Efecto de la nubosidad en los paneles fotovoltaicos

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(1)Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Electroenergética. TRABAJO DE DIPLOMA Efecto de la nubosidad en los paneles fotovoltaicos AUTOR: José Felix Jiménez González TUTORES:. MSc. Ricardo Osés Rodríguez MSc. Gretchen Villar Vázquez Santa Clara 2017 “Año 59 de la Revolución’’.

(2) NIVERSIDAD CENTRAL ¨ MARTA ABREU¨ DE LAS VILLAS. FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA. Trabajo de Diploma “Efecto de la nubosidad en los paneles fotovoltaicos.” AUTOR: José Felix Jiménez González. Email: [email protected] TUTORES:. -MSc. Ricardo Osés Rodríguez [email protected] -MSc. Gretchen Villar Vázquez Email: [email protected] SANTA CLARA, 2016 ``AÑO 59 DE LA REVOLUCIÓN´´.

(3) Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería Eléctrica, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial como total y que además no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad.. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada.. Firma del Tutor. Firma del Jefe de departamento donde se defiende el trabajo. Firma del Responsable de Información Científico-Técnica.

(4) Agradecimientos. Quiero agradecer de forma especial a: Mis padres por el cariño, dedicación y desvelo que han mostrado durante esta larga travesía. A mi padrastro Luis que es un padre para mí, por todo su esfuerzo y dedicación. A mi hermana que la quiero mucho, por su apoyo incondicional. Mis tutores Ricardo Oses Rodríguez y Gretchen Villar Vázquez por su colaboración y paciencia en la realización de este proyecto. A mi abuela, por estar siempre en los momentos buenos y malos a mi lado, gracias por tu amor. A mi novia por todo su amor y apoyo, y su familia por su compañía y aliento. A toda mi Familia por haber confiado todo este tiempo en mí. A mis amigos. En general agradezco a todas las personas que de una forma u otra me han brindado su apoyo.. I.

(5) Tareas Técnicas Con el propósito de darle cumplimiento a los objetivos trazados en esta tesis, se tuvo en cuenta una serie de tareas técnicas para la confección del informe, ellas fueron:. . Identificar los referentes teóricos acerca del efecto de la nubosidad en la generación de los paneles fotovoltaicos.. . Recolectar los datos de nubosidad y generación de parques fotovoltaicos en lugares de interés.. . Valorar el efecto de la nubosidad en la generación del parque fotovoltaico.. . Modelar la generación del parque fotovoltaico.. . Evaluar los resultados obtenidos y arribar a conclusiones.. Firma del Autor. Firma del Tutor. II.

(6) Resumen En la actualidad Cuba enfrenta una batalla en cuanto al ahorro de energía debido al agotamiento de las reservas de combustible fósil, por lo cual una de las misiones de la Unión Eléctrica Nacional es la de instalar parques fotovoltaicos, ya que son una de las fuentes promisorias de energía alternativa en nuestro país. La fiabilidad a largo plazo de los módulos fotovoltaicos es crucial para asegurar la viabilidad técnica y económica de los sistemas fotovoltaicos. La investigación que se presenta tiene como objetivo determinar los efectos de la nubosidad en la generación de los paneles solares, a partir de la descripción del comportamiento de la generación del parque y como se ve afectada por la variable nubosidad, los cuales fueron identificados por la evaluación de los parámetros eléctricos, un análisis de los datos de generación del parque y modelación de la Potencia Activa a través de los datos de nubosidad. Los resultados presentados muestran a partir del análisis de Regresión Simple un modelo de generación muy bueno, significativo al 99%, estimándose un error en los valores pronosticados de 16%, transformando la energía fotovoltaica en una energía eléctrica despachable y pudiéndose mejorar considerablemente el pronóstico con un Modelo de Regresión Múltiple.. III.

(7) Índice General Agradecimientos .................................................................................................................................. I Tareas Técnicas ................................................................................................................................... II Resumen ............................................................................................................................................ III Índice General .................................................................................................................................... IV Introducción........................................................................................................................................ 1 Capítulo I. Marco teórico referencial sobre la energía solar fotovoltaica. ....................................... 6 Introducción................................................................................................................................. 6 1.1 Energía Renovable .............................................................................................................. 6 1.2. Tipos de energías renovables................................................................................... 10. 1.3 Energía solar ....................................................................................................................... 12 1.3.1 Energía Solar Térmica ................................................................................................. 14 1.3.2 Energía Solar Fotovoltaica .......................................................................................... 15 1.4. Temperatura y Radiación Solar. ............................................................................... 17. 1.4.1. Efecto de la temperatura en la célula solar fotovoltaica. .................................. 17. 1.4.2. Efecto de la radiación solar en la célula fotovoltaica. ....................................... 18. 1.5 La radiación solar en Cuba. ............................................................................................ 19 1.6 Importancia y necesidad de la energía solar a nivel global. .................................. 20 Conclusiones Parciales .......................................................................................................... 25 Capítulo II. Incidencia de la nubosidad en los paneles fotovoltaicos. ............................................ 26 Introducción............................................................................................................................... 26 2.1 Nubosidad. .......................................................................................................................... 27 2.2 Efecto de las sombras en los paneles fotovoltaicos. .............................................. 28 2.3 Datos de proyecto fotovoltaico seleccionado. .......................................................... 37 2.4 Predicción de la producción eléctrica. ........................................................................ 38 2.5 Modelo empleado. ............................................................................................................. 41 2.6 Software empleado. Características ............................................................................. 42 Conclusiones Parciales .......................................................................................................... 44 Capítulo 3. Modelación de la Potencia Activa trihorarioas (Pac) del parque solar utilizando la Nubosidad. ........................................................................................................................................ 45 3.1 Descripción del área de estudio .................................................................................... 45 IV.

(8) 3.2 Comportamiento de la Potencia Activa (Pac) ............................................................ 46 3.3 Comportamiento de la Nubosidad en Yabú ................................................................ 48 3.5 Cálculo de correlaciones ................................................................................................. 50 3.5.1 Potencia Activa y Nubosidad. ..................................................................................... 52 3.5.2 Potencia Activa y Fecha. ............................................................................................. 53 3.6 Modelo utilizado a partir de la metodología ROR ..................................................... 54 3.6.1 Resumen del Modelo ................................................................................................... 54 3.6.2 Desarrollo....................................................................................................................... 55 3.7 Resumen de modelo con un retardo de 6 mediciones. ........................................... 58 Conclusiones Parciales. ......................................................................................................... 59 Conclusiones Generales.................................................................................................................... 60 Recomendaciones............................................................................................................................. 61 Referencias Bibliográficas ................................................................................................................ 62 Anexos............................................................................................................................................... 65. V.

