UNIVERSIDAD POLITCNICA DE MADRID INSTITUTO DE ENERGA SOLAR DEPARTAMENTO DE ELECTRNICA FSICA ESCUELA TCNICA SUPERIOR DEINGENIEROS DE TELECOMUNICACIN TESIS DOCTORAL CONTRIBUCIN A LOS SISTEMASDE CONTROL DE POTENCIA MICRO-DISTRIBUIDA EN EDIFICIOS FOTOVOLTAICOS AUTOR:D. RICARDO ORDUZ MARZAL INGENIERO ELECTRNICO UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID DIRECTOR:D. MIGUEL ANGEL EGIDO AGUILERA INGENIERO DE TELECOMUNICACIN PROFESOR TITULAR DE LA E.T.S.I. TELECOMUNICACIN MADRID, JULIO DE 2009 A mis padres y hermanos,Por su apoyo y valioso ejemplo de superacin A Isabel,Por su cario y paciencia infinita A mis familiares y amigos,Que tuvieron siempre una palabra de nimo y optimismo Agradecimientos Quieroagradecersinceramenteatodaslaspersonasquemeapoyarony contribuyeron al desarrollo de esta tesis doctoral. EspecialmenteagradezcoaD.MiguelngelEgidopordarmelaoportunidadde trabajarenlosproyectosdeinvestigacinquehicieronposibleestetrabajo,as como por su apoyo y direccin. Tambin agradezco a D. Estefana Caamao por sus consejos y recomendaciones durante los primeros aos. A las personas con las que trabaj en los proyectos de investigacin, especialmente aD.EduardoRomn,D.RicardoAlonso,D.SusanaUriarteyD.JuanCarlos Jimeno. Amiscompaerosdedespacho,porelcompaerismoyelbuenambienteque concibieronuntrabajoamenoycreativo.EnmisrecuerdosestnBlen,Javier, Pablo,Michael,Marcos,Salva,MeryyDany.Ascomoalaspersonasconquienes hecompartidoenelIES-UPM,entrecomidasytertulias,conespecialaprecioy amistad. En aquello de hacer que las ideas se hagan tangibles, agradezco la inmensa ayuda dePepeyZamorano,enlostrabajosdetallerylaboratorio.TambinaRicardo, Montse, Estrella, Lola, Rosa y M Elena, por su ayuda en todo lo relacionado con la gestin y trmites, en los viajes y congresos. RESUMEN Enriquecidacondiversosestudios,simulaciones,desarrollodeinstrumentaciny software,ascomodeimportantesresultadosdeensayos;estatesisdoctoralpretende contribuir al anlisis del comportamiento y control de potencia de generadores fotovoltaicos constituidos por mdulos MPPT, mdulos fotovoltaicos con un seguidor individual del punto de mxima potencia; sistema de especial aplicacin en edificios. Cabedestacarinicialmente,eldesarrollodeinstrumentacinysoftwareparala caracterizacindemdulosfotovoltaicosyconvertidoresMPPT.Conelfindevalidarla instrumentacin,serealizaunaampliacampaadeensayosutilizandovariosmodelosy fabricantesdemdulos.Adicionalmente,conelfindeidentificarelcomportamientodel MPPT, se llevan a cabo estudios sobre los efectos producidos por el sombreamiento. Comosegundacontribucin,serealizaunextensoestudiotericoacercadel comportamientoydesempeodemdulosMPPTconectadosalgeneradordeunsistema fotovoltaicoconectadoared.Sedesarrollaunconjuntodeexpresionesmatemticasque permitenestimarelvoltajedeentradadelinversor,losparmetroselctricosylamxima relacindeconversindelosconvertidoresconsiderandodiferentescondicionesde funcionamiento. Se realizan adems varias simulaciones por ordenador, las cuales permiten predecir el comportamiento del sistema en diversas situaciones. Por ltimo, y tomando como ejemplo prctico la Prgola Fotovoltaica de la Moncloa, se realiza una simulacin energtica anual considerando mdulos MPPT con diferente inclinacin y orientacin. EnltimolugaryapartirdeunprototipodeconvertidorMPPTdesarrolladopor RobotikerTecnalia,sedesarrollayexplicaunalgoritmoparaidentificarlosestadosde operacinydetectarfallosdelprototipo.Medianteunaampliacampaadeensayos,enla que se prueban cuatro prototipos conectados en serie a un inversor conectado a red, se lleva acabolacaracterizacindelosconvertidores,seestudiasucomportamientoendiversas condicionesdesombreamiento,yseanalizanlassituacionesdefuncionamientodelos mdulos MPPT en las que es posible extraer la mxima potencia del generador fotovoltaico. ABSTRACT Enrichedwithavarietyofstudies,simulations,developmentofinstrumentationand software,aswellasimportanttestresults;thisthesisaimstocontributetothebehaviour analysisandthepowercontrolofphotovoltaicgeneratorsmadebyMPPTmodules, photovoltaicmoduleswithanindividualmaximumpowerpointtrackingconverter;system with special application on buildings. It should consider initially, the development of instrumentation and software for the characterizationofPVmodulesandMPPTconverters.Inordertovalidatethe instrumentation,anextensivetestscampaignusingdifferentmodelsandmanufacturersofPVmoduleshasbeensuccessfulcarriedout.AdditionalstudiestoidentifytheMPPT behaviour under shading effects are performed. Asasecondcontribution,anextensivetheoreticalstudyaboutthebehaviourand performance of MPPT modules in a typical grid connected PV system is carried out. A set of usefulmathematicalexpressionsaredevelopedandexplained,whichallowstheinput voltage estimation of the PV inverter, the electrical parameters and the maximum conversion ratio of MPPT converters considering different operating conditions. Several simulations have been made, which allow making a prediction of how the system works on different situations. Finally,MoncloaPhotovoltaicPergolawithdifferenttiltandorientationofitsPVmodulesis takenasanexampletosimulateitsannualenergy,butconsideringahypotheticcaseof MPPT modules installed its PV generator. InthelaststageandstartingfromaprototypeMPPTconverterdevelopedby RobotikerTecnalia,analgorithmto identifytheoperationstateandpossiblefailuresofthe prototypeisdevelopedandexplained.Anextensivetestscampaignissuccessfully performed, four prototypes in series connected to a PV inverter to the grid are tested, it is carriedouttheMPPTconverterscharacterization,theirbehaviourindifferentshading conditions is studied and the operation conditions of the MPPT converters where it is possible to extract the maximum power of the photovoltaic generator is analyzed. NDICE 1Introduccin y objetivos .........................................................1 1.1Escenario energtico actual ...............................................................................1 1.2Situacin actual de la fotovoltaica ......................................................................3 Fotovoltaica en Espaa...........................................................................................3 Fotovoltaica en el mundo........................................................................................4 1.3Sistemas fotovoltaicos en edificios......................................................................8 1.4Prdidas energticas en edificios fotovoltaicos .....................................................9 1.4.1Compromiso entre integracin y perdidas ....................................................9 1.4.2Desacoplamiento de corrientes y prdidas entre mdulos fotovoltaicos interconectados................................................................................................... 10 1.5Objetivos ...................................................................................................... 11 1.5.1Antecedentes ......................................................................................... 11 1.5.2Objetivos generales ................................................................................ 12 1.5.3Objetivos especficos............................................................................... 12 1.6Estructura de la tesis...................................................................................... 13 1.7Referencias ................................................................................................... 14 2Estado del arte ........................................................................ 17 2.1Introduccin .............................................................................................. 17 2.2Revisin a la normativa tcnica .................................................................... 17 2.2.1Situacin de la normativa tcnica espaola ................................................ 18 2.2.2Situacin de la normativa internacional sobre SFCR .................................... 19 2.3El generador fotovoltaico............................................................................. 21 2.3.1Modelado............................................................................................... 21 2.3.2Clulas y mdulos fotovoltaicos: efecto del conexionado en serie.................. 23 2.3.3Configuracin de los diodos de paso en mdulos comerciales ....................... 25 2.3.4Medida y caracterizacin de mdulos y generadores fotovoltaicos................. 26 2.4Sistemas de control de potencia en edificios fotovoltaicos................................ 27 2.4.1Inversores fotovoltaicos: topologas y tendencias ....................................... 28 2.4.2MPPT en inversores comerciales ............................................................... 30 2.4.3Control de potencia distribuida mediante convertidores MPPT....................... 33 2.4.4Control distribuido con convertidores DC/DC acoplados a mdulos individuales35 2.5Referencias................................................................................................ 36 3.Caracterizacin de generadores fotovoltaicos ......................... 41 3.1Introduccin .............................................................................................. 41 3.2Antecedentes............................................................................................. 42 3.3Instrumentacin y mtodo de medida de la caracterstica I-V de mdulos fotovoltaicos .......................................................................................................... 42 3.3.1Mtodo de medida exterior ...................................................................... 42 3.3.2Generador de barrido I-V......................................................................... 49 3.3.3Software de procesamiento de datos......................................................... 51 3.3.4Alcances................................................................................................ 52 3.4Medida y caracterizacin de mdulos fotovoltaicos: Validacin de la instrumentacin desarrollada ................................................................................... 52 3.4.1Curva I-V tpica a CEM ............................................................................ 53 3.4.2Caracterstica I-V y P-V a condiciones reales de operacin en un da tpico de verano54 3.4.3Medida de la potencia mxima a CEM y a diferentes condiciones de operacin 55 3.5Caracterizacin de los mdulos utilizados ...................................................... 59 3.5.1Curvas caractersticas y parmetros elctricos a CEM.................................. 61 3.5.2Caracterizacin en polarizacin inversa...................................................... 63 3.6Estudio del comportamiento de mdulos fotovoltaicos bajo sombreamiento localizado...........................................................................................................64 3.6.1Ensayos de sombreamiento sobre un mdulo con diodos de paso en configuracin serie............................................................................................65 3.6.2Ensayos de sombreamiento sobre un mdulo con diodos de paso en configuracin redundante...................................................................................70 3.6.3Conclusiones de los ensayos de sombreamiento ........................................73 3.7Referencias.............................................................................................74 4Estudio del comportamiento de convertidores MPPT en mdulos y generadores fotovoltaicos ...........................................................77 4.1Introduccin .............................................................................................. 