Maximizando la Energía Solar: No solo una Cuestión de Eficiencia de las Celdas

Introducción del Editor Invitado | Martin Omaña | Enero 2017

Lee la Introducción del Editor Invitado en:
Ingles   |  Chino

Las traducciones de Osvaldo Perez y Tiejun Huang


Escuchar la Introducción del Editor Invitado

Ingles:

 

Español (Martin Omaña):

 

Chinese:

Maximizing Solar Power: Not only a Matter of Cell Efficiency

El crecimiento de los componentes de nuestro ecosistema global de energía, las fuentes de energía renovable generan aproximadamente el 23 por ciento de toda la electricidad mundial en 2015, de acuerdo con la Agencia Internacional de Energía. Después de la hidro energía la energía solar o fotovoltaica (PV), es la tercer fuente, más abundante de energía renovable. De acuerdo a Solar Power Europe, la energía fotovoltaica está ayudando a energizar a 25 millones de viviendas en Europa y se está transformando, en forma creciente en competitiva en costos, mundialmente. Además de su amplia utilización en vehículos, hogares, plantas de energía y satélites, la energía fotovoltaica también se está adoptando crecientemente como una forma de inversión, en la cual los beneficios económicos para los inversionistas es el aspecto más importante.

Históricamente, la relativa baja eficiencia en la conversión de la energía de las celdas de energía fotovoltaica, (tanto para las celdas basadas en silicio como las de no silicio), ha sido la mayor dificultad para los beneficios económicos de los sistemas fotovoltaicos. En realidad, la eficiencia de la conversión de las celdas fotovoltaicas actualmente comercialmente disponibles todavía está limitada del 14 al 22 por ciento. Sin embargo, los estudios recientes han mostrado que las fallas en los sistemas fotovoltaicos podrían también reducir fuertemente la potencia que el sistema proporciona, con efectos negativos significativos en la confiabilidad, específicamente, los costos de mantenimiento el tiempo de vida del sistema. Los artículos y videos del tema de esta edición de Enero de 2017 de Computing Now, explora los problemas asociados de la confiabilidad de los sistemas fotovoltaicos, así como algunos enfoques para mitigarlos.

Componentes de los Sistemas Fotovoltaicos

Los sistemas Fotovoltaicos consisten de dos componentes:

  • El arreglo fotovoltaico, (conocido usualmente como los paneles solares), que es un grupo de celdas fotovoltaicas conectadas en serie o en paralelo que convierte la energía del sol en una tensión de corriente continua, (CC) continua.
  • El block de control fotovoltaico fija la corriente de operación del arreglo fotovoltaico para maximizar la potencia producida (utilizando el punto de potencia máxima de seguimiento [MPPT], (Maximum Power Point Tracker) del convertidor de CC a CC). El block de control fotovoltaico convierte la potencia del arreglo fotovoltaico en corriente alterna (CA) para ser entregada a la red de energía (utilizando inversores de CC a CA).

En tanto que el rango varía desde un conjunto de paneles de azotea (con un kilowatt de capacidad) hasta los parques solares con escala de generadores, (con megawatt de capacidad), todos los sistemas fotovoltaicos conectados a la red contienen estos componentes y funciones similares.

Cuestiones de Confiabilidad

Habiendo reconocido las necesidades de incrementar la confiabilidad de los sistemas fotovoltaicos, los investigadores académicos y los líderes industriales están fuertemente abocados al análisis y modelado de los fallos de los sistemas fotovoltaicos y sus efectos sobre la eficiencia, así como el desarrollar técnicas para detectar y tolerar tales fallos.

