lo largo de las horas de máxima radiación solar, de tal forma que en función de la radiación solar real, de la temperatura y de la nubosidad puntual los medios de control están conectando y desconectando en tiempo real el conjunto de bloques de potencia fina B1-Bn necesarios para mantener en todo momento la potencia máxima que admite el inversor, mediante el control de los segundos medios de conmutación Sw2.
- e.)
- Al acercarse el anochecer, el ciclo se invierte y cuando la potencia que está siendo inyectada a cada inversor I1-In baja por debajo del punto óptimo de potencia nominal para la conmutación, calculada de igual manera que el punto óptimo de potencia nominal para la desconexión, los medios de control cambian la matriz de conmutación para que la potencia generada se inyecte sobre la mitad de los inversores (caso de conmutación a 2), desconectando los inversores que no trabajan, actuando sobre los primeros medios de conmutación Sw1.
Aunque en toda la descripción anterior se ha
hecho mención a la potencia de entrada de cada inversor
I1-In como factor determinante y referido para
llevar a cabo las distintas conmutaciones selectivas, con el fin de
mantener a cada inversor operando con un alto rendimiento, y sin
dañarlo, tanto el sistema como el método propuesto por la presente
invención toman también como referencia la corriente de entrada de
cada inversor I1-In para el mismo fin, es decir,
para controlar las diferentes conmutaciones, impidiendo sobrepasar
la máxima admisible por inversor.
Mediante el sistema y el método propuestos por
la presente invención se consigue aprovechar con mayor eficiencia la
irradiación solar incidente durante todo el año, adquiriendo la
presente invención mayor importancia, en particular, en los meses de
invierno y otoño (menor número de horas de sol, hielo, nieve, etc.),
y durante las posibles tareas de mantenimiento del campo
fotovoltaico FV, para las cuales algunos de los generadores
desconectados de un inversor para su mantenimiento puede conectarse
a otro inversor, manteniéndolo así operativo.
Un experto en la materia podría introducir
cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos
sin salirse del alcance de la invención según está definido en las
reivindicaciones adjuntas.
Claims (19)
1. Sistema de optimización de energía en
generadores fotovoltaicos, del tipo que incluye:
- -
- una pluralidad de generadores fotovoltaicos (Gp1-Gpn), cada uno de ellos formado por un respectivo conjunto de paneles fotovoltaicos de un primer tipo,
- -
- una pluralidad de inversores (I1-In) previstos para convertir tensión/corriente continua en alterna,
- -
- unos primeros medios de conmutación (Sw1) dispuestos entre las salidas de al menos parte de dichos generadores fotovoltaicos y las entradas de dichos inversores (I1 -In), y
- -
- unos medios de control previstos para controlar, de manera automática, a dichos medios de conmutación (Sw1) para conectar/desconectar de manera selectiva las salidas de dichos generadores fotovoltaicos con las entradas de dichos inversores (I1-In),
estando dicho sistema caracterizado por
comprender:
- -
- una pluralidad de generadores fotovoltaicos adicionales (Ga1-Gan), cada uno de ellos integrado por unos bloques generadores fotovoltaicos (B1-Bn) formados por unos respectivos conjuntos de paneles fotovoltaicos de un segundo tipo, y
- -
- unos segundos medios de conmutación (Sw2) dispuestos entre las salidas de dichos bloques generadores fotovoltaicos (B1-Bn) y las salidas de dichos generadores fotovoltaicos adicionales (Ga1-Gan),
estando dichos medios de control previstos para
controlar, de manera automática, también a dicho segundos medios de
conmutación (Sw2) para conectar/desconectar de manera selectiva uno
o más de dichos bloques generadores fotovoltaicos
(B1-Bn), respecto a la salida del generador
fotovoltaico adicional (Ga1-Gan) al que pertenecen y
respecto a las entradas de dichos inversores
(I1-In), con el fin de suministrarles una potencia
adicional que es función del número de bloques
(B1-Bn)
\hbox{conectados y menor a la
suministrada por los generadores fotovoltaicos principales
(Gp1-Gpn).} 2. Sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque la salida de cada uno de dichos
generadores fotovoltaicos adicionales (Ga1-Gan) está
conectada a la salida de uno respectivo de dichos generadores
fotovoltaicos (Gp1-Gpn) que obran como generadores
principales.