77 4.2Convertidores DC-DC y MPPT: topologas y modelado ..................................... 78 4.2.1Convertidor elevador o tipo Boost ......................................................... 79 4.2.2Convertidor reductor o tipo Back........................................................... 89 4.2.3Convertidor reductor-elevador o tipo Buck-Boost .................................... 94 4.2.4Anlisis comparativo de las diferentes topologas .................................... 98 4.3Simulacin de un convertidor MPPT elevador usando MatLab/Simulink .............. 99 4.3.1Modelo Simulink y simulacin a nivel de circuito del mdulo fotovoltaico.... 99 4.3.2Modelo Simulink de un convertidor MPPT elevador ................................ 102 4.3.3Simulacin de un convertidor MPPT durante un da tpico de verano ........ 104 4.4Modelado y anlisis del comportamiento de convertidores MPPT interconectados con un inversor comercial ...................................................................................... 107 4.4.1Relacin entre corrientes y voltajes de entrada y salida ......................... 107 4.4.2Relacin entre el desacoplamiento entre corrientes y el voltaje ptimo del inversor109 4.5Anlisis comparativo de la mejora en potencia de convertidores MPPT respecto a un sistema convencional desde el punto de vista de la caracterstica P-V del generador 113 4.5.1Caractersticas del software de simulacin MPPT Tracer....................... 114 4.5.2Comportamiento de los convertidores MPPT respecto al nivel de sombreamiento sobre una clula ......................................................................... 116 4.6Simulacin energtica de convertidores MPPT e inversores convencionales en un sistema fotovoltaico real: La Prgola Fotovoltaica del Palacio de la Moncloa ................. 119 4.6.1Objetivo........................................................................................... 119 4.6.2Sistema Fotovoltaico de la Prgola de la Moncloa .................................. 119 4.6.3Modelo de comportamiento de convertidores MPPT elevadores en mdulos fotovoltaicos conectados en serie con diferente orientacin e inclinacin................... 122 4.6.4Procedimiento de clculo para la simulacin ......................................... 124 4.6.5Resultados de la simulacin................................................................ 127 4.7Conclusiones............................................................................................ 129 4.8Referencias.............................................................................................. 130 5Prototipo de un convertidor MPPT elevador: caracterizacin y resultado de ensayos ................................................................... 131 5.1Introduccin ............................................................................................ 131 5.2Caractersticas generales del prototipo........................................................ 132 5.2.1Convertidor MPPT elevador GIE........................................................ 132 5.2.2Unidad de control y supervisin UCS................................................. 134 5.2.3Mtodo de monitorizacin y deteccin de fallos..................................... 135 5.2.4Viabilidad econmica e implementacin prctica ................................... 141 5.3Ensayos individuales modulo-convertidor .................................................... 142 5.3.1Caracterizacin I-V y P-V del GIE........................................................ 142 5.3.2Curva de eficiencia vs radiacin durante un da tpico de verano ............. 145 5.4Ensayo de convertidores interconectados a un sistema convencional............... 147 5.4.1Sistema de medida e instrumentacin utilizada..................................... 147 5.4.2Clculo del voltaje de entrada constante del inversor............................. 149 5.4.3Error y Eficiencia MPPT bajo condiciones estticas................................. 150 5.4.4Sombreamiento progresivo sobre un mdulo mediante un perfil de sombra153 5.4.5Mxima potencia extrada por los convertidores con mdulos sombreados 158 5.4.6Experiencias de los ensayos ............................................................... 161 5.5Referencias.............................................................................................. 162 6Conclusiones generales y futuras lneas de investigacin ... 163 6.1Principales contribuciones ............................................................................. 163 6.2Caracterizacin de mdulos fotovoltaicos y convertidores MPPT ......................... 164 6.2.1Alcances.............................................................................................. 164 6.2.2Validacin y resultados de ensayos ......................................................... 165 6.3Mdulos MPPT en edificios fotovoltaicos .......................................................... 165 6.4Resultados de ensayo de un nuevo prototipo de convertidor MPPT...................... 166 6.5Lneas de investigacin en marcha ................................................................. 167 6.6Propuestas de ampliacin de estudios especficos y/o nuevas lneas de investigacin168 6.6.1Caracterizacin de mdulos fotovoltaicos................................................. 168 6.6.2Caracterizacin de convertidores MPPT.................................................... 169 6.6.3Comportamiento de convertidores MPPT.................................................. 169 6.6.4Aplicacin de convertidores MPPT en otras reas cientfico-tecnolgicas....... 170 6.7Artculos ..................................................................................................... 170 Anexos ......................................................................................... 173 Anexo I: ...........................................................................................................173 Carga capacitiva: Descripcin del procedimiento de medida de mdulos fotovoltaicos y convertidores MPPT..................................................................173 DESCRIPCIN DEL PROCEDIMIENTO DE MEDIDA ................................................ 175 Anexo II: ..........................................................................................................181 Carga capacitiva: Manual de operacin y mantenimiento .................................181 MANUAL DE HARDWARE ................................................................................... 183 Anexo III: ........................................................................................................193 Carga capacitiva: Manual de software ..............................................................193 MANUAL DE SOFTWARE.................................................................................... 195 Listado de figuras Figura 1-1 Consumo energtico por habitante en Espaa en el 2005 (Fuente ASIF) .............2 Figura 1-2 Modelo de evolucin de las sociedades a travs de ciclos energticos [1]............2 Figura 2-1. Esquema elctrico unifilar de un SFCR segn RD1663/2000. .......................... 18 Figura 2-2. Diagrama de bloques de una instalacin fotovoltaica..................................... 19 Figura 2-3. Elementos funcionales de un SFCR.............................................................. 20 Figura 2-4. Circuito equivalente de una clula fotovoltaica.............................................. 21 Figura 2-5 Configuracin serie de diodos de paso.......................................................... 25 Figura 2-6. Configuracin redundante de diodos de paso................................................ 26 Figura 2-7 Tendencia de inversores fotovoltaicos conectados a red.................................. 28 Figura 2-8. Comparacin de diferentes topologas de inversores...................................... 29 Figura 2-9. Estructura general de un convertidor multi-string ......................................... 30 Figura 2-10 Comportamiento errtico del mtodo P&O con cambios rpidos de la irradiancia................................................................................................................................ 32 Figura 2-11. Topologa de la electrnica de potencia de un inversor multi-string Sunny Boy 5000. ...................................................................................................................... 34 Figura 2-12. Convertidor DC-DC integrado en cada mdulo FV en un sistema fotovoltaico conectado a red. ....................................................................................................... 35 Figura 3-1. Ejemplo de medida - utilizando la instrumentacin desarrollada - de las resistencias serie y paralelo mediante la pendiente a la curva cerca de VOC e ISC respectivamente. ...................................................................................................... 46 Figura 3-2. Instrumentacin necesaria para la medida de mdulos FV ............................. 47 Figura 3-3. Seales grficas de corriente y voltaje con respecto al tiempo (izquierda) y como pares de valores I-V (derecha).................................................................................... 50 Figura 3-4: Aspecto de la carga capacitiva desarrollada ................................................. 51 Figura 3-5. Diagrama de flujo del programa ................................................................. 52 Figura 3-6 Medida tpica de una curva I-V de un mdulo fotovoltaico............................... 53 Figura 3-7 Curvas I-V a diferentes condiciones de operacin........................................... 54 Figura 3-8 Cambios en potencia mxima respecto al voltaje en un mdulo tpico .............. 55 Figura 3-9 Potencia mxima a CEM de mdulos individuales a irradiancias entre 600 y 1000 W/m2....................................................................................................................... 56 Figura 3-10.Correccin del efecto de cada de tensin debido a la resistencia serie.......... 56 Figura 3-11 Correspondencia de medidas del IES y CIEMAT............................................ 57 Figura 3-12 Ventana del programa PVGen en el que se muestra el resultado de medida de calibracin del mdulo MBm52 con el patrn MBm51 calibrado por El Ciemat. .................. 59 Figura 3-13 Potencia mxima a STC de tres mdulos fotovoltaicos individuales corregidos usando mdulos patrn.............................................................................................. 59 Figura 3-14 Curva caracterstica medida a CEM delmdulo I-70R/12.............................. 60 Figura 3-15 Curva caracterstica medida a CEM delmdulo I-94/12................................ 