QUE COMPRENDE DICHO DISPOSITIVO

D E S C R I P C I Ó N

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se puede incluir dentro del campo técnico de la tecnología solar, tanto para tecnología termosolar como para solar fotovoltaica.

En concreto, la invención tiene por objetos un dispositivo y un procedimiento destinados a medir el descenso de rendimiento en instalaciones solares. Un tercer objeto de la invención es una instalación solar que comprende el mencionado dispositivo.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Para transformar la energía solar en un tipo de energía aprovechable a gran escala (usualmente energía térmica o energía eléctrica), se emplean lo que se denomina instalaciones (también llamadas plantas) solares térmicas o fotovoltaicas, respectivamente.

Una de tales instalaciones solares comprende a su vez una o varias (normalmente varias) estructuras que, en el caso de instalaciones solares térmicas, se denominan helióstatos. En el caso de instalaciones solares fotovoltaicas, las estructuras pueden ser fijas o estar dotadas de seguidores solares.

Las estructuras están formadas por captadores solares que, en el caso de instalaciones solares fotovoltaicas, se denominan módulos fotovoltaicos que, a su vez, comprenden una pluralidad (usualmente 72) dispositivos solares denominados células fotovoltaicas (también llamadas células fotoeléctricas). Las células fotovoltaicas están adaptadas para captar la energía solar que incide sobre ellas y generar a partir de dicha energía una corriente eléctrica.

Una vez definida la configuración o composición de los dispositivos solares que comprende la instalación solar, la potencia obtenida en dicha instalación solar depende en gran medida de la irradiancia incidente sobre los captadores. Uno de los parámetros que afecta en mayor medida a dicha irradiancia es la orientación de los captadores. Otro parámetro que afecta de manera esencial es la suciedad acumulada sobre dichos captadores, puesto que la acumulación de polvo o suciedad disminuye la superficie útil de los captadores produciendo, sobre todo en verano, un descenso considerable del rendimiento de la instalación, lo cual obliga a planificar una limpieza sistemática de los captadores.

Lamentablemente, el efecto sobre el rendimiento de la instalación solar de la suciedad acumulada sobre los captadores no es directamente cuantificable a través de una simple inspección visual, con lo cual no es posible determinar mediante dicha inspección si el descenso de rendimiento de la instalación solar ha alcanzado un valor crítico a partir del cual la inversión destinada a la limpieza de los captadores es inferior al coste asociado al descenso de rendimiento.

Por ello, en muchas instalaciones solares se procede a efectuar una limpieza periódica de los captadores, lo cual implica el riesgo de asumir un gasto en limpieza cuando aún no se ha alcanzado el valor crítico antes mencionado, o bien mantener la instalación solar en funcionamiento a bajo rendimiento durante un período de tiempo.

Existe un método muy preciso de determinar el descenso de rendimiento de una instalación solar. Dicho método comprende efectuar una medición de la potencia obtenida asociada a módulos fotovoltaicos sucios; limpiar dichos módulos; y efectuar una medida de potencia con los módulos limpios. Posteriormente se comparan las dos medidas y se obtiene una estimación del grado de suciedad del módulo. Este método presenta el inconveniente de ser muy laborioso, por lo que es raramente empleado.

El problema técnico que se pretende resolver trata de efectuar, de manera precisa y con coste reducido, una medida del descenso de la potencia generada en una instalación solar debido a la suciedad, para saber si el descenso de potencia ha alcanzado un valor crítico que aconseje proceder a la limpieza de dicha instalación.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La presente invención resuelve el problema técnico planteado, a través de un dispositivo para medir el descenso de la potencia obtenida en una instalación solar. Un segundo objeto de la invención se refiere a una instalación solar que incorpora dicho dispositivo. Un tercer objeto de la invención se refiere a un procedimiento para medir el descenso de la potencia obtenida en dicha instalación solar, empleando el mencionado dispositivo.

