WO2018111063A1 - Módulo fotovoltaico con sistema para identificación de causa de disminución de potencia eléctrica e independencia de falla - Google Patents
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Definitions
- the present invention has its preponderant field of application in the field of photovoltaic solar utilization, particularly in the detection of cause of decrease of electrical power in photovoltaic modules in order to achieve efficient preventive and / or corrective maintenance.
- a fault determination system is detailed in each photovoltaic chain, by specifying a characteristic electric current curve of each chain, determining a slope tangent to each point of the characteristic current curve and the Calculation of a difference between the slopes of the tangent of any pair of adjacent points. Then it is determined whether an absolute value of the difference is less than a preset value; If so, it determines that the chain is in a normal working state, otherwise it determines that the chain is in a state of malfunction. When the fault is identified an alarm device sends a signal to the system to notify it in a specific photovoltaic chain.
- US20130201027, CN102778641, WO / 2016/085010 and JP2012084809 patents comprise voltage control stages through each chain in order to measure the voltages to know if the voltage falls below a limit of Acceptable voltage, indicating a fault condition.
- the invention US20160061881 refers to a "smart" junction box that provides electrical measurements of photovoltaic cell chains to detect premature degradation of photovoltaic cells, insufficient bypass diodes and arc formation, and reports it to a location central and / or provides for the automatic disconnection of a certain series of photovoltaic cells.
- US20110088744 describes a temperature sensing device for the detection of diode faults in the photovoltaic modules, which is encapsulated between two transparent sheets, next to the photovoltaic cells and in connection with one or more diodes bypass
- the detection of the temperature apparatus can be activated when a current flow passes through the bypass diodes when there are damaged solar cells, shaded cells and / or the like.
- This system suffers from not being able to identify the type of situation that caused the failure, either by damaged cells or by dirt.
- the CN104391189 patent is characterized in that it makes a diagnosis of the failures of the photovoltaic matrix, these are classified in 3 stages: the first, if a fault occurs in a branch circuit is determined using an incremental ratio method of energy, the second, if failures occur in all photovoltaic chains is determined by the use of a current and voltage similarity method, and the third, the determination of the fault positioning.
- the invention KR101535056 detects and diagnoses faults and is characterized in that it minimizes the loss of energy due to a failure of the intensity of solar radiation, the temperature and the wind speed.
- Figure 1 is the architecture of an array of photovoltaic cells, transistors, electric buffers, rectifier diodes, system outputs embedded in the operation of a photovoltaic module and different sensors.
- the components [Cx] are photovoltaic cells that are connected in series with a transistor [Gx], in parallel to these two components a rectifier diode [Dx] is connected with bypass function.
- Voltage outputs of an embedded system [U] are each connected to a different electrical buffer [Bx], which in turn is connected to the base terminal of each transistor [Qx] to polarize it and allow the passage of current generated by its respective cell [Cx].
- the order of sending the signal through the different buffers is determined by the embedded system [U], based on the values given by the electric current [A], voltage [V] and mechanical vibration [S] sensors. .
- FIG 2 illustrates an example of a voltage signal measured at the output of the photovoltaic module by a sensor over a period of time. determined during a specific transistor activation sequence.
- Each period ⁇ is the activation time of each transistor [Gx] (mentioned in Figure 1), so each voltage step corresponds to the start of photovoltaic generation of each cell [Cx] (mentioned in Figure 1).
- FIG 3 illustrates an example of an electrical current signal at the output of the photovoltaic module, read by a sensor over a certain time during a specific sequence of transistor activation.
- Each period "tx" corresponds to the activation time of each transistor [Gx] (mentioned in Figure 1).
- Figure 4 is an example of a system operation case, where each subsection corresponds to the mapping recorded in the memory of the embedded system controller based on the measurement of current and voltage during different transistor activation sequences. Each cell where a low production of electric current or voltage is recorded is enclosed in a circle.
- Figure 5 is another example of a system operation case, where each subsection corresponds to the mapping recorded in the memory of the embedded system controller based on the measurement of current and voltage during different transistor activation sequences. Each cell where there is a low production of electric current or voltage is shown enclosed with a circle.
- the Power Loss Cause Identification System of the present invention is made up of at least one transistor, an electric buffer and a rectifier diode for each cell or group of cells, and an embedded system which integrates the different sensors, outputs and inputs of electrical signals.
- the embedded system controller decides the order of sending voltage signals for the activation of the different transistors.
