| WO/2005/091485 | INVERTER SYSTEM |
| JP63237327 | SYSTEM LINKING DEVICE FOR DECENTRALIZED TYPE POWER SUPPLY |
| JP2003346671 | ELECTRON GUN |
ALMANSA LEANDREZ, Jose Alfonso (C/ Julian Camarillo, 59Blq. C 3, Pta 48 Madrid, E-28037, ES)
SANZ LANDIVAR, Oscar (C/ Lisboa, 6Portal, 3° A Leganes, E-28917, ES)
DIEZ-HOCHLEITNER RUIZ, Alfredo (C/ Algabeño, 100, Madrid, E-28043, ES)
VEGA BETORET, Alejandro (C/ Jose Maria Peman 51, Algete, E-28110, ES)
ALMANSA LEANDREZ, Jose Alfonso (C/ Julian Camarillo, 59Blq. C 3, Pta 48 Madrid, E-28037, ES)
SANZ LANDIVAR, Oscar (C/ Lisboa, 6Portal, 3° A Leganes, E-28917, ES)
DIEZ-HOCHLEITNER RUIZ, Alfredo (C/ Algabeño, 100, Madrid, E-28043, ES)
| Reivindicaciones 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 (H-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 (H-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 (M-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 (BI-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 (BI-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 (BI-Bn), respecto a Ia salida del generador fotovoltaico adicional (Ga1-Gan) al que pertenecen y respecto a las entradas de dichos inversores (M-In)1 con el fin de suministrarles una potencia adicional que es función del número de bloques (BI-Bn) conectados y menor a Ia suministrada por los generadores fotovoltaicos principales (Gp1-Gpn). 2.- Sistema según Ia reivindicación 1 , caracterizado porque Ia salida de cada uno de dichos generadores fotovoltaicos adicionales (Ga1-Gan) está conectada a Ia salida de uno respectivo de dichos generadores fotovoltaicos (Gp1-Gpn) que obran como generadores principales. 3.- Sistema según Ia reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque cada uno de dichos bloques generadores fotovoltaicos (BI-Bn) está adaptado para suministrar aproximadamente entre un 0,1% y un 10% de Ia potencia máxima que admite cada inversor (M-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 Ia potencia máxima que admite cada inversor (M-In). 5.- Sistema según Ia 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 Ia 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 Ia 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 Ia 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 (H-In), de cada generador fotovoltaico (Gp1-Gpn, Ga1-Gan) y de cada bloque generador fotovoltaico (BI-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 Ia 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 Ia entrada de dicho inversor determinado, para suministrarle una potencia base o principal, y - conectar además a Ia entrada de dicho inversor determinado al menos un generador fotovoltaico adicional, para suministrar una potencia adicional, sin llegar a Ia potencia máxima de entrada de cada inversor, representativa de un ajuste fino, de manera complementaria a dicha potencia principal. 12.- Método según Ia 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 Ia 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 Ia reivindicación 12, caracterizado porque comprende llevar a cabo dicha desconexión selectiva, para dicho inversor determinado, mediante Ia realización de Ia siguiente etapa: - desconectar de Ia salida de dicho generador fotovoltaico adicional uno o más de dichos bloques generadores fotovoltaicos adicionales, y de Ia siguiente etapa si es necesario: - desconectar de Ia entrada de dicho inversor determinado al menos Ia 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 Ia 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 Ia 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 Ia zona donde está instalada Ia planta de generadores fotovoltaicos y de dichos datos reales históricos medidos anteriormente. 16.- Método según Ia 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 Ia 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 Ia reivindicación 15 ó 16, caracterizado porque comprende detectar Ia 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 Ia potencia cuyo valor teórico representa dicha consigna. 19.- Método según Ia reivindicación 15 ó 16, caracterizado porque comprende compensar las diferencias entre Ia potencia real inyectada a cada inversor y Ia teórica relativa a Ia consigna aplicada, mediante Ia conexión/desconexión de uno o más de dichos bloques generadores fotovoltaicos. |
Sector de Ia técnica
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 Ia conmutación de diferentes generadores fotovoltaicos respecto a una serie de inversores, con el fin de optimizar el rendimiento de los inversores.