(9) Introducción El consumo mundial de energía eléctrica en las últimas décadas está fuertemente relacionado con el desarrollo de la industria, del transporte, los medios de comunicación y el uso doméstico; por esta razón, los problemas relacionados con la energía mantienen a la humanidad en constante expectativa, ya sea por los altos costos de los combustibles fósiles, el agotamiento de los mismos en un futuro no lejano, los niveles de contaminación ambiental y sus efectos ya palpables a escala planetaria, así como las guerras y movimientos sociales relacionados con la posesión de las fuentes se agudizan los problemas en todos estos frentes. Estos y otros problemas relacionados han motivado una incesante búsqueda de alternativas que pudieran aumentar la carencia energética en un momento dado y por ello los programas de ahorro y uso eficiente de los combustibles tradicionales y la combinación de éstos con otras fuentes, principalmente las de carácter renovable, han estado entre las opciones más trabajadas en las diferentes partes del mundo[1]. Las fuentes renovables de energía son parte de la solución hacia un desarrollo sostenible, es decir, un desarrollo que responde a las necesidades de hoy sin comprometer la capacidad de las próximas generaciones de responder a las suyas. La energía solar fotovoltaica ofrece una alternativa muy prometedora y es una de las nuevas formas de energía limpia [2]. La energía solar constituye la principal fuente de vida en la Tierra, dirige los ciclos biofísicos, geofísicos y químicos que mantienen la vida en el planeta, los ciclos del oxígeno, del agua, del carbono y del clima. La energía del Sol es la que induce el movimiento del viento y del agua, y el crecimiento de las plantas, por ello la energía solar es el origen de la mayoría de las fuentes de energía renovables: eólica, biomasa, hidroeléctrica, de las olas y corrientes marinas, además de la propia solar. Es una de las fuentes de energía renovable que más desarrollo está experimentando en los últimos años y con mayores expectativas para el futuro. Cada año el Sol arroja 4000 veces más energía que la que se consume, lo que demuestra que esta fuente energética está aún minimizada y poco explotada en relación a sus posibilidades.. 1.

(10) Introducción. La energía solar se está expandiendo más allá de sus mercados tradicionales, como Alemania, Japón y Estados Unidos, a países como Chile, norte de África y Tailandia. En realidad, la energía solar está presente en todo el mundo. A medida que bajan los precios, surgen muchos sitios, sobre todo en países en desarrollo, que tradicionalmente han padecido tarifas eléctricas elevadas y suministro poco fiable. En estos sitios, la energía solar se ha hecho de repente muy atractiva y competitiva. Aquí es donde aparece la cuestión del acceso a la energía. Es fácil instalar energía solar en lugares a los que antes no llegaba la red, es mejor y más barata que el queroseno y puede recargar el móvil o proporcionar iluminación. La energía solar fomenta el desarrollo rural, especialmente en países obligados a importar combustibles fósiles pagados con costosas divisas extranjeras [3].. La actuación de un sistema solar fotovoltaico es principalmente dependiente de las condiciones climáticas. La incidencia de la radiación solar y temperatura son los factores que significativamente contribuyen a su poder generado. La acción de las sombras disminuye la incidencia de la radiación sobre el panel solar. Esto proporciona una significante disminución en la potencia de salida, eficiencia y afecta el suministro a la carga. Estos sombreados pueden ser causados por: las nubes, los polos, los árboles o paneles mal colocados, dependiendo de la posición del Sol.. El efecto de sombras sobre los paneles fotovoltaicos, afecta notoriamente el rendimiento de estos, es por esto que se debe procurar al momento de diseñar una instalación fotovoltaica, situar los paneles en lugares donde no sufran este tipo de interferencias. Este efecto es más notorio en instalaciones de paneles conectados en serie, ya que si un panel es sombreado no generará los mismos niveles. La alta penetración fotovoltaica en un circuito de distribución eléctrico puede degradar severamente la calidad de la potencia debido a la caída o al aumento de la tensión causada por la rapidez de la generación FV durante el paso de las nubes [4].. Existen referentes teóricos importantes relacionados con los parques fotovoltaicos, como el trabajo de diploma de Meyli Amador González [1], que trabajó específicamente 2.

(11) Introducción. en la Generación de potencia reactiva asociada a los paneles fotovoltaicos, Danilo Hernández Pérez [5], Gretchen Villar Vázquez [6], entre otros que abordan la temática objeto de estudio pero no han trabajado específicamente el efecto de la nubosidad por lo que el autor de la presente investigación trabaja esta temática de manera integradora. Por tanto, en nuestro país existen situaciones de conflicto entre el estado ideal y el real de los parques fotovoltaicos producto del efecto de la nubosidad. Siendo este un aspecto importante a tener en cuenta cuando estudiamos la generación en los parques fotovoltaicos, mostrando que existen necesidades investigativas de potenciar su estudio, para poder predecir la generación de energía en estos. Esto conduce al siguiente Problema Científico: ¿Cómo influye la nubosidad en la generación de los paneles fotovoltaicos? El problema científico condiciona el Objeto: efecto de la nubosidad El Campo de Acción: Efecto de la nubosidad en la generación de los paneles solares. En correspondencia con el problema y el objeto de estudio se determinó como Objetivo General de la investigación: Determinar el efecto de la nubosidad para medir su influencia en la generación de los paneles solares. Para el logro del objetivo de este trabajo se trazaron los siguientes objetivos específicos: 1. Determinar los fundamentos teóricos que sustentan el efecto de la nubosidad en la generación de los paneles fotovoltaicos. 2. Determinar la incidencia de la nubosidad en la generación de paneles solares. 3. Evaluar el comportamiento del efecto nubosidad en un período de tiempo en diferentes lugares de interés para pronosticar la Potencia Activa del parque fotovoltaico 3 y 6 horas de antelación. 4. Valorar los resultados obtenidos a partir de la aplicación de la consulta a especialista.. 3.

(12) Introducción. Para dar cumplimiento a estos objetivos específicos las interrogantes científicas son: 1. ¿Cuáles son los fundamentos teóricos que sustentan el efecto de la nubosidad en la generación de los paneles fotovoltaicos? 2. ¿Qué situación presenta la incidencia del efecto nubosidad en la generación del parque fotovoltaico? 3. ¿Cómo evaluar el comportamiento de la nubosidad en un período de tiempo en diferentes lugares de interés? 4. ¿Cómo valorar los resultados obtenidos a partir de la consulta a especialista? Metodología utilizada: Del nivel teórico: Historio-lógico: Se utilizó en el estudio de los antecedentes teóricos, en la determinación de las regularidades, que permitieron elaborar la propuesta, facilitó las conclusiones y la realización del informe de investigación. Analítico sintético: Se utilizó durante el desarrollo del estudio y en toda la trayectoria de la investigación y llegar a las conclusiones. Inductivo-Deductivo: Se empleó durante toda la investigación, en el estudio teórico de los parques fotovoltaicos, para llegar a las regularidades sobre el comportamiento del efecto de la nubosidad y su relación con la generación en los PFV hasta el desarrollo de las conclusiones. Del nivel empírico: Análisis de documentos: Se aplicó esencialmente en la revisión de los registros de los datos de nubosidad y de generación de los PFV. La Observación y la Entrevista, la Encuesta, se utilizaron en la etapa de determinación de necesidades y el pronóstico de la medición de los efectos. Consulta a especialista. Se utilizó en la práctica utilizada con el objetivo de obtener datos confiables, de efectividad en la valoración de la relación de los parques fotovoltaicos y el efecto nubosidad.. 4.