62 Figura 3-16 Curva caracterstica de una medida en polaridad inversa para comprobar el funcionamiento de los diodos de paso del mdulo I-70R/12............................................ 63 Figura 3-17 Funcionamiento de los diodos de paso en configuracin redundante en un mdulo en polarizacin inversa. .................................................................................. 64 Figura 3-18 Curva caracterstica con polaridad inversa para comprobar el funcionamiento de los diodos de paso en del mdulo I-94/12. ................................................................... 64 Figura 3-19. Curvas I-V y P-V del mdulo MBm5.2 con sombreamiento sobre una sola clula............................................................................................................................... 66 Figura 3-20 Resultados del sombreado progresivo de clulas en el mdulo MBm52. .......... 67 Figura 3-21. Sombreamiento de todo el lado corto del mdulo Mbm52 en el que entran en funcionamiento los dos diodos de paso. ....................................................................... 68 Figura 3-22 Curvas I-V y P-V del mdulo I-70R/12 bajo sombreamiento sobre una sola clula. ..................................................................................................................... 69 Figura 3-23. Zonas de influencia de donde actan los diodos de paso en una configuracin redundante............................................................................................................... 70 Figura 3-24 Curvas I-V y P-V del mdulo I-94/12 en diferentes zonas de actuacin de los diodos. .................................................................................................................... 71 Figura 3-25 Recorrido de las corrientes dentro delmdulo I-94/12, cuando se sombrea una clula completamente en uno de los extremos del lado largo. ......................................... 72 Figura 3-26 Recorrido de las corrientes dentro delmdulo I-94/12, cuando se sombrean onceclulas completamente en uno de los extremos del lado largo. ............................... 72 Figura 3-27 Recorrido de las corrientes dentro delmdulo I-94/12, cuando se sombrean 11 clulas de la parte media. .......................................................................................... 73 Figura 3-28 Sombreamiento de dos filas del lado corto del mdulo I-94/12 en el que entran en funcionamiento los dos diodos de paso. ................................................................... 73 Figura 4-1 Seal de control de conmutacin de un convertidor DC/DC ............................. 78 Figura 4-2 Circuito equivalente de un convertidor elevador ideal. .................................... 79 Figura 4-3 Comportamiento de la el voltaje de salida en un convertidor elevador .............. 80 Figura 4-4 Relacin de conversin M(D) del convertidor Boost ideal................................. 82 Figura 4-5 Circuito equivalente de un convertidor elevador no ideal................................. 83 Figura 4-6 Relacin de conversin M(D)= Vo/Vi vs. el ciclo de trabajo D para un convertidor elevador no ideal....................................................................................................... 85 Figura 4-7. Eficiencia vs. M(D) en un convertidor elevador real. dependiente de RL/Z ........ 85 Figura 4-8 Diagrama de bloques del sistema Mdulo convertidor DC/DC .......................... 85 Figura 4-9 Curva caracterstica terica de un convertidor elevador acoplado a un mdulo fotovoltaico y generada al variar su impedancia de salida............................................... 86 Figura 4-10 Convertidor MPPT como adaptador de impedancia........................................ 87 Figura 4-11 Comparativa de voltajes de entrada y salida en un convertidor elevador integrado enun mdulo I-70/R, para Z=10, en un da tpico de verano........................... 88 Figura 4-12 Comparativa de potencia de salida y Zi vs. D en un convertidor elevador integrado en un mdulo I-70/R, para Z=10, en un da tpico de verano............................ 89 Figura 4-13. Circuito equivalente de un convertidor reductor .......................................... 90 Figura 4-14 Comportamiento de la el voltaje de salida de un convertidor reductor............. 90 Figura 4-15 Relacin de conversin M(D) vs. Ciclo de trabajo D en un convertidor reductor................................................................................................................................ 91 Figura 4-16 Curva caracterstica terica de un convertidor reductor al variar su impedancia de salida. ................................................................................................................. 92 Figura 4-17 Comparativa de voltajes de entrada y salida en un convertidor reductor integrado enun mdulo I-70/R, para Z=3, en un da tpico de verano ............................ 93 Figura 4-18 Comparativa de potencia de salida y Zi vs. D en un convertidor reductor integrado en un mdulo I-70/R, para Z=3, en un da tpico de verano. ............................ 94 Figura 4-19. Circuito equivalente de un convertidor elevador .......................................... 94 Figura 4-20. Relacin de conversin M(D) vs. Ciclo de trabajo D en un convertidor reductor................................................................................................................................ 95 Figura 4-21 Curva caracterstica terica de un convertidor reductor al variar su impedancia de salida. ................................................................................................................. 97 Figura 4-22. Comparativa de voltajes de entrada y salida en un convertidor reductor-elevador integrado enun mdulo I-70/R, para Z=3, en un da tpico de verano. .............. 97 Figura 4-23. Comparativa de potencia de salida y Zi vs. D en un convertidor reductor-elevador integrado en un mdulo I-70/R, para Z=10, en un da tpico de verano............... 98 Figura 4-24. Comparacin del grado de utilizacin delos interruptores en diferentes convertidores DC-DC ................................................................................................. 99 Figura 4-25. Modelo Simulink a nivel de circuito de un mdulo fotovoltaico .................... 101 Figura 4-26. Diagrama de bloques Simulink para simulacin del funcionamiento de una carga capacitiva que mide la curva I-V del mdulo fotovoltaico I-94/12 bajo sombreamiento .... 101 Figura 4-27. Resultado de simulacin Simulink de la caracterstica I-V del mdulo I-94/12 con sombreamiento en la parte media del mdulo....................................................... 102 Figura 4-28 Diagrama de bloques Simulink del convertidor Boost .................................. 103 Figura 4-29. Ejemplo de simulacin de un convertidor boost como variador de impedancia para el barrido de un mdulo fotovoltaico................................................................... 103 Figura 4-30. Diagrama de bloques Simulink para la simulacin de un convertidor boost MPPT............................................................................................................................. 104 Figura 4-31. Resultado de simulacin Matlab/Simulink de un convertidor boost MPPT ...... 105 Figura 4-32 Resultados de simulacin de un convertidor MPPT Boost en el que se aprecia el detalle del rizado de los parmetros elctricos de entrada y salida................................. 106 Figura 4-33. Mdulos con convertidores MPPT interconectados en serie en un sistema fotovoltaico convencional ......................................................................................... 108 Figura 4-34 Grfica que relaciona la el voltaje Vo ptima y el desacoplamiento de un mdulo en un sistema compuesto por cuatro mdulos-convertido en serie................................. 111 Figura 4-35. Sombreamiento sobre dos mdulos en la simulacin con MPPT Tracer ......... 115 Figura 4-36. Aspecto del programa MPPT Tracer con un ejemplo de sombreamiento sobre 4 mdulos................................................................................................................. 115 Figura 4-37 Ventana de configuracin del programa de simulacin MPPT Tracer para el ejemplo concreto de cuatro mdulos-convertidor en el que se sombrean dos mdulos ..... 116 Figura 4-38 Simulacin que muestra la transicin del MPPT en un mdulo fotovoltaico sombreado............................................................................................................. 118 Figura 4-39 Resultado de simulacin de la curva caracterstica de un sistema de cuatro mdulos en serie con un mdulo sombreado el 30% sobre una clula............................ 119 Figura 4-40. Ilustracin y Fotografa de la prgola fotovoltaica de la Moncloa. ................ 120 Figura 4-41 Perspectiva lateral de la Prgola de la Moncloa donde se muestra las inclinaciones de los mdulos y orientacin de la estructura........................................... 120 Figura 4-42. Interconexin de strings del campo A (izquierda) y B (derecha) en la prgola de la Moncloa.............................................................................................................. 121 Figura 4-43. Esquema elctrico de cada instalacin del sistema fotovoltaico de la prgola de la Moncloa.............................................................................................................. 122 Figura 4-44 Resultados comparativos de simulacin de la energa anual entregada por el generador fotovoltaico de la Prgola de la Moncloa en el caso de utilizar convertidores MPPT por mdulo............................................................................................................. 129 Figura 5-1. Diagrama de bloques del prototipo de convertidor MPPT GIE ........................ 133 Figura 5-2. Circuito de potencia convertidor DC-DC elevador integrado en el GIE............ 133 Figura 5-3. Aspecto fsico exterior e interior del prototipo de convertidor GIE.................. 133 Figura 5-4. Aspecto interno de la UCS y el software de supervisin y control .................. 135 Figura 5-5. Diagrama de flujo correspondiente al algoritmo de calibracin del convertidor 138 Figura 5-6 Diagrama de flujo de los estados de operacin del convertidor ...................... 139 Figura 5-7 Diagrama de flujo de la rutina de deteccin de fallos del convertidor .............. 140 Figura 5-8. Diagrama de bloques del sistema mdulo-GIE-Carga para la caracterizacin del convertidor MPPT .................................................................................................... 143 Figura 5-9. Fotografas de la instalacin del sistema mdulo convertidor GIE utilizado para las medidas. ........................................................................................................... 143 Figura 5-10 Caracterstica I-V y P-V del convertidor MPPT elevador GIE ......................... 144 Figura 5-11 Eficiencia vs irradiancia del convertidor GIE............................................... 146 Figura 5-12 Esquema de conexin y parmetros elctricos de medida del sistema compuesto por 4 convertidores GIE en serie conectados a un inversor configurado a un voltaje constante de entrada ............................................................................................................. 