3. Sistema según la reivindicación 1 ó 2,
caracterizado porque cada uno de dichos bloques generadores
fotovoltaicos (B1-Bn) está adaptado para suministrar
aproximadamente entre un 0,1% y un 10% de la potencia máxima que
admite cada inversor (I1-In).
4. Sistema según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada uno de
dichos generadores fotovoltaicos principales
(Gp1-Gpn) está previsto para, en condiciones de
máxima radiación, suministrar una potencia de salida máxima igual o
inferior a la potencia máxima que admite cada inversor
(I1-In).
5. Sistema según la reivindicación 1,
caracterizado porque dichos medios de control comprenden al
menos un sistema de procesamiento previsto para llevar a cabo dicho
control de dichos medios de conmutación (Sw1, Sw2) en función de
unos valores de unos parámetros operativos del sistema de
optimización de energía y/o de los conjuntos de paneles
fotovoltaicos, detectados y/o medidos.
6. Sistema según la reivindicación 5,
caracterizado porque también comprende llevar a cabo dicho
control de dichos medios de conmutación (Sw1, Sw2) en función de
unos valores de unos parámetros operativos calculados, del sistema
de optimización de energía y/o de los conjuntos de paneles
fotovoltaicos.
7. Sistema según la reivindicación 5,
caracterizado porque comprende una serie de sensores
dispuestos en diferentes elementos del sistema y previstos para
detectar los valores de distintos parámetros operativos, estando las
salidas de dichos sensores conectadas a unas entradas de dicho
sistema de procesamiento para suministrarle dichos valores de dichos
parámetros operativos detectados.
8. Sistema según la reivindicación 5, 6 ó 7,
caracterizado porque dichos parámetros operativos son al
menos uno del grupo que comprende los siguientes parámetros:
temperatura, de un planta que incluye a dichos generadores
fotovoltaicos (Gp1-Gpn, Ga1-Gan) y/o
de cada conjunto de paneles, irradiación instantánea, velocidad del
viento, tensiones, intensidades y potencias de cada inversor
(I1-In), de cada generador fotovoltaico
(Gp1-Gpn, Ga1-Gan) y de cada bloque
generador fotovoltaico (B1-Bn), o una combinación de
los mismos.
9. Sistema según una cualquiera de las
reivindicaciones 5,a 7, caracterizado porque dicho sistema de
procesamiento, que es al menos uno, tiene acceso a unos datos
históricos relativos a parámetros operativos del sistema, y porque
está previsto para llevar a cabo dicho control de dichos medios de
conmutación (Sw1, Sw2) en función también de dichos datos
históricos.
10. Sistema según, una cualquiera de las
reivindicaciones 5,a 7, caracterizado porque dicho sistema de
procesamiento, que es al menos uno, tiene acceso a unos datos
históricos relativos a parámetros operativos del sistema, y porque
está previsto para llevar a cabo dicho control de dichos medios de
conmutación (Sw1, Sw2) en función también de dichos datos históricos
que comprenden al menos uno del grupo que incluye curvas de
irradiación minutal anual, temperaturas medias horarias anuales y
curvas de máxima eficiencia de cada inversor, o una combinación de
los mismos.
11. Método de optimización de energía en
generadores fotovoltaicos, del tipo que comprende
conectar/desconectar, de manera selectiva y automática, las salidas
de una pluralidad de generadores fotovoltaicos, cada uno de ellos
formado por un respectivo conjunto de paneles fotovoltaicos, con las
entradas de una pluralidad de inversores previstos para convertir
tensión/corriente continua en alterna, estando dicho método
caracterizado porque comprende llevar a cabo dicha conexión
selectiva, para al menos un inversor determinado, mediante la
realización de las siguientes etapas, de manera secuencial:
- -
- conectar la salida de al menos un generador fotovoltaico principal formado por un conjunto de paneles fotovoltaicos de un primer tipo, a la entrada de dicho inversor determinado, para suministrarle una potencia base o principal, y
- -
- conectar además a la entrada de dicho inversor determinado al menos un generador fotovoltaico adicional, para suministrar una potencia adicional, sin llegar a la potencia máxima de entrada de cada inversor, representativa de un ajuste fino, de manera complementaria a dicha potencia principal.
