La energía solar, fuente tanto directa como indirecta de la mayor parte de la energía en la superficie terrestre, posee un inmenso potencial de desarrollo. Las reservas de energía solar son vastas, y la Tierra recibe aproximadamente 173.000 TW de energía solar cada segundo, el equivalente a quemar 5 millones de toneladas de carbón cada segundo.
Reconociendo este enorme potencial, la tasa de utilización de la energía solar ha aumentado de forma constante durante las últimas dos décadas. Diversas instituciones de investigación han realizado las siguientes predicciones: la generación de energía solar representará el 20 % de la demanda energética mundial total para 2050 y más del 50 % para 2100.
Como resultado, la generación de energía solar Se ha convertido en uno de los temas de investigación más destacados. El uso de la energía solar para calefacción y generación de electricidad, especialmente mediante tecnología fotovoltaica, tiene el mayor potencial.
En las últimas décadas, países de todo el mundo han implementado sus propios programas de generación de energía solar. Entre ellos, Estados Unidos, Alemania y Japón han estado a la vanguardia, centrándose en el desarrollo de tecnología solar conectada a la red. China también ha logrado avances significativos en los últimos años, lanzando sus propias iniciativas de tecnología solar conectada a la red.
Sin embargo, el principal desafío actual para la generación de energía fotovoltaica reside en mejorar la eficiencia del sistema. Las características de la celda fotovoltaica determinan las características operativas y la eficiencia de conversión de energía del sistema de generación fotovoltaica, lo que requiere el análisis del comportamiento operativo de las celdas fotovoltaicas.
Con la aplicación generalizada de sistemas de generación de energía fotovoltaica, un número cada vez mayor de plantas de energía fotovoltaica distribuidas y plantas en terrenos irregulares enfrentarán entornos de iluminación más complejos y variables, lo que requerirá la optimización del rendimiento de generación de energía fotovoltaica en condiciones de sombreado.
La intensidad de la luz afecta significativamente las condiciones de funcionamiento de las células fotovoltaicas, y las condiciones de iluminación pueden variar tanto en grandes plantas solares como en sistemas de generación distribuida.
Cuando una cadena fotovoltaica se ve sombreada por obstáculos como la sombra de árboles, edificios, nubes o polvo, se generan condiciones de sombreado parcial (PSC). En estas condiciones, la luz recibida por la parte sombreada difiere de la recibida por la parte no sombreada, lo que provoca un cambio en las características de salida de algunos módulos fotovoltaicos.
Esto provoca un claro desajuste, lo que provoca una generación excesiva de calor en algunos paneles fotovoltaicos, un fenómeno conocido como «efecto de punto caliente». Este efecto puede incluso provocar incendios en toda la cadena fotovoltaica si no se soluciona rápidamente.
Para mitigar el efecto de punto caliente, los módulos fotovoltaicos suelen estar equipados con diodos de derivación antiparalelos. Sin embargo, estos diodos pueden provocar que las características de salida de la cadena fotovoltaica presenten múltiples picos de potencia.
En estas situaciones, la tecnología tradicional de Seguimiento del Punto de Máxima Potencia (MPPT) puede provocar que la cadena fotovoltaica funcione a un MPP local en lugar del MPP global, lo que resulta en pérdidas de energía significativas. Según las estadísticas, el 70 % de la pérdida de potencia en las células fotovoltaicas comerciales se debe al sombreado parcial, lo que obliga al sistema a funcionar a un MPP local.
Investigadores, tanto nacionales como internacionales, han realizado estudios exhaustivos sobre métodos MPPT en condiciones de sombreado parcial y han propuesto diversas soluciones. Estas soluciones pueden clasificarse, a grandes rasgos, en dos categorías principales: métodos de mejora de hardware y métodos de mejora de software.
Métodos de mejora del hardware
I. Conecte un convertidor CC-CC independiente a cada módulo de la cadena fotovoltaica y utilice el método MPPT tradicional para garantizar la máxima potencia de salida de cada módulo fotovoltaico.
