Simulacion Fotovoltaica
ChecoPerez15 de Septiembre de 2012
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SIMULACIÓN DE INSTALACIONES FOTOVOLTAICAS
Autores:
Sergio Sanz Hernando <sersan@cartif.es>
Luis Angel Bujedo Nieto <luibuj@cartif.es>
Marta Poncela Blanco <marpon@cartif.es>
Pedro Caballero Lozano <pedcab@cartif.es>
José Ignacio Díaz García <josdia@cartif.es>
Resumen
En este artículo se pretende describir una
simulación de instalaciones fotovoltaicas realizada en
lenguaje de programación Labview por el laboratorio
de estudios energéticos de CARTIF. El objetivo es
validar esta simulación con datos reales de
funcionamiento de nuestra instalación.
Palabras clave: monitorización, labview, simulación,
fotovoltaica, validación.
1 INTRODUCCIÓN
Los objetivos principales de esta simulación son
los siguientes:
-Tener una referencia para el diseño de
instalaciones fotovoltaicas, sin grandes niveles de
exactitud.
-Tener una herramienta de fácil manejo que nos
permita hacer estudios sobre la influencia de las
variables y parámetros en el funcionamiento del
sistema.
-Como consecuencia de la anterior, construir
rutinas que se puedan implementar en la instalación real
monitorizada, de estudio de resultados de
funcionamiento, tales como cálculos de energías,
rendimientos y pérdidas así como su representación
gráfica.
El lenguaje de programación elegido para la
simulación es, como ya se dijo, Labview 5.0, que es un
lenguaje gráfico para instrumentación. La elección de
esta herramienta se debe principalmente a dos razones:
-Su facilidad de aprendizaje e implementación,
así como su carácter visual, que lo hacen muy apropiado
para los objetivos buscados.
-Permite la validación con cierta facilidad al
estar las aplicaciones de la monitorización fotovoltaica
de CARTIF realizadas en este lenguaje.
Una parte de la simulación se realiza en Matlab
5.3, y es la que corresponde al empleo de un
aproximador de funciones basado en una red neuronal.
Este hecho se debe a que Matlab posee una toolbox muy
potente de redes neuronales que nos facilita el trabajo.
2 INSTALACIONES A SIMULAR
Se han simulado los dos tipos principales de
instalaciones fotovoltaicas, concretamente las que
tenemos instaladas en el tejado de CARTIF. Estas son:
-Instalación fotovoltaica aislada, con apoyo
auxiliar de la red, de 4680 Wp.
-Instalación fotovoltaica para conexión a la red,
de 4320 Wp.
La simulación está estructurada en bloques, que
representan los comportamientos de las diferentes partes
del sistema. Estos bloques son los siguientes:
-Energía solar, irradiancia y temperatura, con
dos opciones, simulación de los datos o lectura de datos
reales de la estación meteorológica de CARTIF.
-Generador fotovoltaico, cuyas entradas son
irradiancia y temperatura, y las salidas tensión e
intensidad en continua.
-Regulador de carga y acumuladores, sólo en el
caso de la instalación aislada, con gestión de las
baterías.
-Inversores, con entradas en continua y salidas
en alterna.
-Cargas, definidas por potencia y horas de uso,
sólo en el caso de la instalación aislada.
-Bloque de estudio de resultados, cálculos de
energía generada, pérdidas, eficiencias, etc.
En principio se pretende realizar una simulación
de la instalación en periodos de un minuto, lo que
requiere que los datos de entrada exteriores, que son la
irradiancia y la temperatura, vengan dados con esa
frecuencia. Si son simulados no hay ningún problema y
si consideramos la posibilidad de usar datos reales,
emplearemos los datos recogidos por la estación
meteorológica de CARTIF, que vienen dados con dicha
frecuencia. Aún así consideraremos la posibilidad de
que exista pérdida de datos, lo que suele ser bastante
habitual en cualquier dispositivo de recogida de
información.
Dicho esto pasamos a describir cada bloque en
particular.