(13) Introducción. Del nivel Matemático y Estadístico: Se utilizaron para tabular la información de los diferentes instrumentos de obtención de información aplicados durante el proceso de investigación utilizando el análisis porcentual y la estadística descriptiva. La investigación tiene como novedad: La fundamentación teórica con carácter integrador de la relación del efecto nubosidad y la generación en nuestra provincia, y el resultado para la práctica, propone una predicción de la generación fotovoltaica que fortalece el trabajo de la Empresa Eléctrica en Villa Clara. Posibles resultados: Con este proyecto se pretende contribuir al desarrollo de la explotación eficiente de los parques fotovoltaicos y que contribuya al estudio y análisis del efecto de la nubosidad en nuestro país en la generación fotovoltaica. Esta investigación permite predecir la generación de los PFV para valorar la explotación con los parques fotovoltaicos, disminuir el consumo de combustibles y la emisión de gases que contaminen el medio ambiente, la cual se realiza por primera vez en la UNE de Villa Clara. En este contexto la investigación se concreta en: Estructura de la tesis: La tesis está organizada por una introducción donde se precisa el diseño teórico-metodológico y tres capítulos: El primero examina los fundamentos teóricos sobre la generación fotovoltaica que necesito para el estudio de la nubosidad. El capítulo dos contiene el diagnóstico de necesidades para la realización del trabajo; evalúa la incidencia de la nubosidad en la generación de paneles solares y muestra los diferentes modelos de predicción de la generación. El capítulo tres se muestra el modelo utilizado para la predicción de la generación y el análisis de resultados y valoración. En este capítulo se explican los resultados obtenidos y se arriba a conclusiones. Con los resultados obtenidos y los aspectos abordados en el informe de investigación se arriba a conclusiones generales, recomendaciones y se precisa la bibliografía .. 5.

(14) Capítulo I. Marco teórico referencial sobre la energía solar fotovoltaica. Introducción La Energía renovable se agrupa en una serie de fuentes naturales que teóricamente no se agotan con el paso del tiempo, produciendo al mismo tiempo un impacto ambiental mínimo. La participación de las tecnologías energéticas renovables crece a nivel mundial. La mayoría de los países desarrollados invierten sumas millonarias para poner en explotación las diversas fuentes renovables de energía, por ser limpias y sobre todo sostenibles. Se puede afirmar, por tanto, que en menos de diez años las fuentes renovables de energía serán las de mayor participación. Nuestro país no se queda atrás en la implementación de estas tecnologías. En este capítulo se caracterizan los diferentes tipos de energías renovables, especificando dentro de ellas la solar y se muestran los fundamentos teóricos acerca de los parques fotovoltaicos.. 1.1 Energía Renovable El diccionario de la Real Academia Española [7] define energía renovable como aquella cuyas fuentes se presentan en la naturaleza de modo continuo y prácticamente inagotable. Hay varias formas de generar energía renovable, directa o indirectamente del Sol o del calor generado en el interior de la tierra. Incluyen la energía generada a partir de los recursos solares, eólicos, de biomasa, hidráulica, mareomotriz, y geotérmica. Aunque son inagotables, por su impacto positivo para el Medioambiente, se incluyen como energías renovables, las procedentes del tratamiento de los residuos Figura 1.1 y Figura 1.2.. 6.

(15) Capítulo 1. Figura 1.2: Tipos de Energía Renovable. Figura1.2: Evolución del consumo de Energía en el escenario Ecofys.. 7.

(16) Capítulo 1. Bajo el escenario de Ecofys, para el año 2050 la demanda de energía será un 15% menor de lo que es hoy en día; aun cuando la población, la producción industrial, los viajes de pasajeros y el transporte de carga vayan en aumento. Las ambiciosas medidas de ahorro de energía nos permitirán hacer más con menos, si se adoptan las siguientes medidas: . La industria utilizara más materiales reciclados y más eficientes energéticamente.. . Los edificios serán construidos o actualizados para requerir un mínimo de energía para calefacción y refrigeración.. . Habrá medios más eficientes de transporte. Figura 1.3: Composición del consumo mundial de energía. Escenario Ecofys. Las restricciones en las redes eléctricas explican el por qué las opciones de energía renovables no se utilizan plenamente, a pesar de que el despliegue potencial supera a la demanda. La figura 1.4 muestra las grandes posibilidades en las fuentes movidas por la demanda para el 2030. La razón por la cual dicha potencia no se utiliza plenamente es porque las redes eléctricas de transporte y distribución necesitan tiempo para adaptarse a los nuevos sistemas de generación que conllevan casi todas las energías eléctricas de origen renovable (discontinuidad, difícil de gestionar).. 8.

(17) Capítulo 1. Figura 1.4: Recursos potenciales vs recursos utilizados. Además de la reducción de costes, de equipos y aparatos más eficientes, de avances tecnológicos, las políticas gubernamentales de apoyo seguirán siendo fundamentales para la mayor parte de la capacidad a implementar. Cerca de 100 expertos gubernamentales, de la industria, del mundo académico, de las instituciones financieras y grupos civiles de todo el mundo se reunieron en la Agencia Internacional de Energía [8] el 29 de abril de 2016 para asesorar sobre las mejor manera de aprovechar las energías renovables para luchar contra el cambio climático, mejorar la seguridad energética y reducir la contaminación ambiental. La IEA (Agencia Internacional de Energía) organizo el taller de alto nivel en materia de energía renovable para analizar en profundidad la importancia y problemática de la energía renovable en la edición 2016, conclusiones que se publicaron en la principal publicación de la agencia “World Energy Outlook” de noviembre del 2016. El objetivo perseguido fue informar a los responsables políticos sobre los desafíos y oportunidades para el despliegue de las energías renovables para generación de electricidad y otros usos.. 9.

(18) Capítulo 1. 1.2. Tipos de energías renovables.. Energía Eólica Desde hace mucho tiempo hemos aprovechado la energía del viento o energía eólica en aplicaciones como el transporte con velas, la molienda de granos y el bombeo de agua, pero fue hasta hace relativamente pocos años, que se desarrolló la tecnología para transformar esta energía en electricidad a gran escala. La energía eólica o del viento es aprovechable mediante el uso de aéreogeneradores que la convierten en energía eléctrica, o bien transformando la misma en energía mecánica utilizando molinos de viento. Desde el punto de vista tecnológico estos sistemas son modulares y escalables, pudiéndose aprovechar desde pequeñas instalaciones, hasta instalaciones complejas de grandes dimensiones. La generación de esta energía no es continua, lo que obliga a utilizar mecanismos para transformar y acumular la misma, limitando con ello la capacidad y vida útil del equipamiento, encareciendo además el costo de inversión y el aprovechamiento de la capacidad potencial. El proceso consiste en atrapar la energía cinética asociada al viento y transformarla en otra fuente de energía como la mecánica o la eléctrica. Esta tecnología ha evolucionado desde finales del siglo XIX hasta alcanzar costos muy competitivos, que le han permitido posicionarse en los mercados eléctricos internacionales y complementar la oferta eléctrica mundial. Además de las dimensiones, los principales cambios que están teniendo los generadores eólicos el día de hoy son reflejo del avance que se tiene en materiales para su fabricación y la evolución de los álabes, rotores, generadores y sistemas de control. Existen dos técnicas principales a partir de las cuales se ha buscado transformar la energía eólica en electricidad:. 10.

(19) Capítulo 1. a) La primera, utiliza una máquina generadora de eje horizontal apoyada en lo alto de una estructura, cuyo rotor está provisto con álabes o palas que le permiten capturar la energía cinética del viento. b) La segunda, que utiliza un generador de eje vertical apoyado en el suelo con un rotor igualmente provisto de álabes que le permiten capturar la energía.. Hidráulica: La forma más común de hidroelectricidad consiste en el aprovechamiento de la energía potencial al embalsar un río, debido a la altura se tiene agua a alta presión que es conducida hacia una turbina hidráulica desarrollando en la misma un movimiento giratorio que acciona un alternador donde se genera una corriente eléctrica.. Biomasa: La biomasa obtiene su energía a partir del sol cuando las plantas están en crecimiento. Las plantas convierten la energía solar en energía química en el proceso de fotosíntesis. Esta energía se libera en forma de calor cuando la biomasa es quemada. El calor producido en el proceso, se usa para calentar agua y generar vapor que hace girar una turbina para crear electricidad. En algunos casos, la biomasa es quemada en combinación con carbón y se usa para reducir las emisiones de la producción de carbón tradicional. Las plantas productoras de energía eléctrica a partir de biomasa requieren agua para producir el vapor que genera el movimiento de las turbinas y para enfriamiento.. 11.