II. Conecte un circuito de compensación de tensión y corriente en paralelo a cada módulo fotovoltaico. Cuando ciertos módulos de la cadena se ven afectados por sombreado parcial y la corriente de salida es inferior a la de otros módulos de la misma rama en serie, el circuito de compensación conectado en paralelo compensa la diferencia de corriente, mientras que el circuito de compensación de tensión garantiza que la tensión terminal del módulo se mantenga en el punto de máxima potencia (MPP). De esta forma, los múltiples picos de potencia originales de la cadena fotovoltaica se convierten en un único pico, lo que permite el seguimiento del MPP mediante algoritmos MPPT tradicionales.
III. Utilizando el método de optimización combinada de la cadena para superar el problema de que los algoritmos MPPT tradicionales se ven fácilmente influenciados por picos locales. Al comparar diferentes escenarios de distribución de sombras en la potencia de salida de la cadena fotovoltaica, se concluye que cuando las sombras se distribuyen uniformemente o se centralizan en la cadena, el MPP se ve menos afectado por las sombras.
Si bien los métodos de mejora de hardware mencionados anteriormente pueden aumentar la utilización de energía solar y mitigar el impacto del sombreado parcial en las características de salida de la cadena fotovoltaica, también tienen algunas desventajas, como mayor complejidad del circuito, mayor dificultad de control, menor confiabilidad del sistema y mayores costos del sistema.
Métodos de mejora de software
I) La primera categoría incluye algoritmos inteligentes basados en la teoría de control moderna o la biónica, como la Optimización por Enjambre de Partículas (PSO), el Recocido Simulado (SA), el control difuso y el Algoritmo Firefly (FA), entre otros. Estos algoritmos inteligentes son capaces de rastrear con precisión el MPP global en diferentes condiciones de sombreado.
II) La segunda categoría es el método del punto fijo, que determina el MPP global utilizando la intersección de la línea de carga equivalente del String fotovoltaico con la curva IV del String, empleando funciones como Fibonacci y Lipschitz para localizar el MPP global.
III) La tercera categoría incluye algoritmos mejorados basados en algoritmos MPPT tradicionales. Estos algoritmos primero determinan el rango de distribución del MPP basándose en las características de salida de la cadena fotovoltaica en condiciones de sombreado parcial, y luego rastrean el MPP global utilizando los algoritmos MPPT tradicionales junto con métodos de mejora.
Basándose en estos enfoques, CSI desarrolló FRM, un método basado en software para resolver el problema del sombreado parcial, permitiendo que el inversor funcione en MPP global y reduciendo significativamente las pérdidas de energía.
Solución técnica
A continuación, presentaremos el seguimiento de potencia del sistema fotovoltaico en condiciones sin sombreado y con sombreado parcial, presentando así el principio de funcionamiento de CSI FRM.
MPPT en condiciones sin sombra
En condiciones sin sombreado, sólo existe un punto de máxima potencia en la curva fotovoltaica, llamado MPP (Maximum Power Point).
El voltaje correspondiente a este punto se denomina voltaje MPP. Para rastrearlo, recopilamos el voltaje y la corriente del sistema fotovoltaico y, a continuación, ajustamos gradualmente el punto de voltaje mediante el método de perturbación y observación con pasos de tamaño variable.
MPPT en condiciones de sombreado
Razones para el sombreado parcial
- En el caso de un sistema común de generación de energía fotovoltaica, los factores que causan sombreado parcial son muy comunes y variados. Como se muestra en la figura anterior, los sistemas fotovoltaicos generalmente instalan cadenas fotovoltaicas en techos u otras estructuras de edificios. Debido a la presencia de diversos obstáculos, como árboles, postes y otros edificios alrededor, el cambio en el ángulo de la luz hace que estos obstáculos proyecten sombras parciales sobre la cadena fotovoltaica. Además, puede haber sombreado parcial causado por elementos en la superficie del panel fotovoltaico, como hojas. Otros factores están relacionados con la propia estructura del edificio. Por ejemplo, algunas casas con techos inclinados tienen diferentes orientaciones y ángulos de incidencia al instalar los paneles fotovoltaicos, lo que también puede causar una iluminación desigual y provocar sombreado parcial.