2.1 ENERGÍA SOLAR
Este apartado de la simulación define las
variables meteorológicas que se van a emplear,
temperatura e irradiancia. Como ya se comentó, una de
las posibilidades consiste en leer datos reales si se
dispone de ellos con el detalle necesario. Esto no suele
ser habitual y lo lógico es tener que aproximar datos de
otros puntos o en su defecto simular un año
meteorológico tipo. Se ha considerado la posibilidad de
simular las dos magnitudes para cualquier punto de la
tierra y por supuesto la posibilidad de emplear datos
reales, debido a que para nuestra instalación, que es en
la que vamos a realizar la validación, disponemos de
datos de temperatura e irradiancias medidos por una
estación meteorológica, con periodo un minuto.
El proceso de la simulación es el siguiente. La
magnitud de la irradiancia solar en un punto
determinado de la geografía terrestre depende, entre
otros factores, de la posición del Sol respecto a ese
punto. A su vez la posición del Sol va a depender de la
localización geográfica del punto, del día del año y de la
hora. Todo ello puede ser calculado fácilmente,
mediante fórmulas conocidas sin más que introducir la
posición de la instalación, longitud, latitud, altura e
inclinación.
El modelo que se utiliza es uno de los
denominados paramétricos de banda ancha, en el cual la
irradiancia normal es proporcional a la transmitancia,
dependiendo este valor de los siguientes parámetros:
donde:
Tb: Transmitancia de la irradiancia directa
normal.
Ibn: Irradiancia directa normal.
K: Parámetro constante que depende del ancho
de banda del espectro de irradiancia considerado.
L: Espesor de la capa de ozono (cm).
W: Espesor de la capa de vapor de agua (cm).
A, B: Coeficientes de la turbiedad atmosférica.
M: Masa de aire.
Iext: Irradiancia extraterrestre.
Calculada esta irradiancia es necesario inclinarla
con el ángulo de incidencia con que llegue a nuestros
módulos fotovoltaicos, con lo cual tendremos nuestra
fuente simulada. Podemos a su vez incluir algún método
estadístico que nos permita incluir la aparición de
nubosidad, aunque esto aumenta mucho la complejidad
del problema.
La temperatura se puede obtener mediante datos
históricos, aproximando la evolución diaria con una
función senoidal, cuyo mínimo está al amanecer y cuyo
máximo está a las horas centrales del día. Se incluye un
ejemplo de este bloque, resultados del 1 de Abril de
2000 tomados por la estación meteorológica de
CARTIF:
Figura 1: Irrad. y temp. el 1 de Abril de 2000
Con ello se habrán obtenido los datos externos
necesarios para simular la instalación. El siguiente paso
será entonces modelar nuestro generador fotovoltaico.
2.2 GENERADOR FOTOVOLTAICO
Es sin duda la parte más delicada de la
instalación, ya que su funcionamiento viene
determinado por unas condiciones externas que pueden
llegar a ser muy variables.
En principio se puede pensar en modelar la
célula fotovoltaica a partir de su circuito equivalente,
obteniendo la ecuación de la curva I-V en condiciones
estándar analíticamente, y corrigiendo para las
diferentes condiciones de irradiancia y temperatura.
Este método está bastante estudiado y normalizado, y ha
demostrado ser eficaz en la mayoría de los casos, sobre
todo en bandas cercanas a esa curva estándar.
Sin embargo en este caso se ha pensado en
utilizar directamente las curvas I-V suministradas por el
fabricante, que suelen venir dadas para diferentes
condiciones de irradiancia y temperatura aparte de las
condiciones estándar. El objetivo entonces es aproximar
F(L,W,A,B,M)
K I
I
T
ext
bn
b =
×
=
22,0
16,0
18,0
20,0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
Irradiancia difusa (W/m^2)
20,0
-5,0
0,0
5,0
10,0
15,0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
Temperatura ambiente (ºC)
1500,0
0,0
500,0
1000,0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
Irradiancia inclinada (W/m^2)
1500,0
0,0
500,0
1000,0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
Irradiancia horizontal (W/m^2)
estas curvas conocidas y realizar para las condiciones
desconocidas una interpolación lineal o de otro orden
que nos permita obtener el resto de las condiciones
desconocidas.
En principio, por temas de simplificación,
decidimos aproximar las curvas para condiciones
estándar
...