Estado de Ia técnica anterior Son conocidas instalaciones fotovoltaicas que incluyen una pluralidad de generadores fotovoltaicos con sus salidas conectadas a unos respectivos inversores para convertir Ia energía generada en alterna y, por ejemplo, suministrarla, de manera sincronizada, a Ia red eléctrica.
En función de Ia hora del día, Ia ubicación geográfica, Ia fecha, el tiempo, etc., en muchas ocasiones Ia incidencia del sol sobre los paneles de dichos generadores fotovoltaicos es baja o muy baja, por Io que Ia eficiencia en el rendimiento de dichos inversores también baja. En algunos casos Ia 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 Ia técnica se han propuesto diferentes alternativas encaminadas a Ia optimización de energía en generadores fotovoltaicos, y basadas en Ia conmutación de los mismos respecto a los citados inversores, o en Ia inclusión de generadores adicionales de otra índole, es decir, no fotovoltaicos, con el fin de asegurar el suministro de energía. Por Ia 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 Ia 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 Ia producción de energía. Cuando Ia energía generada por los paneles solares es muy baja o inexistente (por ejemplo por Ia 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 Ia generación de energía. La conmutación puede ser manual o automática (por ejemplo el sistema puede estar programado para conectarse a horas en que Ia 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 Ia 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 Ia energía de salida por debajo de los requerimientos mínimos del inversor) y Ia conectan a otro de los inversores. Para otros ejemplos de realización se incluye una unidad de control que monitoriza Ia 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 Ia 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 Ia 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 Ia mencionada condición.
Tanto en Ia patente JP2002073184 como en Ia 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 Ia que Ie 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.
Explicación de Ia invención
Los presentes inventores consideran necesario ofrecer una alternativa al estado de Ia técnica, representado por las patentes citadas, que permita optimizar Ia energía en generadores fotovoltaicos, y en concreto optimizar Ia 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 Ia principal. Con tal fin Ia 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 Ia 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 Ia 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 Ia 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 Ia suministrada por los generadores fotovoltaicos principales. En el sistema propuesto por el primer aspecto de Ia 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 Io 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. 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 Ia 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 Ia realización de las siguientes etapas, de manera secuencial: - conectar Ia salida de cómo mínimo un generador fotovoltaico principal, formado por un conjunto de paneles fotovoltaicos de un primer tipo, a Ia entrada de dicho inversor determinado, para suministrarle una potencia base o principal, y
- conectar además a Ia entrada de dicho inversor determinado como mínimo un generador fotovoltaico adicional, para suministrar una potencia adicional, sin llegar a Ia 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 Ia mencionada potencia adicional sea variable en función de las necesidades del inversor al cual se Ie 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 Ia 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, Ia variación de Ia potencia de salida de cada generador fotovoltaico adicional se llevará a cabo de otra manera distinta a Ia 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 Io que se refiere a Ia mencionada desconexión selectiva, el método comprende llevarla a cabo, para dicho u otro inversor determinado, mediante Ia realización de Ia siguiente etapa:
- desconectar de Ia salida de dicho generador fotovoltaico adicional uno o más de dichos bloques generadores fotovoltaicos adicionales, con el fin de disminuir un poco
Ia potencia adicional suministrada, y de Ia siguiente etapa si es necesario: - desconectar de Ia entrada de dicho inversor determinado al menos Ia salida de dicho generador fotovoltaico principal, con el fin de no suministrarle ninguna potencia principal, tras haberle retirado previamente también Ia potencia adicional.