El dispositivo de la invención comprende al menos una primera célula fotovoltaica (preferentemente una pluralidad de primeras células fotovoltaicas con un tamaño entre 4 y 8 pulgadas, es decir entre 10 y 15 cm,) dispuestas según un primer módulo fotovoltaico que es mantenido sustancialmente limpio mediante unos medios de limpieza automatizados, así como comprende adicionalmente una segunda célula fotovoltaica (preferentemente una pluralidad de segundas células fotovoltaicas dispuestas según un segundo módulo fotovoltaico). La disposición de un número reducido (por ejemplo, cuatro) de primeras células fotovoltaicas y/o de segundas células fotovoltaicas permite obtener una precisión razonable en las medidas de potencia realizadas, tal como se explicará más adelante, sin elevar sustancialmente los costes ni la complejidad del dispositivo.

La invención prevé la disposición de cualesquiera medios de limpieza automatizados, si bien se prefieren, por su sencillez, un brazo giratorio (a modo por ejemplo de limpiaparabrisas), en cooperación con boquillas que impulsan hacia dichas primeras células una solución limpiadora (preferentemente agua) desde un depósito, a través de una bomba. Unos medios de comando se disponen para controlar el funcionamiento de los medios de limpieza. Dichos medios de comando están adaptados para ordenar la limpieza externa de las primeras células según ciclos programables. Se entiende por limpieza externa de unas células la limpieza de un protector transparente de vidrio o plástico que protege las células.

La instalación solar a la que es aplicable la invención comprende unos captadores, adaptados para captar la radiación solar y, bien transformarla en energía eléctrica, bien transmitirla a un fluido caloportador. La ubicación y las condiciones, tanto de las primeras células como de las segundas células, son representativas del funcionamiento de los captadores. Las segundas células únicamente se limpian de manera eventual, como se explicará más adelante. Los captadores pueden ser de cualquier tipo, tanto de los que son propios de instalaciones solares térmicas como de instalaciones solares fotovoltaicas. Por ejemplo, los captadores pueden ser módulos fotovoltaicos, colectores solares planos, colectores solares cilíndrico-parabólicos, lentes de Fresnel, etc.

De manera preferente, las primeras células son de la misma tecnología que las segundas células, entendiéndose como tal que las primeras células y las segundas células están elaboradas de idénticos materiales (silicio cristalino, silicio amorfo, CIS, GaAs, etc). Adicionalmente, se prefiere que las primeras células sean iguales a las segundas células en el sentido en que, de fábrica, están adaptadas para responder de sustancialmente idéntica manera ante el mismo estímulo. Adicionalmente, se prefiere que las primeras células y las segundas células estén en unas condiciones de vida que permiten una respuesta similar en idénticas condiciones de contorno.

Las primeras y las segundas células fotovoltaicas están conectadas a respectivamente sendas primeras resistencias y segundas resistencias , cuyos valores son, de manera preferente, lo suficientemente bajos como para determinar un funcionamiento de las primeras células y las segundas células sustancialmente coincidente con el punto denominado de cortocircuito, caracterizado porque (dadas una temperatura de la célula y una irradiancia solar) la corriente suministrada por las primeras células y las segundas células tiene una intensidad máxima y una tensión sustancialmente nula. Recordemos que una curva l-V de una célula fotovoltaica representa los pares (I, V) asociados a dicha célula en función de la resistencia conectada a la célula, para una irradiancia solar y una temperatura de la célula determinadas.

Se dispone de un primer voltímetro para determinar el valor de una primera caída de tensión generada (preferiblemente entre 0.4 y 1 .5 voltios) en las primeras resistencias por la corriente de las primeras células. A partir de la relación que existe entre las curvas l-V de una misma célula para diferentes irradiancias y temperaturas, es conocido que la corriente del punto de cortocircuito (obtenida a partir de la tensión según la curva l-V correspondiente) es un valor muy representativo de la potencia generada por la célula, puesto que se trata de magnitudes sustancialmente proporcionales.