12. Método según la reivindicación 11,
caracterizado porque cada uno de dichos generadores
fotovoltaicos adicionales está integrado por unos bloques
generadores fotovoltaicos formados por unos respectivos conjuntos de
paneles fotovoltaicos de un segundo tipo, y porque dicha etapa de
ajuste fino comprende conectar/desconectar, de manera selectiva y
automática, uno o más de dichos bloques generadores fotovoltaicos,
por sus salidas, con la salida del generador fotovoltaico adicional
al que pertenecen, para suministrar dicha potencia de salida con un
valor dependiente de número de bloques generadores conectados.
13. Método según la reivindicación 12,
caracterizado porque comprende llevar a cabo dicha
desconexión selectiva, para dicho inversor determinado, mediante la
realización de la siguiente etapa:
- -
- desconectar de la salida de dicho generador fotovoltaico adicional uno o más de dichos bloques generadores fotovoltaicos adicionales,
y de la siguiente etapa si es necesario:
- -
- desconectar de la entrada de dicho inversor determinado al menos la salida de dicho generador fotovoltaico principal.
14. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones 11 a 13, caracterizado porque, con el fin de
inyectar más o menos potencia a cada inversor con el fin de
mantenerlo funcionando dentro de tolerancias y en el punto de la
curva de máxima eficiencia, el método comprende llevar a cabo dicha
conexión/desconexión selectiva en función de unos valores de unos
parámetros operativos del sistema que incluye a dichos generadores
fotovoltaicos y/o de los conjuntos de paneles fotovoltaicos y/o de
cualquiera de los elementos utilizados por el método de optimización
de energía, siendo dichos valores detectados y/o medidos y/o
calculados, y/o de unos datos reales históricos relativos a
parámetros operativos del sistema y/o de unos datos teóricos
referentes a unas previsiones de funcionamiento y/o de condiciones
ambientales.
15. Método según la reivindicación 14,
caracterizado porque comprende preestablecer una serie de
consignas teóricas relacionando potencia teórica a inyectar, a
obtener mediante un número determinado de generadores fotovoltaicos
principales, adicionales y de bloques de los generadores
adicionales, a conectar a cada inversor en función de unos datos
teóricos de radiación previstos para la zona donde está instalada la
planta de generadores fotovoltaicos y de dichos datos reales
históricos medidos anteriormente.
16. Método según la reivindicación 15,
caracterizado porque comprende preestablecer dichas consignas
teóricas también en función de dichos parámetros operativos
detectados y/o medidos y/o calculados.
17. Método según la reivindicación 15 o 16,
caracterizado porque comprende clasificar dichas consignas en
los siguientes casos establecidos a partir de dichos datos teóricos,
históricos y/o de dichos parámetros operativos:
- a)
- amanecer;
- b)
- anochecer;
- c)
- nubosidad;
- d)
- viento o nieve;
- e)
- niebla matinal;
- f)
- baja radiación;
- g)
- tareas de mantenimiento.
18. Método según la reivindicación 15 ó 16,
caracterizado porque comprende detectar la aproximación real
a una de dichas consignas o casos, y conectar los generadores
asociados a dicha consigna a cada inversor, con el fin de inyectarle
la potencia cuyo valor teórico representa dicha consigna.
19. Método según la reivindicación 15 ó 16,
caracterizado porque comprende compensar las diferencias
entre la potencia real inyectada a cada inversor y la teórica
relativa a la consigna aplicada, mediante la conexión/desconexión de
uno o más de dichos bloques generadores fotovoltaicos.
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