- Figure 2 presents an example of a curve registered with the voltage signal, where each photovoltaic cell is expected to produce a voltage step during its activation. If there is a period where there is no step of voltage as in t3, then it means that cell C3 is not producing voltage and is registered by the controller to map cells with voltage generation problems.
- Figure 3 presents an example of a curve registered with the electric current signal, where a horizontal line is expected with slight decreases in some periods. If there is a period where there is a fall that exceeds a predetermined level such as t5, then it means that cell C5 is producing a lower than expected comment, so it is registered in the controller to map cells with problems of electric current generation.
- Ef embedded system monitors 100% of the time the electrical output power of the photovoltaic module, if a decrease is registered then the transistors are deactivated, so that no cell will generate electrical current. Then an activation sequence starts from G1 to the last transistor Gn. If the embedded system controller records the specific case of Figure 4a, where cell C4 is detected with voltage or electrical current generation problems, then the controller will restart another transistor activation sequence giving activation priority to the same cell already the cells that are around the cell with poor production C3, C5 and C6.
- an activation sequence starts from G1 to the last transistor Gn. If the embedded system controller records the specific case of Figure 5a, where cell C5 is detected with problems of voltage or electrical current generation, then the controller will restart another transistor activation sequence giving activation priority to the same cell already the cells that are around the cell with poor production C4, C6 and C12. In the following activation sequence you have recorded problems in cell C5 and C12 ( Figure 5b), then restart the activation sequence and give priority to cells C4, C5, C6, C11, C12 and C13, where you record that the decrease Electricity production was moved to cells C7 and C10 ( Figure 4c).
- the system repeats this operation for a certain time, where the result of the analysis may throw the conclusion that there is a dynamic shadow with random movement, such as a loose tree leaf moving by the action of the wind or a spot of particles of dust also moving by the action of the wind.
Abstract
La presente invención describe una arquitectura de integración de celdas fotovoltaicas y un método de operación de las mismas que permite la colección y análisis de señales individuales secuenciadas desde cada celda o grupo de celdas para identificación de causa raíz en la disminución de potencia eléctrica total, ocasionada por posible contaminación de partículas de polvo, materia sólida o acuosa, sombras fijas o dinámicas y/o fracturas. La configuración cuenta con sensores de corriente eléctrica y de voltaje con los cuales se detecta cada disminución en la potencia eléctrica. El método permite seguir una falla de disminución de potencia eléctrica en toda la matriz de celdas fotovoltaicas para desplegar una conclusión al usuario referente al mantenimiento preventivo y correctivo.
Description
MÓDULO FOTOVOLTAICO CON SISTEMA PARA
IDENTIFICACIÓN DE CAUSA DE DISMINUCIÓN DE POTENCIA ELÉCTRICA E INDEPENDENCIA DE FALLA
CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención tiene su campo de aplicación preponderante en el ámbito de aprovechamiento solar fotovoltaico, particularmente en la detección de causa de disminución de potencia eléctrica en módulos fotovoltaicos con el fin de conseguir un mantenimiento preventivo y/o correctivo eficiente. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En los últimos años la industria de energías renovables, específicamente generación de energía solar fotovoltaica ha dado un gran paso en el esfuerzo e inversión de mejoras de sus componentes, como son los módulos fotovoltaicos, inversores, entre otros. Este incremento en mejoras va de fa mano con la necesidad de detectar funcionamientos deficientes momentáneos o permanentes, ocasionados por agentes externos al sistema como sombras, humedad y polvos, o bien fallas por causas internas como cortocircuitos, daño en trazos de conducción eléctrica, malfuncionamiento de componentes electrónicos, entre otros.
Dicho esto, la necesidad de identificación y posicionamiento de causas de fallas ha sido un tema importante que ha llevado a la creación de nuevas tecnologías con el fin de eficientar el mantenimiento preventivo y/o correctivo, y aprovechamiento de energía solar, sobre todo para alargar la vida útil del sistema de generación de energía.
A continuación, se presenta una relación de invenciones relacionadas con el tema.