(20) Capítulo 1. “Cuba apuesta decididamente por las energías renovables. Es un asunto de seguridad y soberanía energética y una prioridad gubernamental. El objetivo de nuestro país es garantizar un suministro energético confiable, diversificado, moderno, a precios competitivos y en condiciones de sostenibilidad ambiental, aumentando sustancialmente el porcentaje de participación de las fuentes renovables de energía en la matriz energética nacional, esencialmente de la biomasa, hidráulica, eólica y fotovoltaica. Si hoy solo el 3,8 % de la energía generada en la nación se obtiene de fuentes renovables, en los próximos 8 años se aspira a llegar al 16,5 %. La biomasa cañera y forestal, la energía solar, la eólica y la hidráulica son las 4 fuentes principales para dar ese salto” [9]. En Cuba, por las características geográficas y climáticas, se puede decir que es de gran interés el estudio y explotación de la energía solar. Este trabajo centra su atención precisamente en evaluar y determinar los efectos de la nubosidad en la generación de los parques fotovoltaicos, que son un producto del aprovechamiento de la energía solar.. 1.3 Energía solar La energía solar consecuencia del aprovechamiento directo de la radiación solar, es la que brinda la energía necesaria para que se desarrollen todos los procesos naturales existentes en el planeta, y dar así origen a la vida como se conoce hoy. La radiación solar atraviesa el espacio vacío en todas direcciones y no sufre mayores pérdidas al interactuar con medios materiales. Sin embargo, la irradiancia solar, definida como la densidad de flujo radiante solar, es atenuada de acuerdo con el cuadrado de la distancia. Es razonable suponer que debido a la distancia entre el sol y la tierra, la irradiancia se mantiene constante en toda la superficie exterior de la atmosfera y que supone un valor promedio de 1367 W/m 2, conocida como la constante solar [10].. 12.

(21) Capítulo 1. A su paso por la atmosfera, la radiación solar es sometida a una combinación de procesos de reflexión, atenuación y difusión. La reflexión provocada por las nubes disminuye la radiación incidente en la superficie terrestre, mientras que atenuación y difusión provocan cambios en las características espectrales y su distribución espacial respectivamente [10] La radiación solar se puede clasificar en radiación directa, difusa y reflejada o de albedo, donde la suma corresponde a la radiación global incidente (ver Figura 1.5). La radiación directa corresponde a la porción que proviene directamente del sol. La radiación difusa es aquella que contempla los rayos dispersos por la atmosfera que no provienen directamente del sol, es decir, producto del rebote ya sea en nubes u otros. Otra fracción, la radiación reflejada o de albedo, proviene de la reflexión en el suelo, la cual se supone habitualmente pequeña y se desprecia en la mayoría de los casos [10].. Figura 1.5: Composición de la radiación global incidente. El aprovechamiento de la energía solar se puede realizar de dos formas: por conversión térmica de alta temperatura (sistema fototérmico) y por conversión fotovoltaica (sistema fotovoltaico, efecto fotoeléctrico). Se utiliza mediante dos grupos de tecnologías según sus características:. 13.

(22) Capítulo 1. Energía térmica mediante colectores térmicos o calentadores solares. Energía eléctrica, mediante la generación de electricidad con celdas fotovoltaicas en paneles solares u otros dispositivos fotovoltaicos.. 1.3.1 Energía Solar Térmica Esta preciada fuente de energía puede utilizarse mediante diversas tecnologías para secado de productos agrícolas, desalinización del agua y calentamiento de fluidos (agua, aceites, aire, etc.). Según el uso de estos se clasifica sistemas activos y pasivos. Los sistemas pasivos son los que no necesitan partes mecánicas móviles para su funcionamiento. Los activos son los que requieren de artefactos o mecanismos captadores donde se aprovecha la radiación solar para calentar un fluido de trabajo. Estos sistemas se obtienen cuando la radiación directa se refleja y se concentra en un punto, una línea o un plano, el aumento de energía en el área focal es directamente proporcional a la concentración, y la temperatura puede aumentar desde cientos de grados Celsius hasta miles en casos especiales. La aplicación más extensa de sistemas de concentración solar se da en la producción de electricidad fototérmica mediante plantas solares termoeléctricas donde la radiación absorbida calienta un fluido térmico (aceite o sal fundida). Este calor puede ser subsecuentemente utilizado para impulsar motores o turbinas de vapor que a su vez impulsan a generadores de electricidad por inducción. Hasta la fecha se han desarrollado tres tecnologías diferentes de generación solar fototérmica: . Plantas de concentración mediante canal parabólico. . Torre Central. . Plato Parabólico. 14.

(23) Capítulo 1. 1.3.2 Energía Solar Fotovoltaica Los sistemas fotovoltaicos convierten directamente la radiación solar visible en electricidad. Al dispositivo unitario donde se lleva a cabo el efecto de fotovoltaico se le llama celda solar, o celda fotovoltaica. El material semiconductor más utilizado para la construcción de fotoceldas es el silicio, produciendo densidades de corriente entre 10 y 40 miliamperes a voltajes entre 0.5 y 1 Volt. Al unirse varias celdas en serie o paralelo, se forman los llamados módulos fotovoltaicos, los cuales se comercializan por su determinada potencia. Siendo los paneles fotovoltaicos el método más utilizado en los sistemas de potencia.. Panel Solar Un panel solar corresponde a la unión de unidades más simples conocidas como celdas solares. Una celda solar es una unidad formada por una juntura 𝑝 − 𝑛2 de un material semiconductor, generalmente silicio. Esta es capaz de transformar la energía proveniente del sol en energía eléctrica por medio del efecto fotoeléctrico, donde los electrones se desplazan a la banda de conducción por el aporte energético de fotones incidentes. El funcionamiento de una celda solar se puede ver en la siguiente bibliografía [10].. Sistema fotovoltaico Un sistema fotovoltaico (SFV) es un sistema que provee electricidad a partir de la energía del sol usando celdas fotovoltaicas como medio de conversión. Estas celdas se agrupan en arreglos formando módulos fotovoltaicos con el fin de aumentar su potencia, los cuales son altamente confiables, de gran durabilidad y no generan ruido. Los sistemas fotovoltaicos se pueden dividir en dos grandes grupos [11]:. 15.

(24) Capítulo 1. Sistemas fotovoltaicos conectados a la red (on-grid) Sistemas fotovoltaicos no conectados a la red, “stand-alone systems” (off-grid). Figura 1.6: Sistema fotovoltaico.. Los sistemas conectados a la red a su vez se pueden dividir en dos grupos [11]: -Sistemas centralizados. -Sistemas distribuidos o dispersos.. Los sistemas centralizados son aquellos que entregan la totalidad de su energía a la red, es decir, su objetivo principal es cumplir con el abastecimiento de grandes bloques de energía. Comúnmente son instalados a ras de tierra y con potencias mayores a 1MW [12]. Dentro de este grupo se encuentran las grandes plantas FV. Los sistemas distribuidos o dispersos son aquellos que proveen energía a algún consumidor en específico y cuyo exceso es entregado a la red [11]. Entre estos sistemas destacan los incorporados en el lado de la demanda con el fin de abastecer cargas internas y así disminuir el consumo desde la red. También existen aplicaciones en edificaciones públicas y comerciales y en construcciones ambientales como autopistas, etc. Las dimensiones de estas aplicaciones van desde 1 a 4 kW para sistemas residenciales y desde 10 kW a varios MW en el techo de edificaciones públicas y privadas [12].. 16.