En un apartado posterior se describirán ejemplos de realización referentes tanto a Ia conexión como a Ia 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 Ia 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 Io que se refiere a los mencionados parámetros operativos, se contemplan los siguientes para aplicar el método propuesto: temperatura, de Ia 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 Ia 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 Ia velocidad del viento, Ia 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 Ia 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 Ia zona donde está instalada Ia 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 Ia 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 Ia 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 Ia 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 Ia 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 Ia 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 Ia potencia inyectada a los mismos.
En cualquier caso tales consignas, que establecen qué selección de conexiones/desconexiones realizar para cada caso, son teóricas, por Io que Ia estimación de potencia a inyectar realizando las selecciones preestablecidas puede ser errónea o no completamente adecuada para Ia situación real. Es por ello que el método comprende compensar las diferencias entre Ia potencia real inyectada a cada inversor y Ia teórica relativa a Ia consigna aplicada, mediante Ia 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.
Breve descripción de los dibujos
Las anteriores y otras ventajas y características se comprenderán más plenamente a partir de Ia 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: Ia Fig. 1 es una representación esquemática de una planta o instalación fotovoltaica convencional, conectada a Ia red eléctrica;
Ia 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
Ia Fig. 3 muestra de manera esquemática los medios de control incluidos en el sistema propuesto por el primer aspecto de Ia 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.
Descripción detallada de unos ejemplos de realización
Haciendo en primer lugar referencia a Ia 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 Ia interconexión en serie y paralelo de un determinado número de módulos fotovoltaicos encargados de captar Ia luz del sol y transformarla en energía eléctrica, generando corriente continua proporcional a Ia irradiación solar recibida, y que se encuentran instalados sobre estructuras o seguidores solares.
- Inversores: dispositivos electrónicos, basados en electrónica de potencia, encargados de convertir Ia energía (corriente/tensión) continua en energía
(corriente/tensión) alterna con características idóneas para poderla verter a Ia red, pudiendo de esta manera, Ia instalación fotovoltaica, operar en paralelo con Ia red eléctrica R. En Ia Fig. 1 se han indicado n inversores mediante las referencias 11... In.
- Protecciones: esta parte constituye una configuración de elementos (referenciados en bloque como CT en Ia Fig. 1) que actúan como interfaz de conexión entre Ia instalación fotovoltaica y Ia red R en condiciones de seguridad, tanto para personas como para los componentes que configuran. Ia instalación fotovoltaica.
El sistema de optimización propuesto por Ia presente invención, de acuerdo a un ejemplo de realización se ilustra en detalle en Ia 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 H-In, de forma en sí conocida. En el caso ilustrado cada generador principal Gp1-Gpn se puede conectar a uno de dos inversores M-In 1 el primero Gp1 al inversor 11 o al 12, el segundo Gp2 al 12 o 13, 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 BI-Bn 1 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 BI-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 Gal se encuentra conectada únicamente Ia salida del primer bloque generador B1 a Ia salida del propio generador adicional Gal , en el segundo Ga2 las salidas de los dos primeros bloques B1 y B2 a Ia salida del propio generador Ga2 , y en el resto no se encuentra conectado ningún bloque.
En general, el número de bloques generadores BI-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 Ia 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 Ia Fig. 3 para un ejemplo de realización. Siguiendo con dicha Fig. 2, en ella puede apreciarse cómo Ia salida de cada uno de los generadores fotovoltaicos adicionales Ga1-Gan está conectada a Ia salida de uno respectivo de dichos generadores fotovoltaicos principales Gp1-Gpn, por Io que al actuar los primeros medios de conmutación Sw1 para conectar, por ejemplo, el primer generador principal Gp1 , también se producirá Ia conexión del primer generador adicional Gal con el mismo inversor al que se haya conectado el principal Gp1 , en este caso (Fig. 2) con el inversor 12.
Para otro ejemplo de realización, no ilustrado, se contempla conectar Ia salida de los generadores adicionales Ga1-Gan a los inversores M-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 BI-Bn está adaptado para suministrar aproximadamente entre un 0,1% y un 10% de Ia potencia máxima que admite cada inversor M-In (teniendo en cuenta las tolerancias), una vez aplicadas las correspondientes pérdidas al sistema (Temperatura, cableado, reflexión, sombras, orientación, inclinación, suciedad, etc.).
