Novedades tecnológicas en la conexión a la Red de sistemas fotovoltaicos

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Juan Antonio Toledo Ávila
hace 6 años
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1 Taller Internacional: ELECTRIFICACIÓN CON FUENTES RENOVABLES A GRAN ESCALA PARA LA POBLACIÓN RURAL IBEROAMERICANA Cochabamba, Bolivia 30 julio 2009 Novedades tecnológicas en la conexión a la Red de sistemas fotovoltaicos Estefanía Caamaño, Ricardo Orduz, Daniel Masa, Miguel A. Egido Instituto de Energía Solar Universidad Politécnica de Madrid

2 Situación actual de la tecnología de inversores Arquitectura de conexionado distribuida: Módulos Gestión de la demanda

3 Ejemplo, curva real de generador fv: Generador fotovoltaico N S =18; N P = 1 IV = 1371 W I SCG = 6,4 A V OCG = 310,9 V P MG = W

4 Evolución de los inversores conectados a la red

5 Topologías de los inversores conectados a la red

6 Ejemplos Inversor central ( kw) Inversores string ( 5 kw) Inversores módulo AC (240 W)

7 Arquitectura de conexionado distribuida Ventajas Mejor optimización de cada módulo Aumenta la fiabilidad debido a la redundancia de equipos Mejor monitorización, y por tanto mejor control Posibilidad de mezclar módulos de diferentes tecnologías, tamaños y potencias en un mismo sistema fotovoltaico Inconvenientes Temperatura de trabajo Modulos AC: vigilancia de red Coste del ciclo de vida del producto

8 Módulos Diferente tamaño (potencia) Inclinación y orientación Sombras o suciedad Oeste Sur Este

9 Caracterización módulos c V I m 2 = M(D) C m

10 ia y Tecnología para el Desarrollo Estudio de comportamiento Parámetros más influyentes: Limitación de operación a la máxima relación de conversión de los convertidores. I V 1 i O M(D) i = Ii Vi CONV M ( D) MAX VO Ii V max( I) i CONV Voltaje impuesto por el inversor VO V ( n-1) M( D) MAX Característica I-V del módulo y funcionamiento de los diodos de paso

11 ia y Tecnología para el Desarrollo Estudio de comportamiento Sombreamiento progresivo: Influencia de la característica I-V del módulo sobre la configuración y funcionamiento de los diodos de paso. MPP MPP Desacoplamiento cero: Sombra > 60% de área cubierta sobre cualquier célula.

12 ia y Tecnología para el Desarrollo Procedimiento de Ensayos V M1 I M1 =f(v shunt ) + + V O1 M 1 I M1 =f(v shunt ) V M2 GIE V O2 N V V V O INV Oi i 1 M 2 I M2 =f(v shunt ) + V M3 GIE 2 + V O =V INV + SB 700 Red V O3 V INV = Cte M 3 I M3 =f(v shunt ) V M4 GIE V O4 M 4 I M4 =f(v shunt ) GIE 4

13 ia y Tecnología para el Desarrollo Ensayos Máxima potencia extraída por los convertidores con módulos sombreados PUNCTUAL SHADING OF FOUR CASCADE CONVERTERS : COMPARATIVE BETWEEN P-V CURVE OF PV GENERATOR AND INPUT POWER OF CONVERTERS PUNCTUAL SHADING IN PV MODULES INPUT SYSTEM OUTPUT OF CONVERTERS CONDITIONS Tc M 1 M 2 M 3 M 4 I-V CURVE CONVERTERS (ºC) W/m 2 D1 D2 D1 D2 D2 D1 V (V) I (A) P (W) V (V) I (A) P (W) V (V) M(D)v V (V) M(D)v V (V) M(D)v V (V) M(D)v % 64,9 2, ,4 3, % 23,3 1,4 27,2 1,8 28,1 1,8 26,7 1, % 54,1 3, ,2 2, % 20,3 1,2 28,3 1,8 28,8 1,8 27,7 1, % 54,4 3, ,7 2, % 18,5 1,1 28,8 1,9 30,1 1,9 28,2 1, % 54,0 3, ,0 3, % 15,7 1,0 30,1 1,9 30,6 1,9 29,0 1, % 52,4 3, ,9 3, % 11,9 1,8 31,1 2,0 31,9 2,0 30,1 1, % 45% 55,7 3, ,4 3, % 26,2 1,6 21,1 1,3 29,4 2,0 28,1 1, % 45% 64,6 2, ,8 3, % 24,3 1,5 21,2 1,3 30,3 2,1 29,0 2, % 50% 42,1 3, ,4 2, % 23,3 1,4 20,4 1,2 31,6 2,1 29,7 2, % 70% 43,0 3, ,2 3, % 22,6 1,3 13,8 1,9 35,3 2,3 33,4 2, % 70% 42,8 3, ,8 3, % 14,9 2,1 15,3 2,2 38,6 2,5 36,4 2, % 100% 58,1 3, ,7 3, % 10,9 1,4 31,6 2,0 32,3 2,0 30,3 1, % 100% 40,8 3, ,9 3, % 9,3 1,3 31,9 2,2 32,9 2,2 31,3 2, % 100% 43,3 3, ,1 3, % 7,9 1,1 32,6 2,1 31,8 2,0 31,3 2, % 100% 44,4 3, ,6 3, % 1,4 0,6 34,5 2,2 35,7 2,2 33,6 2, % 100% 100% 35% 48,3 2, ,5 3, % 12,7 1,8 13,6 1,8 40,2 2,5 38,6 2, % 100% 100% 30% 50,3 2, ,7 3, % 11,9 1,5 14,2 1,9 40,6 2,4 38,2 2, % 50% 60% 100% 25,2 3, ,9 2, % 12,2 1,7 10,2 1,4 41,4 2,5 41,4 2, % 35% 20% 25% 67,0 2, ,7 3, % 24,8 1,5 25,0 1,5 29,4 1,8 26,2 1, % 25% 40% 50% 68,4 2, ,4 2, % 25,4 1,6 31,0 1,9 26,9 1,6 22,1 1,3 Fm

Energía [ MWh ] ia y Tecnología para el Desarrollo Simulación energética de convertidores e inversores convencionales en un sistema fotovoltaico real: La Pérgola Fotovoltaica del Palacio de la

PLANT A 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.