(25) Capítulo 1. En cuanto a sistemas off-grid o no conectados a la red destacan aplicaciones profesionales (telecomunicación, sensores remotos, etc.) y de electrificación rural [11]. Electrificar zonas que se encuentran apartadas de los puntos de conexión mediante generación FV representa una oportunidad de desarrollo para países que no pueden costear largas líneas de transmisión. Esta aplicación en combinación con distintas fuentes de energía como son el viento y diésel permiten crear sistemas completamente independientes, de menor costo y de alta confiabilidad [12].. 1.4. Temperatura y Radiación Solar.. Es necesario explicar de qué manera actúa la temperatura y la radiación solar en la célula fotovoltaica debido a que son las causas principales por la que la característica de salida I-V de los paneles fotovoltaicos se ve afectada, lo cual significa que no se obtiene una potencia constante en los terminales del panel fotovoltaico. Por esta razón y para trabajar en el punto óptimo de potencia necesitamos realizar el circuito de búsqueda del punto máximo. Se comenzará observando cómo afecta la temperatura en el parque fotovoltaico y posteriormente la radiación. Se mostrarán gráficos de Pac(kW) vs t(h) y Tamb (), Tmod () vs t(h) a lo largo de días típicos que fueron tomados como muestra para el posterior análisis y modelación de la nubosidad en el Parque Fotovoltaico del Frigorífico de Santa Clara, en el cual se llevara a cabo el estudio.. 1.4.1 Efecto de la temperatura en la célula solar fotovoltaica. Cualquier objeto que se encuentre bajo la acción de la radiación solar, se calentara, y en nuestro caso la temperatura es un factor muy importante a tener en cuenta a la hora de utilizar elementos fotoeléctricos. En la siguiente figura 1.7 se muestra la característica de salida de una célula fotovoltaica en función de la temperatura. La curva de la izquierda corresponde a una temperatura muy por encima de los 25°C y. la. curva. de. la. derecha. corresponde. a. una. temperatura. de. 0°C.. 17.

(26) Capítulo 1. Figura 1.7: Influencia de la temperatura sobre la salida de la célula fotovoltaica. En la gráfica se puede observar que la temperatura afecta directamente a la tensión de circuito abierto de la célula fotovoltaica, de modo que la potencia de salida se ve afectada de igual forma. A medida que la temperatura aumenta, la tensión y la potencia de los bornes del panel disminuyen. Además, se observa que la temperatura apenas afecta a la corriente que aporta el panel.. 1.4.2 Efecto de la radiación solar en la célula fotovoltaica. De igual modo que ocurre con la temperatura, la radiación solar también afecta directamente al rendimiento de la célula solar fotovoltaica, evidentemente los cambios en la radiación producen una variación en la característica de salida de la célula fotovoltaica.. 18.

(27) Capítulo 1. Figura 1.8: Influencia de la radiación solar sobre la salida de la célula fotovoltaica.. En este caso, observamos que la tensión de circuito abierto apenas varía con la influencia de la radiación, en cambio, ahora es la corriente de cortocircuito la que se ve afectada, de forma que, a menor radiación, menor corriente de salida y por lo tanto menor potencia de salida.. 1.5 La radiación solar en Cuba. En la Tierra la radiación solar es la principal fuente de energía primaria. Prácticamente es inagotable, no contaminante, está territorialmente distribuida y su disponibilidad potencial es muy superior a las necesidades energéticas del hombre. La distribución de la energía solar que llega a la Tierra no es uniforme y Cuba recibe una gran cantidad de radiación solar. En cada metro cuadrado del territorio cubano se recibe diariamente una cantidad de energía solar equivalente a medio kilogramo de petróleo combustible, valor promedio prácticamente invariable durante todo el año. Esto significa que, en 19.

(28) Capítulo 1. nuestro territorio, sin contar los mares adyacentes, se recibe cada año una radiación solar cuyo valor energético equivale a veinte mil millones de toneladas de petróleo. El equivalente al consumo actual de petróleo se recibe en un terreno de apenas 50 kilómetros cuadrados [13]. La transformación directa de la radiación solar en electricidad por conversión fotovoltaica, es una de las formas más promisorias de su aprovechamiento en nuestro país. Su sostenido desarrollo internacional permite ya utilizarla con una mayor rentabilidad que la del resto de las fuentes convencionales en diferentes aplicaciones aisladas y remotas, así como se generaliza su uso en el bombeo. Aplicaciones tales como el Programa de Electrificación Fotovoltaica a las Casas Consultorios del Médico de la Familia, en las montañas y zonas rurales remotas, con más de 460 instalaciones funcionando, varios hospitales de montaña, escuelas con internado, más de 150 círculos sociales, más de 2 300 escuelas primarias y más de 1200 salas de televisión, confirman lo positivo de esta solución [13].. Cuba se caracteriza por una buena presencia de radiación en todo el país; para solo un 10% del territorio nacional la radiación solar fluctúa por debajo de 5kW.h/día [13].Con este potencial de radiación en prácticamente toda nuestra isla, la energía solar es una fuente energética promisoria para para un futuro sustentable y de estabilidad en el Sistema Electroenergético Nacional (SEN), así como para las diferentes aplicaciones en las cuales se aplica esta fuente de energía alternativa.. 1.6 Importancia y necesidad de la energía solar a nivel global. Los países más desarrollados poseen una gran infraestructura en carreteras, edificaciones, desarrollo automotriz etc. Que los hacen más competitivos y a la vez más consumidores de petróleo. La solución en el futuro no está en disminuir la cantidad de automotores, sino en que ellos puedan consumir energías no. 20.

(29) Capítulo 1. provenientes de combustibles fósiles, en particular del petróleo, el cual debe reservarse fundamentalmente para desarrollar nuevas fuentes energéticas. A la Humanidad se le presenta un reto muy importante y nosotros como profesionales el desarrollo de la rama energética deberemos preguntarnos: ¿existen suficientes recursos para acabar con la pobreza, alcanzar un desarrollo social y económico significativo para la mayor parte de la población mundial, proteger el medio ambiente y conservar al mismo tiempo las comodidades y ventajas que ha aportado la tecnología moderna? Para responder afirmativamente esta pregunta, se necesita en primer lugar un cambio radical de los paradigmas de consumo, en donde la educación ha de jugar un papel predominante. También es necesario llevar a cabo políticas promotoras de investigación y desarrollo que permitan el progreso de nuevas tecnologías más eficientes en el consumo de la energía. Otro aspecto muy importante es la inversión de capitales, en particular, en una primera etapa, de las nuevas fuentes renovables de energía que deben sustituir a los combustibles fósiles. ¿Es ficticia la posibilidad de un sistema energético basado en fuentes renovables? Por supuesto que no, más aún, es imprescindible esa transición para la supervivencia de la Humanidad. Ese tránsito ha comenzado, pero debe intensificarse su ritmo y para ello son necesarios financiamientos que provengan fundamentalmente de los países desarrollados, imponiendo, por ejemplo, impuestos a las transnacionales de la energía y a las corporaciones militares.. Uno de los grandes temas de la Ciencia lo constituye la energía y uno de sus objetivos centrales será encontrar fuentes alternativas. La solución del problema energético presupone que las nuevas fuentes sean compatibles con el medio ambiente y permitan un desarrollo sostenible para la humanidad. Entre las propuestas de las nuevas fuentes de energías, el Sol ocupa un lugar de extraordinaria importancia, por la gran cantidad de energía que recibimos de él, así como a las posibilidades concretas de aplicaciones directas e indirectas de la tecnología solar.. 21.

