Contribution to the analysis of the performance of distributed pv systems

Resumen

El objetivo de este trabajo es constituir una contribución al campo del análisis de la productividad energética de los sistemas fotovoltaicos (PV) distribuidos y a la detección de fallos de operación que pueden afectarla. Con ese objetivo en mente, el trabajo se ha articulado en torno a tres líneas principales de investigación: el análisis dea la productividad de docenas de miles de sistemas fotovoltaicos en Europa, el desarrollo de un método novedoso de detección de fallos aplicado a las flotas de sistemas fotovoltaicos y la generación de datos de irradiación solar a partir de datos de producción de energía fotovoltaica. Hemos basado nuestro análisis en los datos operativos monitoreados en más de 31,000 sistemas fotovoltaicos en Europa, con un enfoque especial sobre Bélgica y Francia, y en menor medida el Reino Unido y España. Para el análisis de la productividad de los sistemas fotovoltaicos, se plantean tres preguntas principales: ¿cuánta energía producen? ¿Qué nivel de productividad está asociado con su producción energética? ¿Cuáles son los parámetros clave que más influyen en su calidad? El productividad energética promedia de los sistemas fotovoltaicos ubicados en cada uno de los cuatro países de referencia es de 1115 kWh/kWp para Francia, 898 kWh/kWp para el Reino Unido, 908 kWh/kWp para Bélgica, 1450 kWh/kWp para las plantas fotovoltaicas en España montadas sobre una estructura estática, y 2127 kWh/kWp para las plantas usando en un seguidores solares en España. La calidad de los sistemas fotovoltaicos se cuantifica utilizando el Performance Ratio (PR) y el Performance Index (PI). Después de un tiempo medio de exposición de 2 años, el PR promedio es del 78% en Bélgica y 76% en Francia, y el PI promedio de los sistemas fotovoltaicos es del 85% en ambos países, lo que implica que el sistema fotovoltaico real típico produce un 15% menos que un sistema fotovoltaico de muy alta calidad (o sistema fotovoltaico de referencia) en las mismas condiciones. En promedio, la potencia real de los módulos fotovoltaicos cae aproximadamente un 5% por debajo de su potencia nominal correspondiente anunciada en la hoja técnica del fabricante. Sin embargo, algunos módulos muestran una potencia real de más del 15% por debajo de la potencia nominal anunciada por su fabricante. Un breve análisis por la tecnología del módulo fotovoltaico ha llevado a observaciones relevantes sobre dos tecnologías. Por un lado, los sistemas fotovoltaicos equipados con módulos de tecnología Heterojunction with Intrinsic Thin layer (HIT) muestran rendimientos superiores a la media. Por otro lado, los sistemas equipados con los módulos de tecnología copper indium gallium selenide (CIGS/CIS) muestran una potencia real que es 16% más baja que el valor nominal. Hemos mostrado que la distribución del PR anual se puede modelar de manera satisfactoria utilizando una distribución de Weibull para valores de PR entre el 60% y el 90%. Este rango de valores representa la mayoría de los sistemas fotovoltaicos, y sugerimos que es representativo del estado del arte de los sistemas fotovoltaicos en Europa. El valor de PR típico para los sistemas fotovoltaicos instalados en Europa antes del 2015 es del 79% y su valor para los sistemas fotovoltaicos instalados en los últimos años es del 81%. Hemos observado que la productividad de los sistemas fotovoltaicos tiende a aumentar cuando aumenta la potencia pico de estos sistemas. Hemos encontrado diferencias de productividad significativas en función del fabricante del inversor y de tanto el fabricante como la tecnología del módulo fotovoltaico. Hemos encontrado una tendencia hacia una mejora estado del arte con el tiempo, en la forma de un aumento en el rendimiento en el PR anual de alrededor de 3 a 4% en los últimos siete años, lo que representa un aumento de aproximadamente 0,5% por año. Este trabajo presenta un procedimiento de detección de fallos aplicado a las flotas de sistemas fotovoltaicos distribuidos, basado en un indicador de productividad novedoso, designado como Performance to Peers (P2P), que puede construirse basándose únicamente en la comparación de los datos de producción de energía de varias instalaciones fotovoltaicas vecinas. Este trabajo explica cómo construir este indicador de productividad y cómo usarlo para realizar detecciones automáticas de fallos. Este procedimiento de detección de fallos se ha desarrollado en el contexto del análisis de la productividad energética aplicada a aproximadamente 6000 instalaciones fotovoltaicas ubicadas en Europa, y se ilustra y discute a través de casos de aplicaciones reales. Se ha demostrado que el P2P es más estable que el PR, en particular en presencia de imperfecciones en los metadatos sobre instalaciones fotovoltaicas, y por lo tanto constituye un indicador de productividad más robusto para la detección de fallos. Se discuten las principales limitaciones de esta nueva metodología y se sugieren varias líneas de investigación futuras. Aprovechando la densa red de sistemas fotovoltaicos residenciales instalados en Bélgica, este trabajo estudia la oportunidad de obtener datos de irradiación solar a partir de la producción de energía eléctrica registrada en los sistemas fotovoltaicos. El estudio se basa en un año datos (en concreto, 2014) de producción de energía fotovoltaica registrada con paso horario en una muestra representativa de aproximadamente 1500 instalaciones fotovoltaicas residenciales. Nuestros resultados indican que la precisión de los datos de irradiación solar derivados depende de una serie de factores que incluyen las condiciones climáticas, la densidad de los sistemas fotovoltaicos, y otras fuentes de datos a las que se puede acceder para complementar los datos de producción fotovoltaica. En particular, los datos calculados de irradiación solar se degradan a medida que la información sobre los ángulos de orientación e inclinación del generador fotovoltaico se vuelve más inexacta.