Se dispone asimismo de un segundo voltímetro para determinar el valor de una segunda caída de tensión generada (preferiblemente entre 0.4 y 1 .5 voltios) en las segundas resistencias por la corriente de las segundas células, de manera análoga y con la misma base que lo explicado anteriormente para las primeras células. La invención comprende adicionalmente un módulo de control adaptado para recibir las medidas de la primera y la segunda caídas de tensión antes referidas, así como comprende medios de cálculo para comparar los valores de la primera tensión y la segunda tensión y, a partir de dicha comparación, determinar el descenso de potencia, por efecto de la suciedad, en los captadores de la instalación solar, en base a relaciones conocidas u obtenidas entre los funcionamientos de las primeras células, las segundas células y los captadores.

Puesto que, tal como se ha indicado anteriormente, las segundas células son representativas, en cuanto al grado de suciedad y a condiciones de trabajo (tales como irradiancia) de los captadores de la instalación solar, dichas relaciones permiten estimar con gran Habilidad cuál es el rendimiento de la instalación solar.

La invención está adaptada para determinar el descenso de potencia de cualquier instalación solar destinada a la transformación de energía solar, tanto fotovoltaica como termosolar. Asimismo, las primeras células y las segundas células estarán localizadas en una ubicación que permita asumir razonablemente que las condiciones de suciedad, irradiancia, orientación, viento, temperatura, etc. de dichas primeras células y segundas células son sustancialmente las mismas que las de captadores de la instalación solar a los cuales representa.

DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica de la misma, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

Figura 1 .- Muestra una vista esquemática del dispositivo de la

invención.

REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN

A continuación, se expone, con ayuda de la figura 1 adjunta, la descripción de una realización preferente de la instalación para medir el descenso de potencia en una instalación solar (17) fotovoltaica de acuerdo con la presente invención.

A lo largo de la descripción de la realización preferente se emplearán las siguientes referencias numéricas referidas a los elementos que se indican:

1 .- Primeras células

2.- Segundas células

4.- Brazo giratorio limpiador (medios de limpieza)

5.- Captadores de la instalación controlada

6.- Primera resistencia

7.- Segunda resistencia

8.- Primera corriente

9.- Segunda corriente

10.- Primer voltímetro

1 1 .- Segundo voltímetro

12.- Módulo de control

16.- Medios de cálculo

17.- Instalación solar controlada con el dispositivo de la invención

18.- Primer módulo (que comprende las primeras células)

19.- Segundo módulo (que comprende las segundas células)

20.- Medios de comando de los medios de limpieza 21 .- Medios de medición para medir la energía radiante captada por las primeras células y las segundas células.

La suciedad afecta a la radiación solar que llega a las células fotovoltaicas de un módulo fotovoltaico. La mejor manera de cuantificar el efecto de la suciedad sobre el rendimiento del módulo es medir la intensidad de la corriente generada por dicho módulo. Para no introducir errores derivados de cambios en la temperatura del módulo y/o en la intensidad de la radiación, lo más fiable es basar la medida en una comparación de un módulo limpio con un módulo sucio.

Por tanto, el dispositivo de la invención comprende un primer módulo (18) solar fotovoltaico, que incorpora una pluralidad de primeras células (1 ) fotovoltaicas conectadas en serie, y de un segundo módulo (19) solar fotovoltaico, que incorpora una pluralidad de segundas células (2) fotovoltaicas conectadas en serie.