148 Figura 5-13 Instrumentacin utilizada para la medida de convertidores GIE conectados a un sistema fotovoltaico conectado a la red...................................................................... 148 Figura 5-14. Fotografas del sistema de cuatro convertidores GIE conectados en serie instalados en la estructura de medida de mdulos de la terraza del IES-UPM.................. 149 Figura 5-15 Esquema de conexin con el inversor Sunny Boy control y el inversor SB 700, para configurar el modo de voltaje constante y los niveles de voltaje de entrada............. 149 Figura 5-16 Grfica que relaciona el voltaje VO ptimo y el desacoplamiento de un mdulo en un sistema compuesto por cuatro mdulos-convertidor GIE en serie.............................. 150 Figura 5-17 Sistema de seleccin de conexiones mediante interruptores para independizar las medidas de la potencia del sistema con convertidores y la disponible en el generador. 151 Figura 5-18 Fotografa que muestra el paso de un perfil de sombra sobre un mdulo cubriendo el 50% de 3 clulas .................................................................................. 154 Figura 5-19. Termofotografa del efecto de sobre temperatura del convertidor ................ 162 Figura 6-1. Posibilidades de integracin arquitectnica utilizando convertidores MPPT166 Listado de Tablas Tabla 1-1. Capacidad fotovoltaica acumulativa mundial....................................................5 Tabla 1-2. Desarrollo de los precios de las compaas elctricas y los costes de generacin FV. ............................................................................................................................7 Tabla 1-3.Previsin de superficie y energa producida por sistemas fotovotaicos integrados en edificios. ................................................................................................................8 Tabla 3-1 Promedio y desviacin de medidas IES vs CIEMAT .......................................... 58 Tabla 3-2 Parmetros caractersticos del mdulo I-70R/12 y I-94/12............................... 60 Tabla 3-3 Parmetros elctricos medidos a CEM del mdulo I-70R/12.............................. 61 Tabla 3-4 Parmetros elctricos medidos a CEM del mdulo I-94/12................................ 62 Tabla 4-1 Irradiancias y temperaturas correspondientes ................................................ 88 Tabla 4-2 Parmetros elctricos de un sistema de cuatro mdulos-convertidor conectados en serie, en el que se produce un desacoplamiento en corrientes del 40% en uno de ellos.... 112 Tabla 4-3 Parmetros elctricos de un sistema de cuatro mdulos-convertidor conectados en serie, en el que se produce un sombreamiento sobre un mdulo con al menos un 75% de rea cubierta sobre una clula. ................................................................................. 113 Tabla 4-4 Caractersticas elctricas (proporcionados por el fabricante) de los mdulos fotovoltaicos Tipo A y Tipo B de la prgola de la Moncloa. ....................................... 121 Tabla 4-5 Datos de partida para la simulacin del sistema fotovoltaico de la prgola de la Moncloa ................................................................................................................. 128 Tabla 5-1 Anlisis de viabilidad econmica para cada GIE............................................. 142 Tabla 5-2 Comparativa entre parmetros del mdulo FV y el GIE. ................................. 146 Tabla 5-3 Resultados de medida de cuatro convertidores GIE interconectados en serie, donde se compara su eficiencia y error MPP respecto a la curva caracterstica I-V del generador fotovoltaico formado por los mdulos asociados a los convertidores............................... 152 Tabla 5-4-A Resultados de medida en el que se realiza un sombreamiento progresivo mediante un perfil superpuesto al mdulo asociado al convertidor GIE 1, en un sistema de cuatro convertidores en serie acoplados a un inversor con voltaje de entrada constante e igual a 105V. .......................................................................................................... 156 Tabla 5-5. Resultados de sombreamiento localizado en un sistema de cuatro convertidores en serie para conocer la eficiencia MPPT mediante comparativa con la mxima potencia extrada del generador............................................................................................. 160 1 Captulo 1 1Introduccin y objetivos 1.1Escenario energtico actual El desarrollo de toda sociedad est ligado directamente a la disponibilidad y consumo energtico,laenergaesportantounfactoresencialparaeldesarrolloyelcrecimiento econmico,demaneraquelaaparicindeunacrisisenergticadesemboca irremediablementeenunacrisiseconmica.Esporestoquelautilizacineficazdela energa,ascomosuusoresponsable,esesencialparalasostenibilidada.Atravsdela historia, cada descubrimiento y avance tecnolgico nos ha proporcionado: por un lado, una infinidad de artefactos tecnolgicos y de consumo para mejorar o mantener nuestro confort y disminuirnuestroesfuerzo;yporotro,noshaprovistodenuevasfuentesdeenergaque han aliviado y reemplazado poco a poco las fuentes de energa que no han podido mantener el crecimiento de consumo. Desde elpuntodevistadelademandayeficienciaenergtica,larelacinbentreel consumofinaldeenergamediadiariaporpersonaenEspaaysunecesidadenergtica bsicac [1] (3000 kcal por persona y da) es de 22; es decir, 21 se destina a la comodidad y 1 a existir. La Figura 1-1 proporcionada por ASIFd [2], lo refleja grficamente. Si bien es cierto que la comodidad nos ha proporcionado una mejor calidad de vida, tambin nos ha acostumbrado a hacer un mal uso de la energa debido a su amplia disponibilidad y acceso, y bajo coste por el subsidio de la energa primaria. Efecto opuesto es el que se encuentra en pasesenvasdedesarrolloendondelaenergaesunbienescaso,yportantomuy preciado, all se lleva a cabo controles de consumo mediante el racionamiento de la energa y elestablecimientodetarifaspornivelesdeconsumo.Esporesoquemientraslasnuevas fuentes de energa se desarrollan, es preciso crear medidas e incentivos para incrementar la eficiencia energtica y el buen uso de la energa, el IDAEe es uno de los promotores de estas medidas en Espaa. aSerecogecomodefinicinenelPrincipio3delaDeclaracindeRo(1992):"aqueldesarrolloque satisfacelasnecesidadesdelasgeneracionespresentessincomprometerlasposibilidadesdelas generacionesfuturasparaatendersuspropiasnecesidades"yseencuentraeneldocumentoconocido como Informe Brundtland (1987), fruto de los trabajos de la Comisin de Medio Ambiente y Desarrollo de Naciones Unidas, creada en Asamblea de las Naciones Unidas en 1983. b 2,4 tep de energa final por habitante y ao, donde 1 tep=10x106 kcal, por tanto 2,4 tep=65753 kcal por da. cLasnecesidadesenergticasdelserhumanoestndadasporlasumadedoscomponentes principales: el metabolismo basal (situacin en reposo, 1 kcal por Kg de peso y hora) y la actividad fsica quepuedevariardesde2,5kcalporminutoparaunoficinistaa10kcalporminutoenundeportista. Reuniendo estos dos componentes, en general, los valores ms frecuentes estn en el margen de 2500 kcal a 3000 kcal por da (extrado de la referencia). d Asociacin de la Industria Fotovoltaica espaola. e Instituto para la Diversificacin y Ahorro de la Energa. Contribucin a los Sistemas de Control de Potencia Micro-Distribuida en Edificios FotovoltaicosTesis Doctoral 2 Figura 1-1 Consumo energtico por habitante en Espaa en el 2005 (Fuente ASIF) Cadaorganizacinsocialatravsdelahistoriahatenidograndescambiosensu desarrollo debido principalmente a los ciclos energticos de agotamiento y resurgimiento de las fuentes de energa. Este fenmeno de concebir la historia a travs de ciclos, se ha escrito envarioslibrosyartculos[3][1].ComosedescribeenlaFigura1-2lassociedades humanassecomportancomosistemasy,comotales,sufuncionamientoexigeunflujo continuo de energa. Para mantener este flujo, los sistemas deben organizarse de tal forma que sean capaces; primero, de captar recursos energticos externos; segundo, de asimilarlos ytransformarlosatravs deunainnovacintecnolgicapara extraer ordendeellos;ypor ltimo,librarseoreutilizar(siessostenible)losresiduosresultantesdelproceso[3].Toda crisis puede terminar rpido si el sistema es capaz de incorporar una nueva tecnologa que restaure rpidamente la disponibilidad energtica e inaugure un nuevo ciclo. Figura 1-2 Modelo de evolucin de las sociedades a travs de ciclos energticos [1] LateoradelpicodeHubbert,conocidacomodelcenitdelpetrleo,esunateora acreditadaacercadelatasadeagotamientoalargoplazodelpetrleo,ascomodeotros combustiblesfsiles.Apoyndoseenlosdatosdeproduccin,laAsociacinparaelEstudio Captulo 1. Introduccin y objetivos 3 del Pico del Petrleo y el Gasf, consider que el pico del petrleo ocurrira en 2007, y el pico delgasnaturalentreel2010y2020.Peronosoloesprecisodarsecuentaqueestamos iniciandolacrisisdefinitivadelrecursoenergticomsimportantedelplaneta,sinoque ademssusresiduosestnprovocandouncambioclimticoquepuedecambiarnuestra formayesperanzadevidaacortoplazo.Cronolgicamente,elcostedelpetrleohaido subiendo estrepitosamente y sin parar desde febrero del 2003, hito histrico de la guerra de Irak, situndose el precio del barril a ms del doble, de 40 a 90 dlares a finales del 2007. En2008todoelmundofueparticipededosacontecimientosquemarcaronhistoria,el escaln de precios del barril de petrleo ms trascendente y una crisis financiera mundial sin precedentes.Lacausa,lavolatilidaddelaevolucinalalzadelpetrleosehavisto acentuada por la mermada capacidad en el lado de la oferta [4]; por razones polticas (Irn, Venezuela,Israel,entreotros)ydebidoalacrecienteconcienciarespectoalcenitdel petrleoqueagudizeltemordeunaposibleescasez,teniendoencuentaademsla demanda espectacular de India y China. La subida ms importante se produjo en el primer semestre del 2008, cuando el petrleo subi al pico mximo histrico de 146,69(3 de julio) dlares el barril, y la bajada se produjo cuando la crisis financiera estadounidenseg incentiv una debilitacin de la demanda poniendo el precio del barril a los 80 dlares a finales de ao, aprincipiosde2009llega44,8dlares[5].Estoltimocorrespondeaunescalncon diferenciasdel300%entrebaseypicoenmenosdeunao.Estoscambiosnosdana entender la relacin entre volatilidad y dependencia energtica. Eldependerdefuentesdeenerganorenovables,tienevariasdesventajas.La desigualdistribucindelrecursosevelimitadoporsulocalizacingeogrfica,loque ocasiona conflictos geopolticos. Por otro lado, el cambio hacia una nueva fuente de energa implicagrandescambioseninfraestructuras,locualrepercuteeninmovilizarenormes cantidades de dinero. Ladiversificacindelasfuentesdeenergadeorigenrenovableproporcionaun abanicoenormedeposibilidades:permiteeldesarrollodediferentesfuentescuyorecurso puede extraerse en la mayor parte del planeta y en la mayora de los casos es ilimitadoh y sostenible,llevalaproduccinalmismolugardondeseconsume,contribuyeala independenciaenergtica,yfinalmentenoemiteresiduosqueafectenalasaluddelser humano ni al planeta a corto y largo plazo. 