Por Io 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 Ia potencia máxima que admite cada inversor M-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 Ia nominal del inversor (ejemplo 116KW para un inversor de 100KW). Estos 16KW 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, Ia potencia especificada del modulo solar (ejemplo un modulo de 175W) es Ia potencia para condiciones óptimas de irradiación incidente y, por consiguiente, Ia potencia calculada para un inversor depende de Ia irradiación incidente (Ia irradiación puede disminuir por nubosidad, etc.), es decir, que si, por ejemplo, los inversores M-In aceptan una potencia de entrada máxima de 100KW y cada uno de ellos se encuentra conectado a un generador principal Gp1-Gpn de 116KW (100KW + 16KW estimados para pérdidas), únicamente en meses de verano y durante "pocas horas" (junio, julio, agosto) el generador principal Gp1-Gpn inyectará los 100KW en el inversor M-In. En el caso contrario, en invierno, Ia potencia que inyectará el generador principal Gp1-Gpn al inversor M-In podría ser, por ejemplo, de unos 80KW durante unas "pocas horas". El resto de horas Ia potencia a inyectar del generador al inversor es menor. Mediante el sistema de optimización propuesto por Ia presente invención, y en particular mediante los generadores adicionales Ga1-Gan, responsables de Ia 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, Ia potencia inyectada en el inversor M-In que se mantiene operativo,. En general, el conjunto de bloques BI-Bn de cada generador adicional Ga1-Gan está diseñado para suministrar una potencia de hasta el 40% (despreciando las pérdidas) de Ia potencia máxima admitida por cada inversor M-In. Por ejemplo, para el mencionado caso de utilización de inversores de 10OkW de potencia de entrada máxima, y de módulos solares de 175W, se contempla Ia 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 3,15KW.
Cuanta menos irradiación incidente más series o bloques BI-Bn de los generadores adicionales Ga1-Gan son conectados con el fin de mantener, según Ia Fig. 2 en Ia salida común de un generador principal y de uno adicional, una potencia constante de 100KW durante el máximo numero de horas. Para un ejemplo de realización preferido, los diferentes bloques BI-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 Io que anteriormente se ha indicado como conjunto de paneles fotovoltaicos de un primer tipo hace referencia en este caso a dichas agrupaciones, y Io 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 Ia potencia a inyectar a cada inversor es muy alta, y b) Conmutaciones de series de paneles solares BI-Bn, cuando se pretende realizar un ajuste fino de Ia potencia óptima a inyectar en cada inversor. Mediante Ia conmutación de dichas series o bloques BI-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 H-In.
En Ia 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 Ia 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, Ia conmutación de bloques BI-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 Ia función de agrupar toda Ia corriente eléctrica que Ie 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 Ia conmutación entre los generadores principales Gp1- Gpn y los inversores M-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 Ia invención descrito con anterioridad.
Siguiendo con Ia descripción de dicha Fig. 3, para un ejemplo de realización, los autómatas esclavos y el maestro realizan las siguientes funciones, en tiempo real:
A) Autómatas Esclavos:
• 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 1 o , se consiga Ia posición tanto azimutal como cenital óptima para obtener Ia máxima potencia de los paneles fotovoltaicos. • Medición de las intensidades y tensiones de cada una de las series de paneles, tanto del conjunto de series que conforman Ia potencia base (Gp1-Gpn) como de Ia potencia fina (Ga1-Gan).
• Comunicación con el autómata maestro todos los datos medidos.
• Actuación sobre Ia matriz de conmutación de los bloques BI-Bn de los generadores adicionales Ga1-Gan, bajo petición del autómata o PLC maestro, a través de los segundos medios de conmutación Sw2.
B) Autómata maestro
> Está midiendo y calculando Ia Irradiación instantánea real. " Está midiendo Ia temperatura real de Ia planta.