Un número adecuado de células conectadas en serie es preferentemente tal que se pueden limpiar fácil y seguro con un unos medios de limpieza como los que se describirán seguidamente. Un número elevado de células corresponde a un área más grande y siendo así más representativo para los captadores instalados en la instalación. Las primeras células (1 ) se mantienen limpias externamente por medio de unos medios de limpieza automatizados que comprenden unas boquillas (no mostradas) que impulsan hacia las primeras células (1 ) una solución limpiadora (preferentemente agua) desde un depósito (no mostrado), a través de una bomba (no mostrada), así como un brazo (4) giratorio (a modo de limpiaparabrisas) para retirar de la primera célula (1 ) la suciedad junto con la solución limpiadora. Las primeras células (1 ) son idénticas a las segundas células (2). Unos medios de comando (20) se ocupan de controlar el funcionamiento de los medios de limpieza, accionando la bomba y el brazo (4) de acuerdo con ciclos programables. La instalación solar (17) fotovoltaica a la que se aplica la invención, comprende captadores (5), donde la orientación, la temperatura y condiciones de viento a las que se ven expuestos las segundas células (2) son sustancialmente iguales a las de los captadores (5). De este modo, se consigue que las segundas células (2) sean representativas de los captadores (5). Las primeras células (1 ) y las segundas células (2) son de la misma tecnología, fabricante, tipo y tamaño.

La limpieza externa automatizada de las primeras células (1 ) se realiza con una periodicidad que depende de la ubicación y condiciones particulares de la instalación solar (17). Dependiendo del caso, bastará con realizar una limpieza diaria a primera hora de la mañana o serán necesarias varias limpiezas a lo largo del día.

Las primeras células (1 ) y las segundas células (2) están conectadas respectivamente a una primera resistencia (6) y a una segunda resistencia (7) de valores suficientemente bajos (preferentemente iguales) como para que una primera corriente (8) y una segunda corriente (9) producidas respectivamente por dichas primeras células (1 ) y segundas células (2) tengan una primera intensidad y una segunda intensidad cercanas a la de cortocircuito, así como una primera tensión y una segunda tensión sustancialmente nulas.

A modo de ejemplo, la primera resistencia (6) y la segunda resistencia (7) pueden tener valores en torno a 10 mQ.

Un primer voltímetro (10), conectado a las primeras células (1 ) y a la primera resistencia (6), sirve para medir periódicamente el valor de la primera tensión. Análogamente, un segundo voltímetro (1 1 ), conectado a las segundas células (2) y a la segunda resistencia (7), sirve para medir periódicamente el valor de la segunda tensión. Dado que las células empleadas darán una corriente en el rango de 4 a 15 amperios aproximadamente, y asumiendo que se utilizará una resistencia de 0.01 ohmios, la primera tensión y la segunda tensión estarán aproximadamente entre 0.4 y 1 .5 voltios. El dispositivo incorpora adicionalmente un módulo de control (12), conectado a una fuente de alimentación (no mostrada), para recibir periódicamente las medidas efectuadas por el primer voltímetro (10) y por el segundo voltímetro (1 1 ). En unos medios de cálculo (16), también pertenecientes al módulo de control (12), se establece una comparación entre la primera tensión y la segunda tensión y, a partir de dicha comparación, se estima el porcentaje de pérdida de potencia de la instalación solar (17) producido por efecto de la suciedad.

Una primera estimación de la pérdida de potencia puede ser obtenido a partir del cociente C de la segunda tensión entre la primera tensión, en concreto, el valor en tanto por uno de dicha pérdida de potencia sería 1 - C con una precisión aceptable.

Cuando el valor de la pérdida de potencia estimado en la instalación solar (17) alcanza un umbral previamente establecido, la unidad de control (12) indica la necesidad de limpiar los captadores (5), así como dicha unidad de control emite un mensaje para que también se proceda a la limpieza de las segundas células (2). Un equipo de mantenimiento se encarga usualmente de la limpieza de los captadores (5) y de las segundas células (2).