1.2Situacin actual de la fotovoltaicaFotovoltaica en Espaa Sehanrealizadomuchosesfuerzosporincrementarlainstalacindesistemas fotovoltaicos,empezandoporlosincentivosproporcionadosenelPlandeFomentode EnergasRenovablesyelRD2818/1998,enelqueseotorgalaprimade40cpara instalaciones menores de 5 kW y 22 c para potencias mayores con una revisin a 4 aos y f Association for the Study of Peak Oil&Gas -ASPO g Estados Unidos de Amrica consume una cuarta parte del petrleo mundial. h como es el caso de la solar, elica y la ocenica. Contribucin a los Sistemas de Control de Potencia Micro-Distribuida en Edificios FotovoltaicosTesis Doctoral 4 unlmitedepotenciatotalinstaladade50MWparael2010.Posteriormenteconel crecimiento de las instalaciones, el RD 2818/1998 fue revisado y mediante el RD 436/2004 ellmiteseextendide50MWa150MWparael2010,ademsdeldisfrutedelaprima mximaainstalacionesde100kWyunagarantadelcobrodelaprimaa25aos.El crecimientodelsectorprosperyaslasexpectativasdellmite impuestoparael 2010.De esta forma se deroga el anterior Real Decreto por el RD 663/2007 que permiti la instalacin degrandescentralesfotovoltaicasdemegavatiossobresueloconunprimade41c,tan solo unos 4 c ms baja que la mxima, as mismo el lmite de potencia instalada se situ en 371MW.Bajoestasltimascondiciones,segenerunaoportunidaddenegociomuy importante para los grandes inversionistas y empresas promotoras. A mediados de 2007 el sectorsuperestacifrayentrenunaodeprrroga,enelquesepermitainscribirlas instalaciones hasta el 29 de septiembre del 2008. El Ministerio de Industria no se percat de que en un solo ao podran hacerse varios gigavatios. Esto ocasion un sobre-calentamiento del sector aprovechando la oportunidad de construir muchas mega-plantas en menos de un ao, el resultado fue el salto de los 371 (ya superados) a 3130 MWi; algo verdaderamente espectacular, un hito histrico que pone inmediatamente en primera posicin a Espaa como elpasconmspotenciainstaladadelmundoen2008.ElMinisteriodeIndustriaredact, pocos das antes de la fecha lmite de aquel 29 de septiembre, el nuevo RD 1578/2008, en el quesepretende estabilizarelcrecimientodelsectorponiendolmitesalasmegaplantas y favoreciendoalaspequeasinstalacionessobrecubiertasyedificios.Estamedidaprovoc una parada en seco del sectorj, mediante una reduccin paulatina de la prima empezando en un 35% ligada al cupo de potencia instalada (4 convocatorias fijas al ao) para el 2009 de 400 MW (267 MW en edificacin + 133 MW sobre suelo). Sin embargo, esta medida obligar aunabajaimportanteenlospreciosdelosmdulosfotovoltaicos,inversores,yenmenor medida, a los dems componentes de la instalacin. Fotovoltaica en el mundo Elmercadofotovoltaicoenelmundocreceaunritmoenorme.Laindustria fotovoltaica mundial, en particular en Europa, EE. UU., China y Japn, est realizando fuertes inversionesennuevasinstalacionesdeproduccinytecnologas.Afinalesde2007,la capacidadacumulativainstaladadelossistemasfotovoltaicosdetodoelmundosuperlos 9,2 GW, mientras que en 2008 se instalaron 5,6 GW, esto significa un crecimiento del 60% alcanzando los 15 GW de potencia mundial acumulada. En la Tabla 1-1[6] se muestra con msdetalleeldesarrollohistricodelapotenciafotovoltaicaacumulada.Desde1994, Europa ha sido el lder del mercado fotovoltaico mundial, en 2008 represent el 80%. En el progresivo desarrollo del mercado durante el 2008, cabe destacar en primer lugar a Espaa, quehaquintuplicadolapotenciainstaladaen2007,significael45%(2,511MW)[6]del mercado mundial; tambin por orden de potencia instalada a: Alemania (1,5 MW),Estados Unidos (342 MW), Japn (230 MW), Italia (258 MW), Corea del Sur (274 MW); as como los mercadosfotovoltaicosemergentesen:Francia(105MW),RepblicaCheca(51MW), i Dato proporcionado por la Comisin Nacional de la Energa, a octubre de 2008. No se ha podido confirmar con exactitud esta cifra, las estimaciones pueden tener una inexactitud de hasta 500 MW. j Arrastrando a ms de quince mil puestos de trabajo y el cierre de muchas empresas. Captulo 1. Introduccin y objetivos 5 Portugal (50 MW) y Blgica (48 MW) [6]. Las instalaciones de clulas y mdulos FV en todo el mundo han aumentado a una tasa media anual superior al 35% desde 1998 [6][7]. Tabla 1-1. Capacidad fotovoltaica acumulativa mundial Los precios de los sistemas fotovoltaicos varan entre pases, de acuerdo al nivel de desarrollodelmercadofotovoltaicolocal,elcuales estimuladopor laspolticasenergticas de cada pas, mediante normativas e incentivos econmicos. Un precio promedio estimativo parasistemasdelordendekW,podranestarentrelos5/Wpensistemasfotovoltaicos conectadosaredy7,5/Wpensistemasfotovoltaicosautnomos;mientrasque,para parques fotovoltaicos conectados a red del orden de unos cuantos megavatios, el precio est por debajo de los 4 /Wp. Teniendo en cuenta la vida til de estos sistemas, el coste medio de la energa de origen fotovoltaico est en torno a los 0,2 /kWh (sistemas conectados) y 1 /kWh, cuyos valores dependen directamente de la radiacin local, el coste y financiamiento delainstalacin.Porejemplo,existenactualmenteregionesdondelaenergaprimariaes mscaraquelaenergafotovoltaica,dondesehaalcanzadoyalaparidaddered,esto hace que sea rentable por sin misma sin el uso de incentivos, es el caso de los estados de Californiak en los Estados Unidos de Amrica y algunas poblaciones de Japn [8], entre otros. Desde el punto de vista tecnolgico, la cuota de cada tecnologa de clula, de mayor a menor: 45,2 % en Si multicristalino, 42,2 % en Si monocristalino, 5,2 % en Si amorfo y microcristalino(Si-a/Siuc),4,7%enTelurodeCadmio(CdTe),0,5%endiseleniurode cobre e indio (CIS, CIGS) [8]. La tecnologa ms predominante sigue siendo el silicio cristalino debidoaqueestampliamentedisponible,latecnologaesmuyconocida,yempleala kLospreciosdelaelectricidadaumentanenespecialenverano,llegandohasta50$ct/kWhen California, es tambin el periodo en que la cantidad de electricidad producida por los sistemas FV es ms elevada. Contribucin a los Sistemas de Control de Potencia Micro-Distribuida en Edificios FotovoltaicosTesis Doctoral 6 mismatecnologaquelaindustriaelectrnica.Elrendimientomximoenclulascristalinas para produccin en serie est en torno al 20 % y en el panel estndar entre el 14 al 16 %, el uso del silicio ha disminuido a la mitad desde el 2003 situndose el espesor medio en 0,17 mm en 2008 [8]. Desdeelpuntodevistadecostes,aprincipiosdel2009sepodancomprar contenedores de mdulos (100 kWp aproximadamente) por debajo de los 2,5 /Wp en silicio cristalinoy1,75/Wpenamorfo.Conestoscosteseltiempoderetornoenergtico(TRE) contecnologacristalinaestentornoadosaos[8];esdecir,unsistemaFVbasadoen tecnologacristalinaenel surdeEuropahabrgeneradolamismaenergaquesenecesit para producir e instalar todos sus componentes. Enun sistema de capa delgada, el TRE es aproximadamentedeunao.Segnelprogresodelatecnologafotovoltaica,laenerga empleada en la produccin de sistemas FV se reduce constantemente, el TRE de un sistema FV tpicol sobre tejado esta en tres aos y medio [8]. Desdeelpuntodevistadelamateriaprima,lademandadelsiliciofotovoltaicoha superadolasexpectativasdelasempresasfabricantesdesiliciodelaindustriade semiconductores. En el 2005 la industria fotovoltaica us el 45% del total de la produccin mundialdesiliciodealtapurezayenel2006usomssilicioquelaindustria microelectrnica,mientasqueenel2000estafraccinfuedetansoloel10%[8].El abastecimientodesilicioprovocunacrisisenelsectorfotovoltaicoentreel2006y2007; sin embargo, sta ha sido superada rpidamente. Con la construccin de varias plantasm de produccindepolisiliciodegradosolarenEspaa,independientedelaindustria microelectrnicaycapazdecubrirmsdecincoveceslasnecesidadesactuales,Espaa pretende independizarse parcialmente del abastecimiento de silicio. Como nota alentadora, el mayor productor de silicio del mundo Hemlock Semiconductor planea antes de 2013 ampliar su capacidad de produccin a 70.000 toneladas y fijar los precios para permitir a la industria lograr la paridad de red con la electricidad solar [9]. Estas cifras sueltas no resultan ser relevantes sin antes dar respuesta a la pregunta: cundo conseguiremos una bajada de costes fotovoltaicos tal que el kWh que generamos en nuestrotejado,oennuestropatio,igualeelpreciodelkWhquetenemosquepagaren nuestrorecibodeelectricidad?.Paraestosexistenvariosmodelos.Segnelmodeloque presentalaEPIAn,laevolucindeloscostesdegeneracinFVparapequeossistemas distribuidos en la mayora de las principales ciudades del mundo, muestran que en 2020, el coste de la electricidad solar se habr reducido ms de la mitad; mientas que, en zonas con altaradiacin solar (sur de Europa) y/o costes de electricidad altos, ya se habr conseguido la paridad de red en 2010, como puede verse en la Tabla 1-2 [8]. Esto lo hara competitivo l En el que se incluyen todos los elementos elctricos y mecnicos de la instalacin. mEnabrilde2007seinauguraenLosBarrios(Cdiz)laempresaSilicioEnerga,laprimeraplanta dedicadaalafabricacindepolisilicioenEspaa,promovidasporEndesa,IsofotnylaJuntade Andaluca. Se realiza en dos Fases, la primera permitir alcanzar una capacidad de produccin de 2.500 toneladas de polisilicio al ao y la segunda comenzar a finales de 2010, que tendr una capacidad total de produccin de 5.000 toneladas al ao. Fuentes: Expansin 30/11/2006, Consultores de Comunicacin Global y ASIF. Revista Energtica XXI Boletn N 84. n European Photovoltaic Industrial Asociation Captulo 1. Introduccin y objetivos 7 con los precios normales que se pagan por la electricidad de consumo domstico. Una razn deelloesque,mientrasqueloscostesdegeneracinFVdesciendencontinuamente,los preciosdelaelectricidadsubirnprevisiblemente,oloqueeslomismo,disminuirnlas ayudas de energa primaria de fuentes convencionales. Con la paridad de red, cada kWh de energa FV consumido supondr un ahorro econmico con respecto a la energa ms cara de la red. Se espera que la paridad de red se alcance inicialmente en los pases meridionales, y quedespusseextiendasistemticamentehaciaelnorte.Comoejercicio,enEspaael preciofinalhorariodiurnodeproduccindeenergaprimariaestentornoalos7,2 c/kWh(elquesepagarasinlaprimaactual),conunratiodeproduccinfotovoltaicode 1400 kWh/kWp (zona media y sur de Espaa e Italia, en sistemas fijos a 30 sur) y 25 aos de explotacin, el coste de la instalacino tendra que estar por debajo de los 2,5 /Wp para llegar a la paridad de red y debajo de 1,5 /Wp considerando una amortizacin de 15 aos. Tabla 1-2. Desarrollo de los precios de las compaas elctricas y los costes de generacin FV. En la prediccin anterior se consideran sistemas fotovoltaicos conectados a red, pues en sistemas autnomos sin acceso a la red pblica es rentable por si misma, suponiendo el caso en que el coste de llevar la red elctrica es mayor que el de la propia instalacin. Porotrolado,msde1600millonesdepersonasnotienenaccesoalaenerga elctrica hoy en da. En 2007 se instalaron 100 MW en sistemas fotovoltaicos autnomos de energasolarFVenzonasruralesdepasesenvasdedesarrollo,quedioaccesoala electricidadaproximadamenteaunmillndefamilias[8];sinembargo,estascifrassiguen o Clculo que proviene de multiplicar el coste de la energa primaria diurna [/kWh] por la productividad de la instalacin [KWh/Wp] (1,4 para el sur de Espaa en sistemas fijos) y por los aos de explotacin. Contribucin a los Sistemas de Control de Potencia Micro-Distribuida en Edificios FotovoltaicosTesis Doctoral 8 siendoinsuficientes.Perotambinsabemosqueelcontinuodescensoenlospreciosdela fotovoltaica debido al aumento de las instalaciones en las ciudades en pases desarrollados, harqueenlaprximadcadaseaasequibleconsiguiendocubrirlasnecesidades energticas en los pases en va de desarrollo. Manteniendo sta perspectiva, habr valido la pena el esfuerzo en investigar sobre nuevas tecnologas que permitan mejorar el rendimiento de los sistemas fotovoltaicos conectados a red en edificios. 