(30) Capítulo 1. La energía fotovoltaica, comparada con el resto de las fuentes renovables de energía, tiene entre sus ventajas más importantes:. • Su conversión es la más instantánea de todas. • No tiene partes móviles y el costo de mantenimiento es el más bajo de todos • Es una tecnología madura y aceptada internacionalmente • Es una tecnología que permite generar empleos y un desarrollo industrial sustentable • Es altamente confiable al ser el Sol una fuente de energía limpia, inagotable y de acceso libre • Es la mejor opción en fuentes renovables de energía para introducir en un ambiente urbano • Es fácil de producir e instalar a escala masiva • Es el modo más accesible de proveer de energía a los miles de millones de personas sin electricidad en el mundo. Entre los problemas actuales para el desarrollo de la energía fotovoltaica a escala tecnológica se pueden mencionar: a) Por tratarse de una tecnología relativamente nueva no existe la suficiente cultura y conocimientos respecto a su capacidad y utilización. b) El costo inicial de la instalación es alto si se compara con sus similares. c) Las instalaciones no son fáciles de obtener de manera comercial y a gran escala.. Sin embargo, el problema fundamental radica en que, a diferencia de los combustibles fósiles, su uso en el transporte es actualmente complicado.. Un reflejo del incremento de la industria fotovoltaica se muestra en la figura 1.9 en el 2006, la producción mundial de potencia fotovoltaica alcanzó 2368 MW que comparada con la del 2000 representa un incremento del 823%. La producción de energía fotovoltaica a través de la fabricación de paneles solares aumentó 22.

(31) Capítulo 1. exponencialmente durante los últimos quince años y se espera que continúe con esa tendencia hasta el 2030. Japón es el país líder y Alemania es el país que está a la vanguardia en la Unión Europea. Ambos países han basado su crecimiento en un adecuado balance de los programas de investigación y desarrollo, asociados a una acertada política fiscal que incentiva el uso de energías provenientes de fuentes renovables [14].. Figura 1.9: Producción global fotovoltaica. Hoy en día, los dispositivos fotovoltaicos tienen costos competitivos y son comercializados para aplicaciones en industria, hogar y entretenimiento. Como punto de referencia, en 2014 se inauguró la primera planta de energía solar a gran escala en México ubicada en La Paz, Baja California Sur. La implementación de este tipo de tecnología genera energía limpia, barata y suficiente para abastecer el consumo de 164 mil habitantes (65% población de La Paz) [15]. Además, existe un prototipo de avión que es impulsado solo con celdas fotovoltaicas, conocido como Solar Impulse ΙΙ [3]. El uso de paneles solares en zonas agrestes, en donde es muy difícil llevar la instalación de cableado para abastecer a comunidades rurales de energía eléctrica ha permitido el desarrollo de la agricultura moderna y un notable mejoramiento de la calidad de vida de los habitantes de estas zonas. De manera más directa se puede observar el uso de celdas fotovoltaicas en el alumbrado público, en donde un pequeño panel solar es suficiente para abastecer una luminaria instalada en la vía pública, sin necesidad de instalación eléctrica por 23.

(32) Capítulo 1. cables. De igual forma, en el área de entretenimiento podemos encontrar fundas para celular con un panel solar que permite la recarga del celular, calculadoras solares, carros a control remoto, etc. Con estos ejemplos podemos observar que el desarrollo científico y tecnológico del aprovechamiento de la energía solar para su conversión en energía eléctrica, ha llevado a los científicos a crear tecnología no solo más económica sino de mayor durabilidad que facilitan la vida y favorecen la economía mundial. Sin embargo, aún existe un continuo desarrollo científico en esta área y en un futuro podremos conocer cuáles serán los nuevos descubrimientos que la ciencia en celdas fotovoltaicas nos presentará.. 24.

(33) Capítulo 1. Conclusiones Parciales En este capítulo podemos concluir que las perspectivas de los parques fotovoltaicos son prometedoras, presentando un grupo de ventajas significativo como lo es, la no contaminación del medio ambiente, es una tecnología que presenta una fácil instalación y mantenimiento, son silenciosos, utilizan una fuente de energía ideal para ser usada en la generación distribuida lo que los hace libres del consumo de combustibles fósiles. Otras razones por la que esta fuente de energía renovable en el mundo toma el tercer lugar después de la hidráulica y la eólica, son la disminución del precio y el aumento de su eficiencia. En el mundo las grandes potencias económicas son líderes de la energía fotovoltaica, convirtiéndola en una energía alternativa para un desarrollo sostenible.. 25.

(34) Capítulo II. Incidencia de la nubosidad en los paneles fotovoltaicos. Introducción La nubosidad es unos de los factores que más afecta la GF (generación fotovoltaica) a escala mundial, cualquier tipo de dificultad proveniente del Efecto Sombra genera una ineficiencia considerable en el arreglo del parque fotovoltaico principalmente provocada por el desacuerdo entre los paneles. En el siguiente capítulo. se. brindaran procedimientos para disminuir la ineficiencia provocada por el efecto sombra para lograr un trabajo eficiente del arreglo del parque fotovoltaico a través de técnicas de MPPT, nuevas configuraciones de conexión de los paneles o topologías diferentes de la tradicional centralizada, se realizará una síntesis sobre los principales y más relevantes investigaciones en la predicción de GF, además de un resumen sobre las principales características y especificaciones sobre el software empleado para la modelación.. 26.

(35) Capítulo 2. 2.1 Nubosidad. Se llama grado de nubosidad a la fracción de cielo que, en un momento dado, aparece cubierta de nubes: al cielo completamente despejado corresponde el 0 de la escala; al cielo cubierto totalmente corresponde el grado 10. Su evaluación suele hacerse a ojo. Aunque el procedimiento pueda parecer impreciso, la experiencia confirma que dos observadores con práctica en la determinación de la nubosidad casi siempre coinciden en sus estimas. En algunos observatorios meteorológicos se realizan mediciones con aparatos de la altura de las nubes. La variación diaria de la nubosidad se caracteriza de un modo general por una oscilación única (raramente se produce una doble oscilación en las 24 horas) y está relacionada con la correspondiente oscilación de la humedad relativa y ésta su vez con la de la temperatura. La variación anual presenta diferencias muy marcadas de unas zonas a otras, en función del régimen pluviométrico, distribución de tierras y mares, el régimen de presiones y vientos [16].. Figura 2.1: Muestra la variabilidad de irradiación recibida que existe entre un día despejado y un día cubierto. En la figura 2.1 se muestra la estrecha relación que existe entre la irradiación y la nubosidad. A medida que aumenta la nubosidad disminuye la irradiación, aunque esta nunca llega a ser cero mientras sea de día, es por ello que los PFV nunca llegan a tener una generación nula.. 27.