En la invención WO/2015/101282 se detalla un sistema de determinación de fallas en cada cadena fotovoltaica, mediante la especificación de una curva característica de corriente eléctrica de cada cadena, la determinación de una pendiente tangente a cada punto de la curva característica de corriente y el
cálculo de una diferencia entre las pendientes de la tangente de cualquier par de puntos adyacentes. Entonces se determina si un valor absoluto de la diferencia es menor que un valor preestablecido; en caso afirmativo, determina que la cadena está en un estado normal de trabajo, de lo contrarío determina que la cadena está en un estado de falla del funcionamiento. Cuando se identifica la falla un dispositivo de alarma envía una señal al sistema para notificarla en una cadena fotovoltaica específica. Al igual que la anterior, las patentes US20130201027, CN102778641, WO/2016/085010 y JP2012084809 comprenden etapas de control de la tensión a través de cada cadena con el fin de medir los voltajes para saber si el voltaje cae por debajo de un límite de tensión aceptable, lo que indica una condición de falla. La invención US20160061881 hace mención a una caja de conexiones "inteligente" que proporciona mediciones eléctricas de cadenas de celdas fotovoltaicas para detectar la degradación prematura de celdas fotovoltaicas, insuficiencia de diodos de derivación y la formación de arcos, e informa de la misma a una ubicación central y/o prevé la desconexión automática de una determinada serie de células fotovoltaicas.
A diferencia de las anteriores, la patente US20110088744 describe un dispositivo sensor de temperatura para la detección de fallas en diodos de los módulos fotovoltaicos, el cual se encuentra encapsulado entre dos laminas trasparentes, junto a las celdas fotovoltaicas y en conexión con uno o más diodos de derivación. La detección del aparato de temperatura puede ser activada cuando un flujo de corriente pasa a través de ios diodos de derivación cuando hay celdas solares dañadas, celdas sombreadas y/o similares. Este sistema adolece del no poder identificar el tipo de situación que provocó la falla, ya sea por celdas dañadas o por suciedad.
Por otro lado la patente CN104391189, se caracteriza porque hace un diagnóstico de los fallos de la matriz fotovoltaica, estos se clasifican en 3 etapas: la primera, si se produce una falla en un circuito de derivación se determina utilizando un método de la relación incremental de energía, la segunda, si se producen fallos en todas las cadenas fotovoltaicas se determina mediante el uso de un método de similitud de corriente y voltaje, y la tercera, la determinación del posicionamiento de la falla. Con relación a la anterior, la
invención KR101535056 detecta y diagnostica fallas y se caracteriza porque minimiza la pérdida de energía debido a un fallo de la intensidad de la radiación solar, la temperatura y la velocidad del viento.
Existe otro método y sistema establecido en la invención CN104979912, el cual monitorea en tiempo real, controla equipos principales en una estación de energía solar fotovoltaica, genera análisis de fallos y genera gestiones de mantenimiento, en donde el sistema es una plataforma de visualización para el personal de operación, el personal de mantenimiento y personal de gestión.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Los detalles característicos de la presente invención, se muestran claramente en la siguiente descripción y en las figuras que se acompañan, las cuales se mencionan a manera de ejemplo, por lo que no deben considerarse como una limitante para dicha invención.
Breve descripción de las figuras:
La figura 1 es la arquitectura de un arreglo de celdas fotovoltaicas, transistores, buffers eléctricos, diodos rectificadores, salidas de sistema embebido en la operación de un módulo fotovoltaico y distintos sensores. Los componentes [Cx] son celdas fotovoltaicas que se conectan en serie con un transistor [Gx], en paralelo a estos dos componentes se conecta un diodo rectificador [Dx] con función de derivación. Salidas de voltaje de un sistema embebido [U] se conectan cada una a un buffer eléctrico [Bx] distinto, que a su vez está conectado a la terminal base de cada transistor [Qx] para polarizarlo y permitir el paso de corriente generada por su respectiva celda [Cx]. El orden de envío de señal a través de las distintos buffers es determinado por el sistema embebido [U], con base en los valores arrojados por los sensores de corriente eléctrica [A], de voltaje [V] y de vibración mecánica [S].
La figura 2 ilustra un ejemplo de señal de voltaje medido en la salida del módulo fotovoltaico por un sensor a través de un tiempo
determinado durante una secuencia específica de activación de transistores. Cada periodo Ίχ" es el tiempo de activación de cada transistor [Gx] (mencionado en Figura 1), por lo que cada escalón de voltaje corresponde al inicio de generación fotovoltaica de cada celda [Cx] (mencionada en Figura 1).
La figura 3 ilustra un ejemplo de señal de corriente eléctrica en la salida del módulo fotovoltaico, leída por un sensor a través de un tiempo determinado durante una secuencia específica de activación de transistores. Cada período "tx" corresponde al tiempo de activación de cada transistor [Gx] (mencionado en Figura 1).