Los componentes más críticos para la confiabilidad son el MPPT y los inversores. Los arreglos fotovoltaicos son los elementos más confiables de los sistemas fotovoltaicos, con un tiempo de vida, actualmente de más de 20 años, comparando con menos de 15 años de los MPPT y los inversores. Aunque, los arreglos fotovoltaicos pueden ser afectados por algunas clases de fallos, tales como la corrosión de los cables, la rotura de celdas y la sombra parcial, (de los edificios cercanos, deposiciones de pájaros y otros por el estilo). En realidad, dado que las celdas con sombra parcial generan menores corrientes que las celdas que no poseen sombras parciales, las celdas con sombra parciales se transforman en polarizadas en inversa y disipan potencia por calentamiento, generándose incrementos de temperatura localizados, (o puntos calientes) que podrían dañar permanentemente a las celdas con sombra parcial y reducir la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos.

Los Artículos

El primer artículo se denomina “Fallas que afectan el Boque de Control de los Arreglos Fotovoltaicos y Técnicas para su Detección Concurrente” del cual soy coautor con Cecilia Metra, Fabrizio Lombardi, Daniele Rossi y Giacomo Collepalumbo. Primero analizamos el impacto de las fallas más comunes de los MPPT e inversores de la eficiencia de potencia de los sistemas fotovoltaicos. Nuestro análisis muestra que estos fallos producen reducciones catastróficas de la eficiencia (mayores al 80 por ciento en algunos casos). No solo estos fallos tienen un impacto significativo en la eficiencia, sino que también inducen una distorsión significativa en la forma de onda de la tensión (y la corriente) en la entrada y la salida de los bloques de control.

Luego presentamos un enfoque de bajo costo para la detección concurrente de fallas, los cuales pueden ser combinados con los esquemas de reconfiguración apropiados para evitar efectos de detrimento en la eficiencia de los sistemas fotovoltaicos.

En el artículo “Diseñando Sistemas Fotovoltaicos con Tolerancia a Fallos”, Xue Li y sus colegas presentan un arreglo fotovoltaico reconfigurable que minimiza el impacto del fallo de la celda fotovoltaica en la potencia total que genera el arreglo. La solución propuesta detecta a falla en las celdas fotovoltaicas del arreglo por medio de la comparación periódica de la potencia actualmente generada con la esperada de un arreglo libre de fallos bajo las mismas condiciones ambientales y de operación. Si la potencia difiere, los mecanismos de detección de fallas y de evitación de fallas se inician, lo cual determina el camino óptimo para interconectar a las celdas libre de fallas remanentes para maximizar la potencia eléctrica que el arreglo puede generar.

En el artículo de Sergiu Dotenco y sus colegas “Detección Automática y Análisis de Módulos Fotovoltaicos para Imágenes Aéreas Infrarrojas”, proponen una técnica para la detección automática del mal funcionamiento de las celdas fotovoltaicas dentro un arreglo fotovoltaico muy grande. El algoritmo presentado utiliza imágenes aéreas de baja resolución infrarrojas tomadas por drones de las plantas de potencia fotovoltaicas y automáticamente detecta las mayores anormalidades de temperatura en las celdas fotovoltaicas, las cuales son usualmente causadas por las celdas defectuosas. EL método se basa en la realidad que las celdas fotovoltaicas recalentadas emiten una radiación infrarroja considerablemente más elevada que aquellas que operan normalmente. El algoritmo computa la temperatura media de la celda en el arreglo y la compara con la referencia de la distribución de temperatura gaussiana esperada para las celdas libre de fallos, utiliza dos pruebas estadísticas de los valores atípicos para identificar si la temperatura de la celda es significativamente más elevada que lo esperado, y finalmente, la clasifica como defectuosa o normal.

En el artículo “Reconfiguración de una Arreglo Fotovoltaico Basado en Algoritmo de Búsqueda Exhaustivo Acelerado por GPU”, se propone un algoritmo para eficiencia, reconfiguración de tiempo real de arreglos fotovoltaicos, con el objetivo de mitigar las pérdidas de potencia causadas por ensombrecimiento parcial. Los autores, Juan Ramón Camarillo Peñaranda, Daniel González Montoya y Carlos Andrés Ramos Paja, explican que los parámetros del algoritmo de monitoreo, tales como la corriente y la tensión de cada arreglo fotovoltaico en el sistema, calcula la potencia que cada configuración posible puede generar, y luego adopta la mejor configuración. Lo autores proclaman que su metodología permite un incremento de potencia de aproximadamente un 22 por ciento durante la luz diurna. En una anticipación del alto tiempo de computación requerido para los sistemas con una gran cantidad de arreglos fotovoltaicos, el algoritmo corre en una GPU comercial, en lugar de la CPU clásica, los cual permite la computación aritmética paralela.