(36) Capítulo 2. 2.2 Efecto de las sombras en los paneles fotovoltaicos. En la literatura a los efectos producidos por las sombras en los paneles solares se le llama efecto nube, ya sea producido por construcciones, las mismas nubes, árboles o propiamente por el arreglo del propio parque fotovoltaico que alcanza su máximo en los amaneceres y atardeceres. De las tres componentes de la radiación solar, el efecto nube elimina a la radiación directa la cual entrega la mayor porción de energía al panel FV.. Los efectos que producen estas sombras dependen fuertemente de: -La configuración del arreglo de los paneles fotovoltaicos [17]. - La no homogeneidad de la sombra a través del mismo panel [18, 19].. Una sombra homogénea en toda el área del panel figura 2.2(b) provoca únicamente una disminución en la cantidad de radiación total incidente en el panel fotovoltaico y consecuentemente una bajada en su potencia de salida.. Figura 2.2: Tipos de sombra en los paneles. a) Panel sin sombra. b) Panel con sombra homogénea. c) Panel con sombra no homogénea.. Por otro lado, el efecto que produce una sombra que no es homogénea o como es conocido en la literatura “partial shading”, es muy diferente y depende fuertemente de la configuración serie-paralelo que posean las celdas internamente. Este puede provocar además que las celdas de un panel reciban distintas radiaciones o bien que las celdas inyecten corrientes distintas dentro de un mismo panel. De este modo es útil distinguir entre sombras homogéneas y no homogéneas para analizar sus 28.

(37) Capítulo 2. efectos [18]. En el caso de la de la figura 2.2(c) que es un sombreado no homogéneo, las celdas que están bajo sombra inyectaran menos que otras corrientes dependiendo de la intensidad del sombrado. Si las celdas están conectadas en paralelo, las cuales están trabajando con diferentes niveles de corrientes, el efecto será la suma de las corrientes por celda y debido a su conexión operan al mismo nivel de tensión no provocándose problemas mayores. Por otro lado, si las celdas que operan a corrientes distintas se encuentran conectadas en serie, el efecto podría llevar a un punto forzado de operación a las celdas que generan menor corriente, lo que genera un desgaste para el panel [17].. Maximun power point tracking (MPPT) El “maximum power point tracking” o más conocido como MPPT corresponde a la implementación de un algoritmo de rastreo o “tracking” del punto de operación que entregue la máxima potencia o MPP (Maximun power point), en un determinado arreglo de paneles solares. Este algoritmo de búsqueda está programado en los conversores. Existen variados métodos de búsqueda, los cuales se diferencian ya sea por la velocidad de búsqueda del óptimo, precisión, gasto de cómputo y el costo [20].. Producto del “partial shading” se produce la aparición de múltiples MPP en la curva P-V de un arreglo FV. Un sistema fotovoltaico sometido a partial shading, causará la aparición de máximos locales en la curva característica P-V. De esta manera, fijar el punto de MPPT en el conversor será más complejo y el no operar en el MPP global se traduce en pérdidas en potencia y desgaste en los paneles, puesto que algún panel estará trabajando fuera de su punto de operación. Las soluciones para este tipo de problemas se centran principalmente en un buen seguimiento de MPP y el adecuado uso de diodos de bypass entre los paneles.. 29.

(38) Capítulo 2. A continuación, se muestra un arreglo fotovoltaico de 2 ramas serie conectadas en paralelo, cada rama serie con 3 paneles. Mediante figuras se mostrará el efecto de sombreados parciales [21]. En la figura 2.3 se muestra en: a) el arreglo en condiciones normales de operación b) y c) respectivas curvas características I-V y P-V.. Figura 2.3: a) Arreglo de paneles de 3 x 2 en condiciones normales, b) Característica I – V, c) Característica P – V Bajo los efectos de “partial shading”, se supone que un panel será cubierto por sombra y los efectos que se producen se observan en la figura 2.4. Se aprecia claramente la aparición de un máximo global y un máximo local en la curva característica P-V.. 30.

(39) Capítulo 2. Figura 2.4: a) Arreglo de paneles de 3 x 2 en condiciones de sombreado, b) Característica I – V, c) Característica P – V [29].. Efecto de aumento de temperatura en celdas o “hot spot” Además de lo mostrado anteriormente existe otro efecto llamado “hot spot” producto del “partial shading”, el mismo corresponde al aumento de la temperatura de una o varias de las celdas del panel, esto se produce por sombras o fallas en las en las celdas [22]. Si las celdas están conectadas en serie formando una rama y además existen unas pocas celdas fuertemente sombreadas, entonces dominará el punto de operación determinado por las celdas no sombreadas ya que estas inyectan más corriente. De este modo las pocas celdas sombreadas tendrán que seguir el punto de operación de corriente dado por las demás celdas no sombreadas de la rama serie. Esto fuerza a las celdas sombreadas a trabajar en un voltaje negativo, en la zona de polarización inversa, lo que se traduce como si las celdas tuviesen comportamiento resistivo, disipando energía o aumentando la temperatura, mientras circula la corriente de la rama serie [23].. 31.

(40) Capítulo 2. Para apalear este efecto, se emplean diodos de bypass interpanel, que tienen como función desacoplar las celdas que están operando con sombra. Generalmente se utilizan 2 diodos de bypass por cada rama serie de celdas, uno para cada mitad conectados en anti-paralelo. Así se asegura que en caso de que se provoque un “hot spot” en alguna mitad de la rama serie, el diodo respectivo conduzca, mientras que la otra mitad sigue inyectando corriente [24].. Efecto de Múltiples MPP Otro efecto producido por partial shading con sombras no homogéneas tiene relación con la aparición de múltiples MPP en la curva V-P del arreglo FV afectado por la sombra. Como ya se mencionó, la existencia de sombras en un panel se ve reflejado en las curvas V-I de las celdas, y dependiendo de si estas están conectadas en serie (comúnmente es así) o en paralelo el efecto será más o menos dañino, llegando en el peor de los casos a activar el diodo de bypass dejando fuera de operación al panel. Para visualizar de mejor forma este problema se analiza la configuración de dos paneles en serie, donde uno de los paneles está afectado por sombra. En la Figura 2.5(a) se presentan las curvas V-I de ambos paneles donde se destacan distintas corrientes de operación del arreglo. En la figura 2.5(b) se presenta la curva V-I y V-P del arreglo, donde se destacan los mismos puntos de operación. Es posible apreciar que para el punto A de corriente Ia ningún panel está operando en su MPP, pero ambos entregan potencia. En B el panel sombreado está operando en su MPP no así el panel sin sombra, este punto corresponde a un MPP local del arreglo, ambos paneles entregan potencia. En los puntos C y D el diodo bypass del panel sombreado está conduciendo por lo que este panel no entrega potencia. En D el arreglo opera en su MPP global, el cual coincide con el MPP del panel sin sombra. Cabe mencionar que si ambos paneles operaran de manera independiente se podría obtener niveles de potencia mayores al MPP global mostrado en D, haciendo operar a ambos paneles en sus respectivos MPP.. 32.

(41) Capítulo 2. Figura 2.5: Efecto de múltiples MPP en arreglos con “partial shading” [25] a) Curvas V-I de los paneles y b) Curva V-I y V-P del arreglo FV.. Los investigadores han propuesto varios métodos que buscan mitigar estos efectos provocados por el partial shading. Las alternativas van desde nuevos algoritmos de búsqueda para llegar al MPP global, reconfiguración de paneles, por solo nombrar las más importantes [25]. A continuación, se hará un breve recorrido por estos métodos de mitigación.. Técnicas de MPPT para arreglos fotovoltaicos con partial shading: Existen un gran número de nuevas técnicas y variaciones de las técnicas tradicionales que incorporan al partial shading como un fenómeno intrínseco de la generación fotovoltaica y que debe ser considerado siempre. Estos nuevos algoritmos de búsqueda tienen el objetivo de diferenciar el MPP global de los demás MPP locales que pudieran existir. A continuación, se muestra una tabla que incorpora las técnicas recopiladas en [23] donde se destacan las características principales de un MPPT.. 33.