La figura 4 es un ejemplo de un caso de operación del sistema, donde cada inciso corresponde al mapeo registrado en la memoria del controlador del sistema embebido con base en la medición de corriente y voltaje durante distintas secuencias de activación de transistores. Cada celda donde se registra una producción baja de corriente eléctrica o voltaje se muestra encerrada en un círculo.
La figura 5 es otro ejemplo de un caso de operación del sistema, donde cada inciso corresponde al mapeo registrado en la memoria del controlador del sistema embebido con base en la medición de corriente y voltaje durante distintas secuencias de activación de transistores. Cada celda donde se registra una producción baja de corriente eléctrica o voltaje se muestra encerrada con un circulo.
Con respecto a la Figura 1, el Sistema para Identificación de Causa de Pérdida de Potencia de la presente invención se constituye de, al menos, un transistor, un buffer eléctrico y un diodo rectificador por cada celda o grupo de celdas, y un sistema embebido que integra los distintos sensores, salidas y entradas de señales eléctricas. El controlador del sistema embebido decide cuál es el orden de envío de señales de voltaje para la activación de los distintos transistores.
La Figura 2 presenta un ejemplo de curva registrada con la señal de voltaje, donde se espera que cada celda fotovoltaica produzca un escalón de voltaje durante su activación. Si se presenta un periodo donde no se produce escalón
de voltaje como en t3, entonces significa que la celda C3 no está produciendo voltaje y es registrado por el controlador para realizar un mapeo de celdas con problemas de generación de voltaje. La Figura 3 presenta un ejemplo de curva registrada con la señal de corriente eléctrica, donde se espera una recta horizontal con disminuciones ligeras en alguno(s) períodos. Si se presenta un periodo donde hay una caída que supera un nivel predeterminado como el t5, entonces significa que la celda C5 está produciendo una comente menor a la esperada, por lo que es registrado en el controlador para realizar un mapeo de celdas con problemas de generación de corriente eléctrica.
A continuación se describe uno de los métodos donde se puede utilizar la presente invención. Ef sistema embebido monitores el 100% dei tiempo la potencia eléctrica de salida del módulo fotovoltaico, si se registra una disminución entonces se desactivan los transistores, por lo que ninguna celda generará corriente eléctrica. Entonces comienza una secuencia de activación desde G1 hasta el último transistor Gn. Si el controlador del sistema embebido registra el caso específico de la Figura 4a, donde la celda C4 es detectada con problemas de generación de voltaje o corriente eléctrica, entonces el controlador reiniciará otra secuencia de activación de transistores dándole prioridad de activación a la misma celda y a las celdas que se encuentran alrededor de la celda con producción deficiente C3, C5 y C6. En la siguiente secuencia de activación ha registrado problemas en la celda C5 (Figura 4b), sin embargo la celda C4 produce eficazmente, entonces reinicia la secuencia de activación y le da prioridad a las celdas C4, C5, C6 y C12, donde registra que la disminución de producción de energía eléctrica volvió a la celda C4 (Figura 4c). El sistema repite esta operación durante un tiempo determinado, donde el resultado dei análisis podrá arrojar la conclusión de que se presenta una sombra dinámica oscilatoria, que pudiera ser una rama de un árbol moviéndose por la acción del viento.
Otro método donde se puede utilizar el presente sistema se presenta en la Figura 5. El sistema embebido monitorea el 100% del tiempo la potencia eléctrica de salida del módulo fotovoltaico, si se registra una disminución entonces se desactivan los transistores, por lo que ninguna celda generará corriente eléctrica. Entonces comienza una secuencia de activación desde G1 hasta el último transistor Gn. Si el controlador del sistema embebido registra el caso específico de la Figura 5a, donde la celda C5 es detectada con problemas de generación de voltaje o corriente eléctrica, entonces el controlador reiniciará otra secuencia de activación de transistores dándole prioridad de activación a la misma celda y a las celdas que se encuentran alrededor de la celda con producción deficiente C4, C6 y C12. En la siguiente secuencia de activación ha registrado problemas en la celda C5 y C12 (Figura 5b), entonces reinicia la secuencia de activación y le da prioridad a las celdas C4, C5, C6, C11 , C12 y C13, donde registra que la disminución de producción de energía eléctrica se trasladó a las celdas C7 y C10 (Figura 4c). El sistema repite esta operación durante un tiempo determinado, donde el resultado del análisis podrá arrojar la conclusión de que se presenta una sombra dinámica con movimiento aleatorio, como pudiera ser hoja de un árbol suelta moviéndose por la acción del viento o una mancha de partículas de polvo moviéndose también por la acción del viento.