1.3Sistemas fotovoltaicos en edificios Elusosostenibledelaenergasehaconvertidoenunasuntodevitalimportancia para el presente y futuro de las ciudades, los edificios significan un 42% del total de energa consumida en Europa y las reas urbanas representan el 40% del total de la produccin de CO2 [10]. As que, la utilizacin de la tecnologa solar fotovoltaica es una oportunidad nica paraunagestinenergticamssostenible,debidoasufcilintegracinenelementos arquitectnicos multifuncionales. Adems, su versatilidad y modularidad pueden formar parte denuevosyatractivosdiseosarquitectnicos,alavezquecontribuyenalademanda energtica local. LosedificiosqueintegransistemasfotovoltaicosseconocencomoSistemas FotovoltaicosIntegradosenEdificios(SFIE)oEdificiosFotovoltaicosConectadosaRed(en adelante EFCR), que en el mbito internacional es conocido por la abreviatura BIPV (Building IntegratedPhotovoltaicSystems).Lossistemasfotovoltaicosconectadosalaredelctrica (enadelanteSFCR)soneltipoespecficodesistemasqueseutilizanenlosedificios fotovoltaicos, cuya funcin es la de entregar a la red elctrica toda la energa generada por el sistema. ConelobjetivodefacilitarlaincorporacindelosEFCR,lospasesdelaUnin Europeahanidointroduciendounconjuntodenormativaseincentivoseconmicospara fomentarestetipodesistema.EnEspaa,elCdigoTcnicodelaEdificacin(CTE), especficamenteeldocumentobsicoHE5Contribucinfotovoltaicamnimadeenerga elctricaparanuevasedificaciones,pretendecontribuiralcrecimientodelmercadodelos EFCR. La potencialidad de los Sistemas Fotovoltaicos integrados en edificios se ve reflejada enelinformedelaEPIA,Photovoltaicsin2010.LaTabla1-3recogelaprevisinde generacin de energa elctrica en el ao 2010 mediante Sistemas Fotovoltaicos en cubiertas de edificios. Tabla 1-3.Previsin de superficie y energa producida por sistemas fotovotaicos integrados en edificios. Captulo 1. Introduccin y objetivos 9 Los primeros EFCR instalados en Europa [11] surgieron a finales de la dcada de los ochentaenAlemania,AustriaySuiza,yelprimeredificioinstitucionalquefuncionen Espaalohizoen1994eneledificiodelInstitutodeEnergaSolardelaUniversidad Politcnica de Madrid [12]. UnSFCRestcompuestoprincipalmenteporungeneradorfotovoltaicoconectadoa un inversor, el cual tiene como funciones principales: la bsqueda y seleccin del punto de trabajodelgeneradorfotovoltaicoasupuntodemximapotencia,ylatransformacinde corriente continua en alterna para inyectar la energa generada a la red elctrica.De especial atencin, es la interfase entre el generador fotovoltaico y el inversor, en laqueseenfocaestatesisdoctoral;enparticular,delosaspectosdecontroldepotencia necesarios para garantizar que los mdulos trabajen en su mxima potencia;y de especial aplicacinrespectoalatopologaconvencional,cuandoeneldiseodelaintegracin arquitectnica se prev: diferente inclinacin y orientacin de los mdulos, sombreamientos, suciedad o diferentes modelos de mdulos en un mismo generador. 1.4Prdidas energticas en edificios fotovoltaicos 1.4.1Compromiso entre integracin y perdidas Ennuevasconstruccionesdeedificiosfotovoltaicos,lasdirectricestcnico-urbansticashandeestarbasadasenlasinteraccionesexistentesentrelosparmetrosde diseo urbanstico y los requisitos tcnicos de las instalaciones fotovoltaicas. Es decir, debe existir un compromiso entre la integracin arquitectnica y las exigencias tcnicas necesarias que afectan directamente a la produccin de energa fotovoltaica. Sin embargo, desde la fase de planteamiento no suelen tratarse de forma conjunta estas directrices tcnico-urbansticas. Estotraecomoconsecuenciaque,enalgunoscasos,sedecidadarflexibilidadalas exigencias tcnicas fotovoltaicas para conseguir una mejor integracin arquitectnica. Elgeneradorfotovoltaico,enmuchoscasos,conformalapieldeledificiocomo elemento arquitectnicoenmuros y fachadas, en los que por ejemplo el vidrio de un muro cortina es reemplazado por mdulos de lmina delgada semitransparente. Por otro lado, los compromisosenlasdirectricestcnico-urbansticassuelenconducirmuchasvecesala divisindelgeneradorenvariaspartesy/ocondiferentesinclinacionesyorientacionesoa que se produzcan sombras parciales durante el da. Esto trae como consecuencia efectos de desacoplo de corrientes entre clulas y/o mdulos fotovoltaicos, afectando directamente a la produccindeenergadelsistema.Portanto,elgeneradorfotovoltaicoeselelemento arquitectnico ms sensible a producir las mayores prdidas del sistema en EFCR. La Figura 1-3 muestra la sede ACQUE (Italia), un ejemplo de cmo la integracin arquitectnica puede llegar a sacrificar la produccin, la fachada fotovoltaica se arquea con un ngulo de 120 de este a oeste, con 11 inversores que combinan strings con diferente orientacin, la instalacin fotovoltaica proporciona un promedio de 741 kWh/kWp. El otro ejemplo que se muestra en la Figura1-4,eslaprgolafotovoltaicadelPalaciodelaMoncloaenMadrid;presentaseis combinacionesdeinclinacinyorientaciny8stringsde36mdulosenseriequeson conectados a dos inversores. Contribucin a los Sistemas de Control de Potencia Micro-Distribuida en Edificios FotovoltaicosTesis Doctoral 10 Las prdidas asociadas con la integracin arquitectnica producen desacoplamientos entre mdulos que afectan al funcionamiento del sistema. Se han realizado diversos estudiosquedemuestran,medianteelseguimientoymonitorizacindeedificiosfotovoltaicos,prdidasdeenergaglobalescercanasal25%[13][14][15][16],lascualespodran minimizarseconuncontroladecuadodelapotenciadistribuidaentremdulos interconectados [17]. Otro aspecto importante es que el generador fotovoltaico se encuentra integrado en eledificiogeneralmenteenlugaresdedifcilaccesopararealizarelmantenimientoy deteccin de averas. En estos casos, es necesaria una tcnica y procedimiento para localizar fallos sin tener que acceder directamente al generador. 1.4.2Desacoplamiento de corrientes y perdidas entre mdulos fotovoltaicos interconectados Elgeneradorfotovoltaicosueleestardispuestoenlugaresdeledificiodondepuede producirse irremediablemente desacoplamientos de corrientes, incluso de voltajes. El efecto de desacoplamiento de corriente se produce cuando existen diferencias en lascaractersticaselctricasdelosmdulosoenlosnivelesdeirradianciaincidentesobre clulasdeunmismomodulooentremdulosdeunmismogenerador,comoeselcaso prcticodelsombreamientoodiferenciasdeorientacineinclinacincuandoson interconectados en serie formando strings. Como consecuencia, surge una dependencia del puntodetrabajodelgeneradoralmduloconmenoscorriente,generandoprdidaspor efecto de desacoplamiento. Este problema se soluciona parcialmente con el uso de diodos de derivacin(conocidointernacionalmentecomoby-passdiodes)puestosenparaleloaun determinado nmero de clulas, sin embargo, su uso origina varios problemas: por un lado, la bsqueda del punto de mxima potencia MPP (Maximum Power Point) del inversor; y por otrolado,laprdidadepotenciadelasclulasbajoeldiododepasoqueseactiva.Otro aspecto importante es el efecto de asociaciones en paralelo de agrupaciones de mdulos con diferente voltaje, stas diferencias pueden surgir como causa de un mal funcionamiento del los diodos de derivacin (cortocircuito, sobre-temperatura, entre otros), este efecto provoca quelaagrupacindemdulosconmenosvoltajefuncionecomocargarecibiendocorriente Figura1-3.Sedecentraldelacompaadeaguas ACQUE, Chtillon, Italia. Figura1-4.PrgolafotovoltaicadelaMoncloa, Madrid, Espaa. Captulo 1. Introduccin y objetivos 11 de los dems. Este problema se soluciona normalmente poniendo diodos de bloqueo en cada string; sin embargo, estos diodos suman prdidas de conduccin al sistema. Enuntpicosistemafotovoltaicoconectadoared,paraextraerlamximapotencia delgeneradorfotovoltaico,esnecesarioincorporarunseguidordelpuntodemxima potenciaoMPPT(MaximumPowerPointTracking),normalmenteesunconvertidorDC-DC conMPPT(enadelante,convertidorMPPT)queespuestoentreelgeneradoryelinversor.Paragarantizarqueelgeneradortrabajeen elMPPesnecesarioimplementarunalgoritmo de bsqueda, que consiste en realizar una aproximacin iterativa para cambiar el punto de operacindelgeneradoryencontrarladireccinparalacuallapotenciaseamxima, aumentando o disminuyendo su voltaje de operacin. En un generador fotovoltaico sombreado parcialmente y con mdulos con diodos de paso, se originan en la curva de potencia-voltaje varios puntos mximos relativos, en los que el algoritmo de bsqueda MPPT podra dirigirse a alguno de estos puntos distintos al mximo absolutoyendefinitivapodraconduciraunaprdidaglobaldelsistemacuyamagnitud puede ser significativa [17]. Unmodulofotovoltaicoidealestcompuestoporclulasidnticasquese interconectan en un mismo mdulo, y un generador fotovoltaico ideal por mdulos idnticos interconectados sobre los que incide una irradiancia homognea y uniforme. En la prctica, las clulas nunca se fabrican idnticas, lo que origina que durante los procesos de fabricacin demdulosfotovoltaicosdebanserclasificadas;anas,lasclulasdifierenensus corrientes,yfinalmente,estadispersinestrasladadaalapotenciadelmdulo,queen definitiva,daorigen(ensumayorparte)alatoleranciadepotenciaproporcionadaenlas especificacionestcnicasdelfabricante.Delmismomodo,cuandolosmdulosson interconectados en serie para formar un generador, la dispersin de corrientes de las clulas seextiendealosmdulosinterconectados,esteefectoesconocidocomomismatcho dispersin de parmetros. Las prdidas de mismatch se definenp como: la diferencia entre la potencia mxima total de dispositivos conectados en serie o en paralelo y la suma de cada dispositivo medido separadamente bajo las mismas condiciones. Enlaexperiencia,seencuentrandiferenciasentrelosparmetroselctricosqde mdulos en controles de calidad [18] muy por debajo de los valores nominales de catlogo, con diferencias significativas de potencia entre ellos. 1.5Objetivos 1.5.1Antecedentes Para alcanzar el objetivo propuesto, esta tesis tiene como punto de partida y fuente deinformacinelextensotrabajodeestudioydesarrollodeconvertidoresMPPTrealizado con un consorcio formado por el Instituto de Energa Solar, la Universidad del Pas Vasco y pExpuestoenIEC61836TSEd.2.0.SolarphotovoltaicenergysystemsTerms,definitionsand symbols. q Parmetros elctricos a condiciones estndar de medida (1000W/m2 de radiacin incidente y 25C de temperatura de clula) proporcionado por el fabricante. Contribucin a los Sistemas de Control de Potencia Micro-Distribuida en Edificios FotovoltaicosTesis Doctoral 12 lasempresasRobotikere IsofotnS.A.,atravsdelproyectoGENIUSGestindeEnerga Integrada para Uso Solar Fotovoltaico (TIC 2002-04245-C02). Deigualforma,encolaboracinconelproyectoTaQSolRE(TacklingtheQualityin Solar Rural Electrification), cofinanciado por la Comisin Europea (NNE5-2002-00098), se ha trabajado en el diseo e implementacin de instrumentacin electrnica, mtodo de medida y software para la caracterizacin de mdulos fotovoltaicos de silicio cristalino. Serealizaronadems,auditoriastcnicasdecalidaddediezEdificiosfotovoltaicos conectadosaredenelproyectoTejadossolaresfotovoltaicosencentroseducativosdel municipio de Coslada (Madrid) a travs de un contrato con la empresa Isofotn. 