(42) Capítulo 2. Tabla 2.1: Comparativa de técnicas MPPT para Efecto Sombra [23].. Como se pudo apreciar anteriormente existen diferentes técnicas para mitigar el efecto sombra en los parques fotovoltaicos la elección de uno de ellos va unido al estudio del proyecto que se vaya a implementar.. Configuración de arreglos de paneles Como otra forma de paliar el efecto del partial shading se ha investigado en nuevas formas de interconexión entre paneles que no sean la ya tradicional SP (serieparalelo) y SS (simple serie). Es así como nuevas configuraciones han surgido, entre ellas la TCT (total-cross-tied), BL (bridge-linked) y HC (honey-comb). Las configuraciones habituales como la SS y SP son ocupadas debido a su simpleza y menor costo debido a que requieren menor cantidad de cables. La configuración que obtiene los mejores rendimientos es la TCT, la cual incrementa el MPP de un mismo arreglo en 3,8% en comparación con SP, lo sigue la configuración BL con un 2,3% [23]. La configuración HC se encuentra por debajo de TCT, pero obtiene mejores resultados en potencia y factor de llenado (fill factor4) que BL [25] 4-Factor de llenado o fill factor corresponde a la relación entre la potencia en el MPP y el producto entre voltaje de circuito abierto y corriente de corto circuito.. 34.

(43) Capítulo 2. Figura 2.6: Configuraciones de arreglos fotovoltaicos para partial shading [25]. a) Serie-paralelo (SP), b) Total-cross-tied (TCT), c) Bridge-linked (BL) y d) Honeycomb (HC).. Topologías que mitiguen el partial shading Estas alternativas atacan los problemas del partial shading por diversas vías, teniendo como punto común la incorporación de nuevos dispositivos y conexiones que difieren de la tradicional topología centralizada. Las topologías se pueden comparar por medio de algunas características que denotan la eficiencia de estas como, por ejemplo, capacidad de MPPT por panel, string o arreglo, pérdidas de potencia, facilidad de expansión, simpleza en implementación, estructura de control y costo, por nombrar las de mayor importancia. La tabla 2.2 es un resumen de lo recopilado en [25].. 35.

(44) Capítulo 2. Tabla 2.2: Resumen de las topologías mitigadoras de partial shading.. 36.

(45) Capítulo 2. 2.3 Datos de proyecto fotovoltaico seleccionado. El Parque Fotovoltaico del Frigorífico (PFV) en Villa Clara, el segundo de su tipo instalado en el territorio nacional, está compuesto por una parcela de aproximadamente una hectárea, con una capacidad de generación total de 0.962 MW de potencia eléctrica. Utiliza como fuente de generación de energía eléctrica la radiación solar, y para ello cuenta con un total de 5200 módulos fotovoltaicos de 185 W cada uno. Estos módulos están agrupados en 260 mesas, o sea, 20 módulos por mesa de estructuras metálicas galvanizadas distribuidas en 16 filas convenientemente orientadas hacia el Sur. El voltaje de Corriente Directa (CD) que generan los módulos es convertido en voltaje de Corriente Alterna (CA) para que pueda ser entregado al SEN mediante un transformador de voltaje 400V / 34.4kV de 1MVA de capacidad; de esta tarea se encargan 52 inversores Sunny Tripower de la firma alemana SMA de 17kW y 18kWp, los cuales están conectados a 100 módulos cada uno, o sea, 5 mesas. Anualmente la producción de energía eléctrica es de aproximadamente 1300MW. Además cada doce meses permite ahorrar 380 toneladas de petróleo y deja de emitir a la atmósfera más de 1000 T de dióxido de carbono, y también permite garantizar diariamente que un total de 750 viviendas dispongan de corriente eléctrica a través de la energía solar [26]. En la figura 2.1 se puede apreciar la localización del PSFV y la ubicación de las celdas en el área determinada. En la figura 2.7 se puede apreciar la localización del PSFV y la ubicación de las celdas en el área determinada [5].. 37.

(46) Capítulo 2. Figura 2.7: Localización y plan general del parque solar fotovoltaico.. 2.4 Predicción de la producción eléctrica. La conexión a la red de sistemas fotovoltaicos requiere más allá de cuestiones de cuestiones relacionadas con la seguridad y estabilidad de la red, la producción esperable de electricidad sea conocida con la mayor exactitud posible por los operadores del sistema eléctrico. Como la penetración fotovoltaica no ha empezado a ser relevante hasta fechas recientes (segunda década del siglo XXI) el interés por predecirá corto plazo la producción eléctrica de los sistemas fotovoltaicos es relativamente reciente. A esta falta de interés también contribuyen otros factores: la actitud de los gestores de las redes eléctricas y especialmente, las grandes compañías eléctricas al considerar a la fotovoltaica y al resto de energías renovables como añadidos no deseables a los sistemas eléctricos que dificultan la gestión de los mismos y deben ser soportados por el resto de fuentes de generación.. 38.

(47) Capítulo 2. La predicción de la electricidad generada por un sistema fotovoltaico está íntimamente ligada a la predicción de la radiación incidente y nubosidad. Esto es así debido a que la electricidad generada depende en su mayor medida de la irradiancia incidente sobre el generador, además siendo dependiente de otros parámetros externos (entre los que cabe destacar la temperatura ambiente) menos relevante. Tal es así que en la literatura es más frecuente encontrar trabajos que se centran en la predicción de la radiación, aun cuando el fin sea conocer la generación futura de un sistema fotovoltaico, que trabajos sobre la predicción de electricidad generada en sí. En estos últimos casos, la electricidad que producirá un sistema fotovoltaico a corto plazo puede calcularse prediciendo valores futuros de variables meteorológicas a partir de valores pasados (modelos exógenos) o directamente a partir de valores pasados de generación eléctrica (modelos endógenos [27]. Pese a la relativa novedad del interés en la predicción de la generación eléctrica, es posible encontrar en la literatura estudios sobre predicción, indicativo del creciente interés por este asunto. En un número reducido de casos el cálculo de los estadísticos esta desvirtuado al llegar a incluir calores nocturnos en el cómputo del error medio. A continuación, se resumen los resultados más relevantes sobre predicción de generación fotovoltaica. - Reikard (2009) emplea varios modelos de predicción autorregresivos, ARIMA, redes neuronales, modelo de componentes inobservados y modelos híbridos para predecir la radiación en 6 localizaciones distintas en EUA. Los intervalos temporales empleados son de 5, 15, 30 y 60 min. Para los intervalos inferiores a una hora el horizonte de predicción es una hora y para el intervalo de 60 min el horizonte de predicción es de 4 horas. De todos los modelos empleados, el estudio en ARIMA y redes neuronales destacan del resto, siendo sus resultados muy similares entre sí. ARIMA proporciona resultados ligeramente proporciona resultados ligeramente superiores para casi todos los intervalos temporales salvo para la mayor resolución (5 min) donde las redes neuronales superan a ARIMA) [27]. w- Mellit (1010) predice valores horarios de radiación con 24 horas de antelación para la localidad de Triste, Italis. Como único modelo de predicción emplea una red 39.