14 Energía [ MWh ] ia y Tecnología para el Desarrollo Simulación energética de convertidores e inversores convencionales en un sistema fotovoltaico real: La Pérgola Fotovoltaica del Palacio de la Moncloa Comparativa de la energía anual producida por el generador fotovoltaico en la pérgola de la Moncloa usando convertidores y un Inversor convencional Convertidores - PLANTA A GENERADOR FV - PLANT A º 12,6 º 7,6º 2,6º Convertidores - PLANTA B GENERADOR FV - PLANT B º º SUR (0º) ESTE (-90º) -124º Energía Anual generador FV (kwh) Inversor CAMPO A CAMPO B CAMPO A CAMPO B Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic TOTAL Fm 16% 18% Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

15 Productos comerciales

16 SISTEMAS FOTOVOLTAICOS HÍBRIDOS PARA LA GESTIÓN DE LA DEMANDA ELÉCTRICA Sistemas FV híbridos: Conexión a red + Acumulación (+ Generador auxiliar) Gestión de cargas eléctricas (electrodomésticos, climatización, ) GESTIÓN ACTIVA DE LA DEMANDA CON TECNOLOGÍAS RENOVABLES

17 MODO DE FUNCIONAMIENTO CONECTADO A RED P RED P FV P L Fotovoltaica atiende (suministra potencia) a: 1º Consumos, Baterías, 2º Red Carga de baterías de fotovoltaica o red Producción fotovoltaica óptima (seguimiento PmP) P BAT MODO DE FUNCIONAMIENTO AISLADO P FV Conmutación del contactor de red muy rápida: ~ 30 ms Inversor de baterías controla la microrred (fuente de tensión, control de los inversores fotovoltaicos mediante la frecuencia) Posibilidad de definir líneas de consumo prioritarias P L P BAT

18 EJEMPLO: magic BOX (IES-ETSIT, UPM)

19 ia y Tecnología para el Desarrollo Estación meteorológica

20 Inversores, Contactores, Baterías Data-logger

21 Generadores fv: 7 kwp Inversores string : 7.7 kw Inversor de batería: 5 kw Acumulación útil: 43 kwh Rama 1 β = 12,5º 1650 W p Rama 2 β = 12,5º 1650 W p Rama 3 β = 25º 1540 W p Sunny Boy 1700 W Sunny Boy 1700 W Sunny Boy 1700 W Bus AC (AS box) Sunny Back-up 5000 W Sunny Boy 1700 W Sunny Boy 1100 W Sunny Boy 700 W 48 VDC 1500 Ah Rama 4 β = 25º 1540 Wp Rama 5 β = 39º 880 Wp Rama 6 β = 90º 900 Wp Estación Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología Meteorológica para el Desarrollo Data-logger (Sunny Web Box)

22 ia y Tecnología para el Desarrollo Electrodomésticos controlables

23 Potencia (kw) DÍA 1: Conexión a red convencional, Sin uso de baterías, Consumos día solar Fotovoltaica Baterías Red Consumos 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:01 22:01 23:01 Hora F otovoltaica Baterías C onsumos R ed kwh kwh kwh kwh P RED P FV P L Consumo en horas de generación fotovoltaica Optimizado el uso de la energía solar Fotovoltaica > Consumos red Exportación neta a la P BAT =0

24 Potencia (kw) DÍA 2: Descarga de baterías (1 kw neto) durante 8 h, Consumos tarde-noche Fotovoltaica Baterías Red Consumos -8 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:01 22:01 23:01 Hora F otovoltaica B aterías C ons umos R ed kwh kwh kwh kwh P RED P FV P L Consumos en periodo de poca-nula generación optimizado el uso de la energía solar Descarga de batería de larga duración: permite compensar la demanda de consumos no gestionados No P BAT

25 Potencia (kw) DÍA 3: Descarga de baterías (1kW neto) durante 1,5 h., Consumos diurnos 6 6 Fotovoltaica 4 4 Baterías Red 2 2 Consumos :00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 16:00 07:00 08:00 16:1509:00 16:30 10:00 11:00 16:45 12:00 13:00 17:0014:00 17:15 15:00 16:00 17:3017:00 17:45 18:00 19:00 18:00 20:00 21:01 22:01 23:01 F otovoltaica B aterías C ons umos R ed kwh kwh kwh kwh Consumos en periodos de generación la energía solar -6 Hora Optimizado el uso de Descarga de batería de corta duración: permite compensar la variabilidad de la radiación solar en el suministro a las cargas (Gestión Activa de la Demanda) P RED P FV P L P BAT

26 Conclusiones La mejora en la eficiencia de los inversores ha llegado prácticamente al máximo. El interés ahora está en nuevas topologías que minimicen las pèrdidas La arquitectura de conexionado distribuida permite más grados de libertad al diseñador de sistemas fotovoltaicos, en especial, en la integración en edificios La inclusión de almacenamiento en los sistemas conectados a la red permite gestionar la procedencia de la electricidad para el suministro de la demanda

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