Optimización del diseño del generador fotovoltaico para aplicaciones de riego

Abstract

Durante los últimos años, el uso de energía fotovoltaica ha aumentado considerablemente en muchas aplicaciones. Este incremento se debe en gran medida al aumento del coste de la luz y a la disminución del precio de los módulos solares. Una de las aplicaciones que cada vez se utiliza más, es el riego fotovoltaico, y por ello se sigue estudiando y buscando la forma de abaratar aún más los costes que suponen estos sistemas y disminuir las pérdidas que se producen en ellos. Un sistema de riego fotovoltaico está formado generalmente por un generador fotovoltaico, un variador de frecuencia y una bomba de extracción que se encarga de obtener el agua para posteriormente almacenarla en un depósito o regar directamente cuando se extrae. El objetivo de este proyecto es estudiar las pérdidas que se producen en los sistemas fotovoltaicos en función del número de módulos en serie, y proponer una solución eficiente, sencilla y económica que consiga disminuirlas. Para analizar las pérdidas se han estudiado dos tipos de sistemas, el primero es un sistema fotovoltaico aislado a balsa, y el segundo un sistema fotovoltaico hibridado con la red. Además de la influencia del número de paneles en serie en las pérdidas, se analiza la influencia de la temperatura en las mismas. Se ha creado una herramienta en Matlab que calcula las pérdidas durante el periodo de riego, en función del número de módulos en serie, teniendo como parámetros de entrada principales la irradiancia, la temperatura de célula del sistema a lo largo del año y las características eléctricas del sistema. Las simulaciones se han realizado para los sistemas de riego fotovoltaicos aislados e hibridados a la red, cuando la estructura del generador es estática o con seguidor de eje horizontal. Todas las simulaciones se han realizado en dos ubicaciones diferentes que muestran diferentes temperaturas ambientales y diferentes voltajes de corriente alterna requeridos por la bomba que varían de 400 a 430V o la suministrada por la red, que puede ser 400 o 415V. Tras analizar los resultados, se observa que en Alicante sólo hay pérdidas cuando se utiliza un sistema autónomo y se necesita que el generador proporcione una tensión elevada porque la bomba está a una gran distancia, pero se soluciona con 21 módulos en serie. Al realizar las simulaciones en Marruecos las pérdidas comienzan a producirse con tensiones menores, y también de en los sistemas híbridos, en todos estos casos, se solucionan utilizando 21 módulos. Finalmente, se ha concluido que las pérdidas no son un problema en la mayoría de los casos. Sin embargo, en los lugares cálidos como Marruecos, sí pueden serlo y para reducirlas hay que instalar 21 módulos en serie. Para los días fríos, cuando hay que utilizar 21 módulos se propone un diseño que no permite que se supere la tensión máxima de entrada que tolera el variador de frecuencia.

Abstract:

During the last years, the use of the photovoltaic energy has increased in many applications. This growth is due to the increase of the electricity price and the decrease of the photovoltaic modules cost. One of those applications is solar irrigation, therefore it is being studying and searching the way to decrease more and more the costs and the losses in the photovoltaic systems. A photovoltaic irrigation system is composed of a photovoltaic generator, a frequency converter and a centrifugal pump, which extract water to store it in a pool at variable frequency or, directly irrigation at constant pressure systems. The aim of this project is to analyze the losses produced in the photovoltaic irrigation systems in function of the number of photovoltaic modules in series, and propose an efficient, easy and economical solution to decrease it. In order to study the losses two different systems have been analyzed. The first one is a stand-alone photovoltaic irrigation system and the second one is hybridized with the grid of direct pumping at constant pressure. In addition to the influence of the number of modules in series, the influence of the temperature is studied. To study the losses a tool in Matlab has been created. This tool can calculate the losses in the irrigation period, in function of the number of photovoltaic modules in series, which only needs irradiancy, cell temperature and electrical characteristics as input. The simulations have been done for different applications such as stand-alone and hybrid photovoltaic irrigation systems with two different photovoltaic generator structures (static and solar tracker), for different locations and therefore for different ambient temperatures. Also, different AC voltages required by the pump (from 400 to 430V) or supplied by the grid has been simulated and studied (400 or 415V). After the analyze of the results, we observed in Alicante the losses only happen when a stand-alone system is used and it requires high voltage from the generator because the pump is so far, but this problem is solved with 21 photovoltaic modules in series. When the location is Morocco, the losses start with a smaller voltage than the other place, and not only in stand-alone systems, also in hybridized. Like in the Alicante case, with 21 photovoltaic modules in series the bug is resolved in the all Morocco situations. Finally, the conclusion is the losses are not a problem in the majority cases, but in hot places as Morocco they can occur and to decrease it, 21 photovoltaic modules are needed. For the cold days, when 21 photovoltaic modules are required, it is proposed a design which does not allow overcome the voltage limitation imposed for the frequency converter.