Finalmente, en el artículo “Deja que el Sol Brille”, Greg Byrd presenta un enfoque denominado Proyecto Sol, en el cual se permitirá que los dueños de los arreglos fotovoltaicos conozcan, en tiempo real, la radiación solar presente en cada ubicación de los arreglos. Los dueños pueden utilizar la información fácilmente para determinar, en cualquier momento, si el arreglo fotovoltaico está generando suficiente potencia para correr una carga específica, o si necesitan potencia adicional desde la red eléctrica para compensar una falta de luz solar. Este enfoque utiliza una red económica de sensores conectados (conectados a través de una red inalámbrica) que remiten los datos de irradiación a una base de datos basada en la nube. Los subscriptores pueden monitorear y reaccionar a las condiciones, así como predecir la producción futura de energía.

Video Perspectives

Gianni Borelli on energy conversion.

 

Francesco Aleo, Paola Pugliatti, Agnese Di Stefano, and Antonluca Loteta introduce the history of the EGP solar campus and its main testing facilities.

Perspectivas de la Industria

El tema de este mes también incluye dos videos de expertos en el campo, los cuales proporcionar una visión técnica más profunda de los sistemas fotovoltaicos y los desafíos de confiabilidad, Gianni Borelli de Becar Beghelli Group de Italia discute el potencial y desafíos de los concentradores fotovoltaicos (CPV), los cuales utilizan lentes o espejos para concentrar la luz del sol en un celda fotovoltaica con un pequeña multi-juntura y puede fácilmente alcanzar un 30 por ciento en la eficiencia de la conversión de energía.

En el Segundo video, Francesco Aleo, Paola Pugliatti, Agnese Di Stefano, y Antonluca Loteta de Enel Green Power (EGP), en Italia presenta una historia del campo solar de EGP y sus facilidades de pruebas principales. El video también se enfoca en las cuestiones de confiabilidad de los componentes, las nuevas tecnologías innovadoras, (tales como los optimizadores, los distribuidores electrónicos, las soluciones de limpieza automática y los colorantes anti polvo, y sistemas de almacenamiento de energía para el uso y optimización de la energía renovable.

Conclusión

En tanto que la eficiencia de las celdas fotovoltaicas sigue siendo central para el mejoramiento del atractivo y viabilidad económica de la energía solar, la mitigación de los fallos de los sistemas fotovoltaicos es también un factor importante que debemos considerar. Espero que esta edición de Computing Now sirva como un recurso para remarcar los mayores desafíos relacionados con la confiabilidad de los sistemas fotovoltaicos, así como estimular una mayor investigación en este campo.

Editor Invitado

Martin Omaña es un profesor contratado de electrónica y un investigador senior en la Universidad de Bologna, Italia, de la cual ha recibido su PhD en ingeniería electrónica y ciencias de la computación desde 2005. Ha sido coautor de varias ponencias publicadas en journals con revisión por pares y en proceedings de conferencias internacionales. Sus intereses de investigación incluyen el diseño de sistemas de prueba de alto desempeño, modelado de fallas, errores de software, fenómenos de envejecimiento, diseño y confiabilidad de sistemas resilentes a errores, estrategias de reconfiguración de hardware, diagnósticos de campo, enfoques de monitoreo en el chip y energía verde. Omaña es miembro del comité consejero de Computing Now. Se lo puede contactar en martin.omana@unibo.it

 

Average (0 Votes)
The average rating is 0.0 stars out of 5.

Article Comments

Please log in to comment.