Se contempla la posibilidad de que la instalación solar (17) sea una instalación fotovoltaica, con lo cual los captadores (5) comprenderían terceras células (5) fotovoltaicas. Asimismo, las terceras células (5) serían preferentemente iguales (en el sentido que se ha explicado anteriormente) a las primeras células (1 ) y a las segundas células (2). El módulo de control (12) puede preferentemente estar materializado en forma de un PLC (12) que comprende tanto elementos (hardware) como instrucciones (software) adaptados para recibir los valores de la primera tensión y la segunda tensión, ejecutar los cálculos y comparaciones necesarios y, en su caso, devolver los valores calculados y las señales oportunas de limpieza o no limpieza. Asimismo, de manera preferente, el primer voltímetro (10), el segundo voltímetro (1 1 ) y, opcionalmente los medios de comando (20) están incorporados en el propio PLC (12).

Después de una fuerte lluvia o tras la mencionada limpieza de los captadores (5) y de las segundas células (2), se puede calibrar la desviación entre las primeras células (1 ) y las segundas células (2), dado que ambas deberían dar la misma señal cuando estén limpias, en el caso de que se trate de células (1 , 2) iguales. Si no dan sustancialmente la misma señal, puede ser síntoma de alguna anomalía en las células (1 , 2), que habrá que considerar y actuar en consecuencia. Justo después de la limpieza la relación entre las señales debería ser siempre igual, por ejemplo la primer célula da 4.2 A a 1000 W/m ² y la segunda célula da 4.1 A a 1000 W/m ² . Si esta relación cambia, es síntoma de que hay algún problema.

Las ventajas de este método son que la señal medida cuantifica de manera muy precisa, teniendo en cuenta la sencillez del dispositivo empleado, las pérdidas por suciedad en una instalación solar. Además, se puede acceder a los datos de las mediciones por control remoto a través de una conexión Internet. El mantenimiento del equipo es mínimo dado que posibles fallos se detectan fácilmente mediante la comparación de las dos señales después de la lluvia o limpieza. De este modo, no resulta necesario establecer un mantenimiento preventivo programado exhaustivo, puesto que la comparación de la relación real entre las dos señales con la relación que deberían tener en condiciones de correcto funcionamiento permite prever una posible avería y actuar en consecuencia. Con el objeto de dotar la estimación de la pérdida de potencia de aún una mayor precisión, se propone, el siguiente procedimiento adicional: - efectuar una limpieza de las segundas células (2) y los captadores

(5);

- realizar durante un número a determinar de períodos de tiempo consecutivos (por ejemplo, treinta días) siguientes a la limpieza, las siguientes acciones:

a) determinar la producción energética de la planta, P, por ejemplo leyendo dicha producción de un registro o contador asociado a la planta; y b) empleando unos medios de medición (21 ) de la radiación, conectados a las primeras células (1 ) y a las segundas células (2), determinar la energía radiante total Gi y G ₂ , respectivamente, captadas por dichas primeras células (1 ) y segundas células (2), con la condición adicional opcional de que para el cálculo de G ₁ y G ₂ solo se tienen en cuenta los intervalos de tiempo en que la irradiancia que incide sobre las primeras células (1 ) y las segundas células (2) es superior a un determinado valor umbral que permite una transformación razonable de la energía asociada a dicha irradiancia;

- determinar, a partir de los datos obtenidos anteriormente para G ₁ , G ₂ y P, de cada período (por ejemplo, de cada día) los coeficientes A y B en la recta de regresión Y = A ^* X + B, donde:

X representa G ₂ /Gi , e

Y representa P/G ₁ .

De manera opcional, se puede adicionalmente efectuar una representación gráfica de los valores G ₁ , G ₂ y de la recta de regresión lineal Y = A ^* X +B.

Para cada par de medidas de primera tensión y segunda tensión, los medios de cálculo (16) del módulo de control (12) calcularán, a partir de los coeficientes A y B, el valor Y correspondiente para un valor X igual al cociente C entre la primera tensión y la segunda tensión. A partir del valor Y, el módulo de control devolverá una estimación de la pérdida de potencia en tanto por uno igual a 1 - Y, que es más precisa que la estimación 1 -C anteriormente propuesta.