1.5.2Objetivos generales Estatesisdoctoralpretendecontribuiralestudioysolucindelosproblemas relacionadosconelcontroldepotenciaenedificiosfotovoltaicos.Puededividirseentres lneas fundamentales: Enprimerlugar,setrataderealizarelestudiodelcomportamientoelctricode mdulos y generadores fotovoltaicos,as como de convertidores MPPT acoplados a mdulos fotovoltaicos(enadelante,mduloMPPT).Cuyofinserestudiarlosparmetroselctricos de diferentes modelos y tecnologas, estudiar los efectos producidos por el sombreamiento y desarrollarunmtodoparaidentificarfallos.Paralograresteobjetivoesnecesarioel desarrollo de instrumentacin electrnica y software para su medida y caracterizacin. Ensegundolugar,sepretenderealizarunanlisistericomediantesimulacindel comportamientodemdulosMPPT.Comprendeeldesarrollodemodelosmatemticosy programas de simulacin por ordenador. Por ltimo, se realiza una campaa de ensayos de un prototipo de convertidor MPPT, con el fin de comprobar y analizar su funcionamiento y su viabilidad prctica. 1.5.3Objetivos especficos Desarrollo de instrumentacin electrnica para la medida de la caracterstica I-V y P-V de mdulos fotovoltaicos en polarizacin directa e inversa. Adaptada para poder caracterizar mdulosMPPT.Astainstrumentacinseaadeeldesarrollodeunsoftwarede procesamiento de datos, capaz de leer, procesar y visualizar las curvas de medida I-V y P-Vendirectaeinversa.CalcularlosparmetroselctricoscaractersticosaCEMry tendr un procesamiento y una interfaz grfica optimizada para la localizacin de fallos y losefectosproducidosporladispersindeparmetrosysombreamientoparcial.Se realizarlavalidacindelmtodoeinstrumentacinmedianteunaampliacampaade ensayos,dondeseanalizarelcomportamientoadiferentescondicionesderadiaciny temperatura, as como de sombreamientos localizados. EstudiodelcomportamientodemdulosMPPT,enelquesedesarrollanmodelos especficos para su simulacin y anlisis. Consiste en el desarrollo de software en C++ y r Condiciones Estndar de Medida Captulo 1. Introduccin y objetivos 13 modelosMatLab/Simulinkparalasimulacinporordenadordemdulosygeneradores fotovoltaicosindividualeseintegradosconconvertidoresMPPT,considerandodiferentes configuracionesenlainterconexinysometidosadiferentescondicionesdeoperacin como: irradiancia y temperatura, dispersin de parmetros y sombreamiento. Anlisisyestudiodeproduccinenergticaanualdeunsistemafotovoltaicorealcon diferenteinclinacinyorientacin,enelquesecomparaconunhipotticosistema fotovoltaico idntico con mdulos MPPT. EstudioypuestaapruebadelaintegracindeunprototipoconvertidorMPPTpara mdulos fotovoltaicos individuales, verificando su correcto acople y funcionamiento. Realizacin de una campaa de ensayos en la que se comprara el funcionamiento de un generador con mdulos MPPT y un generador convencional. Ambos sistemas se someten adiferentescondicionesdeirradianciaytemperatura,sobrelosqueseestudialos efectosproducidosporelsombreamientodetipopuntualolocalizadoymedianteun perfil de sombra. DesarrollodeunmtododediagnsticoydeteccindefallosdeconvertidoresMPPT integrados en mdulos fotovoltaicos. 1.6Estructura de la tesis Latesisestdivididaenseiscaptulos,alosqueseaadentresanexosque complementan o amplan la informacin. Tras este primer captulo introductorio, en el captulo dos se presenta el Estado del Artedelostemastratadosenestatesis.Seempiezaporunrepasoalanormativasobre: sistemasfotovoltaicosconectadosared,caracterizacindemdulosygeneradores fotovoltaicosylossistemasdecontroldepotencia.Adems,serealizaunarevisinalos sistemasdecontroldepotenciaeninversoresDC/AC,respectoalostiposdetopologasy tendencias,ascomodelMPPT.Finalmente,secentraenelcontroldistribuidomedianteel uso de convertidores MPPT. Elcaptulotrestratasobrelacaracterizacinelctricaymtododemedidade mdulos fotovoltaicos de silicio cristalino en polarizacin directa e inversa. Aqu se describe lainstrumentacinyelsoftwarequehansidodesarrollados.Atravsdeunacampaade ensayos,sevalidalainstrumentacincomparandolosresultadosconlosvaloresde calibracin realizados previamente por el CIEMAT, se caracterizan los mdulos utilizados para losensayosrealizadosenelcaptulo5ysellevaacabounestudiodetalladodel comportamiento de la caracterstica elctrica en condiciones de sombreamiento localizado. EnelcaptulocuatroseestudiaelcomportamientodeconvertidoresMPPTen generadores fotovoltaicos. Se describen y estudian las diferentes topologas de convertidores DC/DC,sumodeladoeintegracinenmdulosfotovoltaicos.Seexplicanlosmodelos MatLab/Simulink desarrollados, que son utilizados para simular el comportamiento individual deconvertidoresMPPTintegradosenmdulosfotovoltaicos.Tambinsepresentaun software desarrollado en el lenguaje C++, que es utilizado para las simulaciones de potencia Contribucin a los Sistemas de Control de Potencia Micro-Distribuida en Edificios FotovoltaicosTesis Doctoral 14 delosconvertidoresenunsistemafotovoltaicoconectadoaredconvencional,yquetiene comoobjetivoidentificarlascondicionesdemayoraprovechamientodelconvertidor. Finalmente, y tomando como ejemplo la Prgola Fotovoltaica del Palacio de la Moncloa, caso tpicodeunsistemacondiferenteorientacineinclinacionesdemdulos,serealizauna simulacin energtica anual en el supuesto de incluir mdulos MPPT. Enelcaptulocincosepresentanlascaractersticasprincipalesdelprototipode convertidorMPPTpropuesto.Dondesedescribeelcircuitoelectrnico,elalgoritmoMPPT utilizado,elsistemadecontrolycomunicaciones,losensayosypruebasderendimiento,y finalmente se realiza un estudio de viabilidad econmica y produccin comercial. Se expone unmtododesupervisinydeteccindefallos,basadoenlasmedidasindividualesde voltaje y corriente realizadas por cada convertidor MPPT; se explica las caractersticas de la unidaddecontrolysupervisinyelalgoritmodetomadedecisiones.Acontinuacin,se presentan las medidas experimentales y anlisis del prototipo de convertidor MPPT integrado enmdulosfotovoltaicos.Losensayossedividenendosetapas:laprimera,mediantela medidaindividualdemdulosMPPT;ylasegunda,conectadosentresenunsistema fotovoltaico conectado a la red elctrica. En la primera etapa se realiza la caracterizacin I-V yP-Vdelosconvertidoresutilizandolacargacapacitivadesarrollada,sellevanacabolos ensayosderendimientoutilizandounacargaresistivafija,yfinalmenteserealizanlos ensayosdecomportamientodelconvertidorbajosombreamientolocalizado.Lasegunda etapaconsisteenhacerensayoscomparativosdedossistemasfotovoltaicos:unsistema convencionalgenerador-inversor-redyotroalqueseaadenmdulosMPPT.Serealiza,a ambos sistemas,sombreamientos localizados y a travs de perfil de sombra, en el quese midenporseparado,lacurvaP-Vdelgeneradorylapotenciadesalidadelgenerador. Finalmente,serealizaunacombinacindeproyeccionesdesombraslocalizadassobrelos mdulos con el fin de identificar las situaciones donde es posible extraer la mxima potencia del generador comparndolo con el sistema convencional. Por ltimo, en el captulo seis se exponen las conclusiones de los trabajos realizados y se proponen futuras lneas de investigacin. Losanexossuministraninformacinadicionalrelacionadaconloscontenidosdela tesis,dondesepresentanrespectivamente,losmanualesdehardwareysoftwaredela instrumentacin desarrollada para la caracterizacin de mdulos fotovoltaicos. 1.7Referencias [1] Vaclav Smil. Energy in World History. Westview Press, Boulder, CO. 1994. [2]InformedelaAsociacindelaIndustriaFotovoltaicaASIF,haciaunageneracin elctrica competitiva, Octubre 2006. [3]MohedanoCrdoba,JosEduardo.EnergaeHistoria:pocosrecursosymuchos residuos, Interpretacin energtica de la Historia humana, 2003 REDcientfica. [4]Elpetrleosiguesubiendo!.www.cenit-del-petroleo.com/2008/11/noviembre-2008-el-petroleo-sigue-subiendo/. Noviembre 25 de 2008. Captulo 1. Introduccin y objetivos 15 [5]Cuidado, petrleo barato. Negocios pag. 4, peridico El Pas - Espaa, 8 de febrero de 2009. [6]GlobalMarketOutlookforPhotovoltaicsuntil2013.EPIA,EuropeanPhotovoltaic Industrial Association. April 2009. [7]Year2010:PhotovoltaicIndustryandEuropeanUnion,ResearchAndMarkets,RNCOS, July 2005, http://www.researchandmarkets.com/reports/302683/. [8] SolarGenerationV2008,Electricidadsolarparamsdemilmillonesdepersonasy dosmillonesdepuestosdetrabajoparaelao2020.EPIA,EuropeanPhotovoltaic Industrial Association. September 2008. [9] Proteger la oca de oro. Revista Photon, Febrero 2009. Pag. 40. [10]Aplicaciones de Energa Solar Fotovoltaica en Edificios y Entorno Urbano. Basada en la publicacin original Solar ElectriCity Guide, Energie, 2001. [11]CastroGil,M.yotros.SistemasFotovoltaicosConectadosARed:Estndaresy CondicionesTcnicas.Monografastcnicasdeenergasrenovables,2000Progensa, Sevilla, Espaa. [12]E. Camao and E. Lorenzo. Modelling and financial analysis tools for PV grid-connected systems. Progress in Photovoltaics, 1996, p.295. [13] Eduardo Romn Medina. Viabilidad de Sistemas Fotovoltaicos con Mltiples Seguidores delPuntodeMximaPotencia.TesisDoctoral,UniversidaddelPasVasco.Octubre 2006. [14] T. Yoshimura, H. Kobayashi, K. Takigama. Evaluation of PV Modules: Outputs Dispertion atActualOperationCondition.Proc.12thEuropeanPhotovoltaicSolarEnergy Conference, Abril 2004, Amsterdam. [15]K.Korokawa,H.Sugiyama,D.Uchida.SophisticatedVerificationofSimpleMonitored DataforJapaneseFieldTestProgram.Proc.2ndWorldConferenceandExhibitionon Photovoltaic Solar Energy Convertion, pp. 1941-1946, Julio 1998, Viena. [16]InternationalEnergyAgencyPhotovoltaicPowerSystemProgramIEA-PVPSTask2. OperationalPerformanceofPhotovoltaicSystem.AnalysisofPVSystems:Operational Performance,maintenanceandsizingofphotovoltaicpowersystemandsub-systems. Report IEA-PVPS T2-01:2000. [17] S. Uriarte, M.J. Senz, F. Hernando, J.C. Jimeno, V.E. Martnez, M. A. Egido, R. Orduz, P.Ibez,E.RomnandS.Elorduizapatarietxe.EnergyIntegratedManagement SystemforPVApplications.20thEuropeanPhotovoltaicSolarEnergyConferenceand Exhibition, Barcelona (Spain), 2005. [18]D.Chianese,N.Cerenghetti,S.RezzonicoyG.Travaglini.EighteenTypesofPV modulesunderthelens.Proc.16thEuropeanPhotovoltaicSolarEnergyConference, 2418-2421, Glasgow, 2000. Contribucin a los Sistemas de Control de Potencia Micro-Distribuida en Edificios FotovoltaicosTesis Doctoral 16 17 Captulo 2 2Estado del arte 2.1Introduccin En este captulo se presenta una revisin del estado actual de los sistemas de control de potencia en EFCR. Inicialmente,semuestraunabreverevisindelanormativasobresistemas fotovoltaicos conectados a red, de los sistemas de control de potencia y la caracterizacin de mdulos y generadores fotovoltaicos. Acontinuacin,sepresentaelmodelodelgeneradorfotovoltaicodesdeelpuntode vista de las expresiones y mtodos utilizados para modelar su caracterstica elctrica. Serealizaunarevisindelossistemasdecontroldepotencia,enaspectoscomo: topologasytendenciasdesdeelcontrolcentralizadoaldistribuidoeninversoresDC/AC, factoresdinmicosyestticosdelMPPT,yfinalmentesecentraenelcontroldistribuido mediante el uso de convertidores MPPT. 2.2Revisin a la normativa tcnica