Optimización de la distribución y dimensionado de plantas fotovoltaicas con seguimiento solar mediante algoritmos evolutivos

Resumen

Un Sistema Fotovoltaico Conectado a Red (SFVCR) con seguimiento solar está compuesto, principalmente, por los módulos fotovoltaicos que transformarán la luz solar incidente en corriente continua, las estructuras de seguimiento sobre las que se dispondrán dichos módulos, los conductores eléctricos que transportarán esa corriente continua hasta los inversores eléctricos, los cuales transformarán la corriente continua en alterna, que a su vez será elevada hasta los transformadores, que elevarán el voltaje de esa corriente alterna hasta un nivel apto para su traslado por la líneas eléctricas de media y alta tensión. Si bien los costes de instalación de un SFVCR con seguimiento solar son cada vez menores, gracias a la estandarización de la tecnología y al aumento de la demanda, las subvenciones para la instalación inicial de dichos SFVCRs son cada vez menores debido a la incapacidad de los gobiernos y administraciones públicas de mantener las ayudas adecuadas a su implantación y difusión. La disminución de incentivos y la inseguridad jurídica hace que la rentabilidad de los SFVCR caiga a niveles cada vez menos atractivos para los inversores, lo que ha conllevado en los últimos años una severa ralentización de la penetración del sector fotovoltaico en España. Por lo tanto, cualquier mecanismo que sea capaz de aumentar dicha rentabilidad debe ser minuciosamente estudiado. Esta Tesis Doctoral se centra en las pérdidas por efecto Joule que se producen en los conductores de los SFVCR con seguimiento solar. Gran cantidad de este tipo de instalaciones funcionan con inversores eléctricos de forma centralizada, transportando la energía generada por los módulos fotovoltaicos en corriente continua hasta la ubicación de los inversores. En las instalaciones de dimensiones considerables, estos conductores serán de unas longitudes que hacen que este tipo de pérdidas no sean ni mucho menos despreciables. La primera parte de esta Tesis Doctoral se centra en la minimización de dichas pérdidas, diseñando y dimensionando el SFVCR de forma óptima. Para ello, dado un terreno determinado donde se desea instalar un SFVCR con seguimiento solar, haciendo uso de algoritmos evolutivos monobjetivo, se proporciona un diseño que consta de una elección determinada de módulos fotovoltaicos e inversores, un dimensionado de las estructuras de seguimiento con su correspondiente tipología de conexionado serie-paralelo y una distribución de dichas estructuras en el terreno estudiado. Aunque los resultados obtenidos por los algoritmos evolutivos monobjetivo, utilizados en la primera parte de esta Tesis han sido muy satisfactorios, se ha presentado el problema consistente en que, en algunos de los terrenos estudiados, si bien el diseño obtenido hacía que las pérdidas eléctricas por efecto Joule fuesen muy pequeñas, aparecía el inconveniente de que ese diseño no aprovechaba de forma óptima el terreno propuesto, dejando algunas zonas sin seguidores solares, haciendo que la potencia total instalada no fuese tan alta como sería posible. Como consecuencia de lo anterior, en la segunda parte de esta Tesis Doctoral, se ha introducido otra herramienta de optimización: los algoritmos evolutivos multi-objetivo. Con esta herramienta se puede maximizar la potencia instalada en el terreno, a la vez que se sigue minimizando las pérdidas eléctricas por efecto Joule. Como resultado de esta optimización multi-objetivo se han obtenido soluciones mucho más flexibles que en la ocasión anterior, proporcionando diseños y dimensionados de SFVCR más equilibrados y más rentables económicamente. La Tesis Doctoral se encuentra dividida en seis capítulos. El primer capítulo consiste en una breve introducción al sector fotovoltaico mundial, y se plantean los objetivos perseguidos por la Tesis. En el segundo capítulo se caracterizan los sistemas SFVCR con seguimiento solar y las posibles pérdidas energéticas que se producen en ellos. El tercer y cuarto capítulo exponen los algoritmos evolutivos utilizados y los resultados obtenidos por cada uno de ellos. En el quinto capítulo se realiza una aplicación de uno de los algoritmos evolutivos utilizados en el capitulo anterior para diseñar un nuevo método de diseño de alumbrado vial en el que optimiza la eficiencia energética de la instalación. Este capítulo se ha introducido como addenda para verificar la utilidad del método empleado en otra aplicación, como es el alumbrado vial, que hace más destacable la bondad del algoritmo de optimización empleado. Por último, el sexto capítulo esquematiza las conclusiones del trabajo realizado en la Tesis Doctoral y expone las futuras líneas de investigación.