- En los sistemas de generación de energía fotovoltaica a gran escala, la sombra de las nubes y la acumulación de suciedad son las principales causas del sombreado parcial en el sistema;
- La luz que recibe la cadena fotovoltaica se puede dividir en tres tipos: radiación directa, reflexión y dispersión. Por lo tanto, cuando la cadena fotovoltaica recibe luz reflejada de otros edificios o luz dispersa, puede producirse una intensidad de iluminación desigual.
Impactos del sombreado parcial en el sistema de generación de energía fotovoltaica
El sombreado parcial afecta directamente la potencia de salida del sistema fotovoltaico. Este fenómeno puede comprometer significativamente el funcionamiento normal de la cadena fotovoltaica, reduciendo drásticamente su potencia de salida.
Si no se satisface la demanda de electricidad de los usuarios, podría haber un impacto importante en la vida diaria y el trabajo de las personas.
A Universidad de tokio realizó un estudio sobre 71 sistemas de generación de energía fotovoltaica y concluyó, mediante análisis, que las pérdidas de potencia por desalineación y otros factores alcanzan alrededor del 25%.
Control MPPT tradicional en condiciones de sombreado
Cuando una cadena fotovoltaica opera frecuentemente con intensidades de luz ambiental variables, sus características de salida cambian, transformando la curva característica fotovoltaica de un solo pico a una curva de múltiples picos. Como se muestra en la siguiente figura:
El seguimiento MPPT tradicional se atascará en el primer pico de potencia, lo que resultará en una enorme pérdida de generación de energía y pérdidas económicas.
Cómo funciona FRM
FRM logra la optimización controlando el ciclo de trabajo del circuito de conversión CC/CC, que disminuye a lo largo del proceso. Cuando el circuito de conversión CC/CC es un circuito Boost, el punto de operación del campo fotovoltaico se mueve constantemente del área de voltaje de circuito abierto al área de corriente de cortocircuito, completando así todo el proceso de escaneo.
Durante el escaneo, el punto de máxima potencia de salida del panel fotovoltaico y la tensión correspondiente se actualizan continuamente. Cuando el ciclo de trabajo del circuito de conversión CC/CC se reduce a un valor predeterminado, el escaneo finaliza.
El proceso del algoritmo incluye principalmente los siguientes pasos:
- Primera etapa: El movimiento comienza desde el punto de tensión de circuito abierto hacia la zona de reducción de tensión. Durante este movimiento, se compara continuamente la potencia correspondiente a la tensión en dos momentos diferentes y se almacena la información del punto con la potencia más alta. Este proceso se repite hasta que la tensión se aproxima a la zona de corriente de cortocircuito, completando así el escaneo.
- Segunda etapa: Se utiliza el método tradicional de perturbación de tensión para volver cerca del punto de máxima potencia. El punto final encontrado es el valor ideal, y el sistema fotovoltaico opera en este punto de máxima potencia.
El algoritmo requiere un módulo de temporización fija para garantizar que el escaneo se realice a intervalos regulares. Además, cuando el cambio de potencia supera el umbral preestablecido, el escaneo se reinicia automáticamente.
De esta manera, cuando la intensidad de la luz externa cambia repentinamente, el algoritmo puede rastrear el punto de máxima potencia en tiempo real, permitiendo que el conjunto fotovoltaico funcione continuamente en MPP (punto de máxima potencia).
Con este diseño, el FRM puede rastrear rápidamente el punto máximo de potencia global en cuestión de milisegundos, aumentando significativamente la generación de energía.
Verificación de tecnología
La verificación de FRM se realiza en base a los siguientes puntos:
| Revisión de la solución | Pruebas de rendimiento | Evaluación integral |
| ¿Está claro el escenario de aplicación práctica y su función? | ¿Cuánto aumenta la generación de energía al escanear en condiciones de sombreado? | Avance técnico y escenario de aplicación. |
| Viabilidad de la aplicación práctica | Valor de la aplicación tecnológica. |
Revisión de la solución
Esta solución puede resolver la mayoría de los problemas de sombreado y aumentar significativamente la generación de energía del sistema fotovoltaico.
La implementación de esta solución se puede realizar a través de una actualización OTA (Over-the-Air), sin necesidad de agregar configuraciones de hardware, lo que la hace económica y conveniente.
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