• Está midiendo Ia velocidad del viento.
• Está midiendo los parámetros de tensiones, intensidades y potencias de cada inversor.
• Actúa sobre una matriz de conmutación para inyectar tanto Ia potencia base como Ia 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: • Históricos de curvas de irradiación minutal anual.
• Históricos de temperaturas medias horarias anuales.
• Curva de máxima eficiencia del inversor.
En el sistema propuesto por Ia 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, Ia provinente de los generadores principales Gp1-Gpn, como de potencia fina o adicional, es decir, Ia provinente de los bloques BI-Bn de los generadores adicionales Ga1-Gan, a uno o varios inversores H-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 Ia invención, pero como mínimo permite derivar cada generador principal
Gp1-Gpn a al menos dos inversores y conectar/desconectar al menos un bloque BI-Bn de potencia adicional. Tal es el caso ilustrado por Ia Fig. 2, anteriormente descrita.
Según un ejemplo de realización de utilización del sistema propuesto según el método del segundo aspecto de Ia 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 M-In, manteniendo al resto de inversores desconectados. Supuesta una planta de 1 MWn formada por diez inversores de 100 KWn, el sistema inyectaría toda Ia producción esperada en solo cinco inversores, desconectando los otros cinco (caso de conmutación a dos inversores, tal como se ilustra en Ia Fig. 2). b.) Conforme amanece, los distintos generadores fotovoltaicos o FV, Gp1-Gpn y Ga1-Gan, comienzan a inyectar Ia 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 Ia potencia total inyectada a cada inversor llega al punto óptimo de potencia nominal para Ia desconexión (distinto al punto óptimo de potencia nominal del inversor que suele estar especificado en torno al 50% de carga), obtenido a través de Ia aplicación de unos algoritmos matemáticos sobre Ia curva de rendimiento del inversor y teniendo en cuenta el número de inversores que intervienen en Ia propia conmutación. Una vez alcanzado ese valor los medios de control actúan sobre Ia matriz de conmutación, en concreto sobre los primeros medios de conmutación Sw1 , y conectan a cada inversor M-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 H-In en un rango óptimo de rendimiento, minimizando las pérdidas de potencia debidas al propio rendimiento del inversor. c.) Conforme avanza el día, Ia 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 H-In. Cuando dichas corrientes llegan al
100% del valor máximo admitido por el inversor o Ia potencia total suministrada alcanza Ia potencia límite de entrada del inversor, los medios de control comienzan a desconectar secuencialmente tantos bloques generadores adicionales BI-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 Io largo de las horas de máxima radiación solar, de tal forma que en función de Ia radiación solar real, de Ia temperatura y de Ia nubosidad puntual los medios de control están conectando y desconectando en tiempo real el conjunto de bloques de potencia fina BI-Bn necesarios para mantener en todo momento Ia 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 Ia potencia que está siendo inyectada a cada inversor M-In baja por debajo del punto óptimo de potencia nominal para Ia conmutación, calculada de igual manera que el punto óptimo de potencia nominal para Ia desconexión, los medios de control cambian
Ia matriz de conmutación para que Ia potencia generada se inyecte sobre Ia mitad de los inversores (caso de conmutación a 2), desconectando los inversores que no trabajan, actuando sobre los primeros medios de conmutación SwI Aunque en toda Ia descripción anterior se ha hecho mención a Ia potencia de entrada de cada inversor M-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 Ia presente invención toman también como referencia Ia corriente de entrada de cada inversor M-In para el mismo fin, es decir, para controlar las diferentes conmutaciones, impidiendo sobrepasar Ia máxima admisible por inversor.
Mediante el sistema y el método propuestos por Ia presente invención se consigue aprovechar con mayor eficiencia Ia irradiación solar incidente durante todo el año, adquiriendo Ia 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 1 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 Ia materia podría introducir cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos sin salirse del alcance de Ia invención según está definido en las reivindicaciones adjuntas.
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