Sehanrealizadonumerososesfuerzosparanormalizarlaconexindelossistemas fotovoltaicos a la red elctrica, con la colaboracin de instituciones y organismos nacionales e internacionales, asociaciones de la industria e institutos de investigacin. En este apartado sepresentanlasnormativasqueestnactualmenteenvigor,ascomolasqueestnen proyecto, o en fase de revisin y aprobacin, y de los aspectos tcnicos relacionados con el control de potencia en la interfase generador-inversor. El90%delasnormasinternacionales[1],conocidasconlassiglaseninglsISOa, CEI o IECb, son adoptadas por la Institucin Europea de Normalizacin Elctrica (CENELECc) yposteriormenteeditadasenEspaaporlaAsociacinEspaoladeNormalizaciny CertificacinAENOR.Lasnormasnotienencarcterdeobligatoriocumplimiento,sonsolo recomendaciones, a no ser que el Estado otorgue a estas normas el estatuto de obligatorio cumplimientooqueseanaceptadasparticularmentecomonormasdecalidaddeproducto para su comercializacin. a ISO, International Standards Organizationb CEI, Comisin Electrotcnica Internacional ISO, International Electrotechnical Commission c European Committee for Electrotechnical Standardization Contribucin a los Sistemas de Control de Potencia Micro-Distribuida en Edificios FotovoltaicosTesis Doctoral 18 2.2.1Situacin de la normativa tcnica espaola El punto de partida de la reglamentacin tcnica espaola sobre los SFCR fue con la entrada en vigor del Real Decreto 1663/2000 [2], en el que se establece los requisitos sobre laconexindeinstalacionesfotovoltaicasalareddebajatensin.Posteriormente,enla resolucin [3] del 31 de mayo de 2001 del ministerio de economa, se establece el modelo de contrato y modelo de factura, en el que se proporciona el esquema unifilar. Figura 2-1. Esquema elctrico unifilar de un SFCR segn RD1663/2000. LaFigura2-1muestra,segnstaresolucin,elesquemaunifilardeunSFCR,en dondesepresentanloscomponentesfotovoltaicos,elctricosyelectrnicosdiferenciados entredosinterfasesdelsistema,lainterfasedeDCentregenerador-inversordyladeAC entreinversor-red. La interfase de DC comprendida entre el generador y el inversor, es la parte que se enfoca esta tesis doctoral. EnestafigurasemuestratambinlosrequisitosdelRD1663/2000enelquese especifica losaspectosdeseguridadrelacionadosconlainterfase inversor-red,yenloque serefierealasproteccionesporvaloresdevoltajeyfrecuenciafueradeloslmites especificados,aislamientogalvnico,funcionamientoenislaeinterruptorautomtico magnetotrmico y diferencial. La normativa no especfica el control sobre la interfase de DC dDefinidoenIEC61836DCinterfacecomolasconexionesentreelgeneradorFVylaentradadel subsistema de acondicionamiento de potencia. Cuadro de distribucin del edificio ICP (Interruptor deControl de Potencia) NR S T C.T. CGP ED(EmpresaDistribuidora) Caja deembarrado G GE EN NE ER RA AD DO OR R F FO OT TO OV VO OL LT TA AI IC CO O **El inversor debe incorporar: Contactor automtico de interconexin(reconexin a 3 minutos). o Mxima y mnima tensin (1,1 y 0,85 Um) o Mxima y mnima frecuencia (51 y 49 Hz) Sealizacin de estado (ON/OFF). Aislamiento galvnico red/generador - AC/DC ***Protecciones en el lado de AC: Interruptor magnetotrmico (se puede omitir si esta incluido en el inversor) Interruptor diferencial *** Caja de protecciones de AC AC = == = = == = ** I IN NV VE ER RS SO OR R CGP (Caja General de Proteccin)Contador de venta Contador de compra Interruptor General manual Fusibles de Proteccin Contador de Suministro Requisitos segn RD1663/2000 . . . DC * *Interruptor diferencial, para proteger a las personas en el lado de continua de la instalacin Interfase DC Generador - Inversor Punto de conexin Caja de proteccine interconexin del generador fotovoltaico Interfase AC Inversor - Red Captulo 2. Estado del arte 19 yenesteaspectosolosenombraunaproteccindiferencial,comomediodeproteccin contra contactos indirectos en el lado de continua de la instalacin. LaseguridadenlainterfasedeDCensistemasfotovoltaicosesunaspectoquese sigue estudiado en artculos y tesis doctorales [1][4][5]. En la IEC [6] define el voltaje lmite convencional de contacto como aquel que puede ser mantenido indefinidamente en caso de unfallodeaislamientosincausarpeligro.Respectoalaproteccinfrenteacontactos indirectos en la interfase de DC, se sugiere que toda la instalacin fotovoltaica cumpla con la proteccin clase IIe. Otra forma es la de limitar el voltaje de DC a un mximo de 120 V, pero en general solo podran limitarse a potencias menores a 3 kW debido a las altas corrientes. Los problemas de seguridad en la parte continua de la instalacin podran resolverse medianteelcontroldistribuidoincorporandounconvertidorMPPTencadamdulo fotovoltaico,endondepuedemonitorizarselosvoltajesdecontinuaatierrayasdetectar fugas de corriente. De esta forma, en caso de presentarse algn problema de aislamiento, el sistema de control asla las conexiones entre mdulos, y en consecuencia el voltaje de salida delosconvertidoresalinversor;inclusopuedeinformaralinversordelfalloydondese produjo. 2.2.2Situacin de la normativa internacional sobre SFCR LanormaUNE-EN61727:96sobreSistemasfotovoltaicos.Caractersticasdela interfazdeconexinalaredelctrica,establecelasrecomendacionessobrelosrequisitos delainterfazentreelsistemafotovoltaicoylared,ascomotambinlasoportunas recomendaciones tcnicas. Figura 2-2. Diagrama de bloques de una instalacin fotovoltaica En el diagrama de bloques de la Figura 2-2 se muestra el diagrama de bloques de un sistemafotovoltaicoconectadoaredque,adems,puedeabastecercargaslocales[1].En los SFCR espaoles, toda la energa producida tiene que inyectarse a la red elctrica segn la normativa; por lo tanto, no hay abastecimiento a cargas locales. El subsistema de control de potenciapuedeversecomoelementosfuncionalesenlaFigura2-3,dondeinteresaverel e Es la que se exige a los aparatos elctricos que no tienen conexin a tierra y consiste en asegurar la calidad del aislamiento exterior (caja, conexiones, cables, etc.) mediante pruebas a 2000 V mas cuatro veces el voltaje de funcionamiento. No se deben producir corrientes dainas para los seres humanos a travs de estos elementos. SUBSISTEMA DE CONTROL SISTEMA FOTOVOLTAICO CAMPO FOTOVOLTAICO SUBSISTEMA DE ACONDICIONAMIENTO DE ENERGA ELCTRICA INTERFAZ RED CARGAS LOCALES Contribucin a los Sistemas de Control de Potencia Micro-Distribuida en Edificios FotovoltaicosTesis Doctoral 20 conjuntodecomponentesasociadosalsistemaconectadoalaredyparticularmenteal convertidor DC/DC entre el generador y el inversor DC/AC. Este convertidor, a diferencia de losconvertidorescomercialesusadosenfuentesdealimentacinquesirvenprincipalmente pararegularelvoltajeycorrientedesalida,funcionacomosubsistemadecontrolde potenciaytieneelpropsitoderegularelvoltajeylacorrienteasuentrada,funcionando como seguidor del punto de mxima potencia o MPPT (Maximum Power Point Tracking)f del generador fotovoltaico, llamndose generalmente convertidor MPPT. Figura 2-3. Elementos funcionales de un SFCR. En el apartado 3.4.2 de la norma habla del MPPT como componente principal del sistema de acondicionamiento y control de DC, tomndose en consideracin su rendimiento e interaccin con el control principal. Este subsistema de control se encuentra integrado en todos los inversores de conexin a red que admiten un solo generador conectado a su entrada. Existe sin embargo, los inversores llamados multi-string (como se ver en la seccin 2.4.1) que permiten conectar ms de un generador a su entrada, en este caso, estos inversores incorporan un convertidor MPPT para cada generador. Tambinesimportanteindicarque,enelapartado3.7delanormaenelquesedescribe funcionalmenteelinversor,hacemencin,comoparmetrodecondicindeentrada,las variaciones dinmicas de voltaje. Este aspecto est ntimamente relacionado con el rango del MPPT; sin embargo, no se detallan ms caractersticas sobre su funcionamiento. fDefinidoenelIEC61836comounaestrategiadecontrolporlaquelaoperacindelsistemaesta siempre cerca del punto de mxima potencia. SUBSISTEMA DE CONTROL GENERADOR FOTOVOLTAICO CONVERTIDOR DC/DCINVERSOR DC/AC INTERFAZ DC/DC SUBSISTEMA DE ACUMULACIN ALIMENTACINAUXILIAR CARGAS DC INTERFAZ DC/AC INTERFAZ AC/AC A LA RED ALIMENTACIN AUXILIAR AC RED Captulo 2. Estado del arte 21 2.3El generador fotovoltaico 2.3.1Modelado Elgeneradorfotovoltaicoelementaleslaclulafotovoltaicag,compuestaporun materialsemiconductor, tpicamentedesiliciocristalino,queesespecialmentetratado para crear dos capas diferentemente dopadas (tipo p y tipo n) y producir en la interfase un campo elctrico. El efecto fotovoltaicoh consiste en que, cuando la luz solar incide sobre la clula, los fotonesquelaconstituyensonabsorbidosporsta,suministranlacantidaddeenerga necesariaaloselectronesdevalenciadelsemiconductorpararomperelenlacequelos mantenaunidosasustomosrespectivos,consecuentementeestoselectronesson atrapadosporelcampoelctrico delauninpermitiendoquefluyaunacorrienteelctrica. Esta corriente elctrica recibe el nombre de fotocorriente o corriente de iluminacin denotada como IL. El circuito equivalente de una clula solar se aproxima al mostrado en la Figura 2-4. Figura 2-4. Circuito equivalente de una clula fotovoltaica. Elmodelomatemticoquedescribeelcomportamientodeunaclulasolarnoideal esta dado por la siguiente expresin: L D RpI I I I = S SL Ot P exp 1V I R V I RI I IV R| | | | + += || |\ \ (2.1) Donde: IO:corrientedesaturacindeoscuridad,esaproximadamenteequivalentea10-12 A/cm2 por clula. Rpcorrespondealaresistenciaparalelo,debidaprincipalmenteafugasdecorriente por las superficies laterales, pequeos cortocircuitos metlicos o a picos de difusin debidos a dislocaciones o fronteras de grano [7]. En general, y para efectos ideales, este parmetro gDesarrolladaen1954porD.M.Chapin,C.S.Fueller,G.L.PearsondeloslaboratoriosBellenNew Jersey E.U. con un 6% de eficiencia. En Espaa se desarrollaron a finales de los 70 las primeras clulas con el 15% de eficiencia en el Instituto de Energa Solar de la Universidad Politcnica de Madrid. h El efecto fotoelctrico fue descubierto inicialmente por Heinrich Hertz en 1887 y posteriormente Albert Einstein le dio el significado fsico correcto en 1905, por el cual le fue otorgado el premio nobel de fsica en 1921. Contribucin a los Sistemas de Control de Potencia Micro-Distribuida en Edificios FotovoltaicosTesis Doctoral 22 noesimportanteenelanlisisdesistemasysepuededespreciar.Noobstante,es importanteanotarqueenlacaractersticaI-Vdeunmdulocomercialconvoltajesms elevados que los convencionales, es posible encontrar valores bajos de la resistencia paralelo (pordebajode500paramduloscon72clulas),estosedebeenmayormedidaalos efectos de mismatch, en el que se aprecia un aumento de la pendiente debido al efecto entre las diferencias de las corrientes de las clulas y el funcionamiento de los diodos de paso. La resistencia serie RS se debe a la suma de varias componentes propias del material yalosefectosdediseoyfabricacininternadelaclula,alapropiaresistenciadel semiconductor, a las corrientes laterales en la cara iluminada de la clula, a la resistencia de los contactos metal-semiconductor y a la resistencia de la rejilla metlica frontal. Vt: Potencial termodinmico, se expresa de la siguiente forma: Ct ( ) m k T KVe=(2.2) t(25 ) 25.7 V C mV = (2.3) Donde: e: carga del electrn 1.60