Diseño y prototipado de una fuente de luz infrarroja para la caracterización de módulos fotovoltaicos

Abstract

En los últimos años, la energía solar fotovoltaica está en auge en España y se prevé que siga creciendo durante los próximos años. Los daños puntuales o degradaciones que pueden sufrir los módulos fotovoltaicos con el tiempo pueden suponer una pérdida de eficiencia energética, por lo que es necesaria una detección temprana de los defectos para el mantenimiento de las plantas fotovoltaicas. Para ello se suelen captar imágenes infrarrojas mediante técnicas conocidas como electroluminiscencia o fotoluminiscencia. Actualmente, la obtención de imágenes infrarrojas del módulos para detectar defectos requiere desmontar los módulos de la planta y trasladarlos los a un laboratorio con oscuridad absoluta, cuya operación tiene un coste muy elevado. El objetivo de este proyecto es el diseño y prototipado de una fuente de luz infrarroja pulsada de alta intensidad para poder caracterizar módulos in situ relajando las condiciones necesarias de oscuridad y sin necesidad de desconectar el módulo del resto del array. Con esta fuente de luz infrarroja se ilumina el módulo y se toma una imagen del mismo que revela defectos en la estructura cristalina causados por roturas, puntos calientes u otros procesos de degradación.
La fuente de iluminación está basada en diodos LED (Diodo Emisor de Luz), excitados con convertidores DC/DC elevador multicanal. El circuito excitará un conjunto de LEDs con longitud de onda en el espectro infrarrojo. Se va a diseñar un sistema compacto, modular y utilizando el mayor número de LEDs posibles para una correcta iluminación. Este proyecto forma parte de un sistema complejo, una herramienta para la detección automática de defectos en módulos fotovoltaicos a través de fotoluminiscencia y técnicas de inteligencia artificial, que incluye la electrónica de control, un sistema de adquisición de imágenes, y un microprocesador con una interfaz de usuario. La fuente de luz tiene que estar bien sincronizada con el sistema de adquisición de imágenes, ya que una mala sincronización puede llevar a la generación de ruidos e interferencias. En este documento se va a redactar todo el proceso de investigación, diseño y fabricación, se explicarán y justificarán todas las decisiones de diseño y se mostrarán y analizarán todos los resultados obtenidos en las simulaciones del sistema diseñado.
Abstract:
In recent years, photovoltaic solar energy boomed in Spain and it is expected a continues grow in the coming years. The damage or degradation that photovoltaic modules may suffer over time can lead to a loss of energy efficiency, so it is necessary an early detection of defects for the maintenance of power plants. Infrared imaging by techniques known as electroluminscense or photolumniscense is commonly used for this purpose. Nowadays, obtaining infrared images of the modules to detect defects requires disassembling the modules from the plant and transferring them to a laboratory in absolute darkness, this operation has a very high cost. The objective of this project is the design and prototyping of a high intensity pulsed infrared light source to characterize modules in situ by relaxing the necessary conditions of darkness and without the need for disconnecting the module from the rest of the array. The photovoltaic module is illuminated with this infrared light source and an image of the module is taken which reveals defects in the crystalline structure caused by breaks, hot spots, or other degradation processes. The light source is based on LED (Light Emitting Diode) diodes, excited with multi-channel boost DC/DC converters. The circuit will excite a set of LEDs with wavelength in the infrared spectrum. A compact, modular system will be designed using as many LEDs as possible for proper illumination. This project is part of a complex system, a tool for the automatic detection of defects in photovoltaic modules through photoluminescence and artificial intelligence techniques, which includes control electronics, an image acquisition system, and a microprocessor with a user interface. The light source must be well synchronized with the image acquisition system, a poor synchronization can lead to noise and interference generation. In this paper we will explain the whole research, design and fabrication process, explain and justify all the design decisions, and show and analyze all the results obtained in the simulations of the designed system.