Claims
REIVINDICACIONES
1. La presente invención describe una arquitectura de integración de celdas fotovoltaicas y un método de operación de las mismas que permite la colección y análisis de señales individuales secuenciadas desde cada celda o grupo de celdas para identificación de causa raíz en la disminución de potencia eléctrica total, mediante el seguimiento de la falla en las distintas celdas fotovoltaicas a través de un tiempo determinado, caracterizada por:
a) Un arreglo matricial de celdas fotovoltaicas unidas entre sí por un transistor conectado en serie y un diodo de derivación conectado en paralelo a cada celda o grupo de celdas que conforman el panel fotovoltaico, donde dicho transistor permite o limita el paso de la corriente eléctrica producida por generación fotovoltaica en cada celda o grupo de celdas y, a su vez, el diodo de derivación permite el flujo de corriente cuando la celda o grupo de celdas están inactivas o dañadas,
b) Cada transistor es activado por una señal única proveniente de un sistema embebido, que es tratada por un buffer eléctrico, con tiempo característico que determina el momento de inicio de operación de dicho transistor,
c) un sensor que registra la señal de salida de la corriente eléctrica total generada por el conjunto celdas durante la secuencia de accionamiento de los distintos temporizadores y el resto del tiempo de producción de energía eléctrica,
d) un sensor que registra escalones de voltaje generado por las sub- cadenas de celdas durante la secuencia de accionamiento de los distintos temporizadores y el resto del tiempo de producción de energía eléctrica,
e) un sensor inercial que registra cualquier perturbación física en el vidrio protector del módulo fotovoltaico,
f) un sistema embebido que integra los distintos sensores anteriormente mencionados, monitorea constantemente las perturbaciones físicas y ejecuta el método correspondiente a la invención, con base en el cual
despliega una conclusión al usuario, que consiste en las siguientes etapas: Cuando detecta una pérdida significativa de potencia en la salida del módulo FV, define e inicia una secuencia de activación de la celda o grupo de celdas a monitorear y ejecuta los siguientes algoritmos:
i. Mide el voltaje de manera continua durante la activación de cada celda o grupo de celdas para detectar y mapear escalones de voltaje durante cada retraso de activación. Si en el tiempo de activación tx, donde corresponde activar la celda o grupo de celdas Cx, no se produce un escalón de voltaje, entonces se infiere una falla con pérdida local de potencia. Seguidamente la secuencia se redefine en tiempo real para activar las celdas en la zona hacia donde aparentemente se mueve la falla durante un Hempo determinado.
ii. Mide la corriente eléctrica de manera continua durante la activación de cada celda o grupo de celdas. La medición esperada es una curva recta horizontal con disminuciones insignificantes en algunos tiempos de activación. Si en el tiempo de activación tx, donde corresponde activar la celda o grupo de celdas Cx, se produce una calda significativa de corriente, entonces se infiere una falla con pérdida local de potencia. Seguidamente la secuencia se redefine en tiempo real para activar las celdas en la zona hacia donde aparentemente se mueve la falla durante un tiempo determinado.
ni. Compara el tiempo de suceso de las perturbaciones físicas registradas con las pérdidas de voltaje o corriente para complementar la información referente a la posible causa de pérdida de potencia.
Un sistema como el especificado en Reivindicación 1 , donde el buffer eléctrico puede estar conformado por a) amplificadores operacionales que amplifiquen la señal de voltaje, b) distintos circuitos Resistor-
Capacitor complementados con un circuito integrado similar al 555 comercial que son activados por las distintas salidas del sistema embebido, o c) distintos arreglos de amplificadores operacionales con configuración de temporizador que son activados por las distintas salidas del sistema.
3. Un sistema como el especificado en Reivindicación 1 , donde el sistema embebido a) se encuentra en la estructura del módulo fotovoltaico, o b) se encuentra encapsulado en el inversor de corriente.
4. Un sistema como el especificado en Reivindicación 1, donde el controlador del sistema embebido obtiene/genera información para mejorar la identificación de posibles causas de falla a través de: a) aprendizaje supervisado mediante retroalimentación del usuario, b) aprendizaje no supervisado con un algoritmo de aprendizaje jerárquico, o c) intercomunicación con otros sistemas similares instalados dentro de un área especifica.
5. Un sistema en conformidad con la reivindicación anterior del inciso a, donde la inferface con el usuario consiste en: i) una pantalla táctil conectada al sistema embebido, ii) una aplicación multi-dispositivo conectada a la red y a su vez al sistema embebido del sistema de la presente invención.
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