Método de control apropiado para un sistema de módulos fotovoltaicos de concentración.
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención está dirigida a un método de control apropiado para un sistema de módulos fotovoltaicos de concentración que permite el mantenimiento de la correcta orientación de los módulos para el seguimiento del Sol sin necesidad de uso de sensores de posicionamiento. El seguimiento del Sol se lleva a cabo realizando cada cierto tiempo desplazamientos angulares en cada uno de los grados de libertad midiendo la potencia o corriente entregada por el o los módulos de captación de energía. La estimación de la posición del Sol y la estrategia de movimientos posteriores se determinan en función de esta lectura.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
La potencia generada por un sistema fotovoltaico depende de su orientación respecto a la posición del Sol. Los sistemas seguidores son dispositivos que permiten modificar la orientación de los módulos de captación de energía solar para que la orientación sea en cada instante de tiempo lo más cercana posible a la posición en la que se encuentra el Sol.
En particular, los módulos de captación de energía solar constituidos por paneles fotovoltaicos convencionales tienen un rendimiento que depende del ángulo de incidencia de los rayos. No obstante, incluso cuando este ángulo es importante, los módulos siguen captando energía aunque sea en menor medida.
Otro tipo de módulos de captación de energía solar son los módulos concentradores. Estos módulos no cubren la totalidad de la superficie irradiada con material semiconductor, sino que están formados por una superficie constituida por lentes concentradoras que focalizan la radiación incidente en un área reducida en la que se encuentra el semiconductor o célula solar. En general, los sistemas fotovoltaicos de concentración son mucho más sensibles a las desviaciones respecto de la correcta orientación al Sol. Incluso con desviaciones pequeñas, la no focalización de los haces incidentes en el semiconductor pueden provocar una caída significativa de la potencia producida.
En el estado de la técnica se conocen dispositivos auxiliares que miden el error de apunte de dicho sistema respecto a la posición del Sol. Esta medida es interpretada y utilizada por unos medios de control que a su vez actúan sobre unos medios de impulsión del dispositivo seguidor para que los módulos de captación de energía solar mantengan la correcta orientación.
Un ejemplo de dispositivo auxiliar es el que hace uso de una pluralidad de áreas sensibles a la radiación solar situadas sobre un plano y distribuidas en torno a un punto; y, un elemento opaco situado sobre dicho punto, distanciado del plano, destinado a arrojar sombra sobre el plano donde están las áreas sensibles.
Cuando la orientación del plano donde se encuentran las áreas sensibles a la radiación solar es perpendicular a la radiación, entonces el elemento que se encuentra sobre este plano arroja la sombra en el punto en torno al cual se distribuyen las áreas sensibles sin que ninguna de ellas vea reducida la lectura de la radiación. Por el contrario, cuando el plano no está orientado perpendicularmente a la dirección de radiación, la sombra cubre algunas de las áreas sensibles. Dependiendo de qué área sensible es la que se encuentra total o parcialmente cubierta es posible determinar el grado de desviación de la orientación del plano de este dispositivo auxiliar.
Este tipo de dispositivos auxiliares y otros tienen varios inconvenientes. El primero es que la suciedad podría desvirtuar la lectura, ya que pueden generarse sombras que sean interpretadas como desviaciones del dispositivo de orientación. Una partícula no muy grande puede impedir la correcta orientación de un módulo completo de captación de energía solar y éste puede estar instalado en un lugar donde no se acceda fácilmente ni de forma inmediata.
Otro inconveniente que presenta el uso de dispositivos auxiliares que determinan el error de apunte es que tales dispositivos miden el error en su orientación respecto de la dirección de incidencia de los rayos y no el error en la orientación del sistema completo. Es por tanto necesario garantizar que el sensor de apunte y el seguidor tienen la misma orientación. Sin embargo, esta orientación de uno respecto del otro no siempre es perfecta, está sujeta a errores de montaje; y, puede verse modificada por problemas por ejemplo de deformación o desalineamiento de los elementos estructurales.
La presente invención es un método para conseguir orientar correctamente un sistema fotovoltaico de concentración sin necesidad de emplear elementos auxiliares que midan el error de apunte.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Un primer aspecto de la invención es un método de control apropiado para un sistema de módulos fotovoltaicos de concentración de acuerdo a la reivindicación 1. Un segundo aspecto de la invención es un dispositivo de acuerdo a la reivindicación 13 adaptado para llevar a cabo el método de control según el primer aspecto de la ES 2 384 936 Al
invención.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Estas y otras características y ventajas de la invención, se pondrán más claramente de manifiesto a partir de la descripción detallada que sigue de una forma preferida de realización, dada únicamente a título de ejem
plo ilustrativo y no limitativo, con referencia a las figuras que se acompañan.
Figuras 1-5 Las cinco figuras muestran una secuencia de gráficas de lectura de la potencia o de la corriente entregada por un módulo de captación de energía solar durante una fase de desplazamiento para diferentes casos posibles.
Figura 6 La figura 6 muestra un esquema de regulación donde se tiene en cuenta el error de posición de un seguidor de acuerdo a un ejemplo de realización de la invención.
EXPOSICIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Tal y como se indicaba en la descripción de la invención, un primer aspecto de la invención es un método de control apropiado para un sistema de módulos fotovoltaicos de concentración. Este método permite el
adecuado seguimiento del Sol para optimizar su rendimiento donde este sistema comprende:
• al menos de un módulo de captación de energía solar para proveer de energía a una carga,
El módulo de captación de energía solar no tiene porqué necesariamente ser un módulo concentrador, no obstante, este método es especialmente ventajoso en este tipo de dispositivos y se ha probado que ofrece la suficiente precisión para mantener la correcta orientación. La carga a la que se provee de energía es habitualmente una red de distribución de energía a la que se transfiere la energía generada.
• un dispositivo de orientación provisto de uno o más grados de libertad Y j, j=1, 2, .. según uno o más ejes de giro Ej, j=1, 2, .. adaptado para situar el módulo de captación de energía solar en una determinada posición angular xdis= (Y1''Y2’, …) ,
Habitualmente los dispositivos de orientación son estructuras sobre las que están instalados los módulos de captación de energía solar donde tales estructuras están configuradas como una cadena cinemática que dispone de un determinado número de grados de libertad.
El primer elemento de la cadena cinemática es un soporte fijo y el último elemento de la cadena cinemática es solidario al módulo de captación de energía solar. Estos grados de libertad y el cómo está configurada la cadena cinemática pueden ser muy variados.
Lo más habitual, y a modo de ejemplo, es que el dispositivo de orientación disponga de dos grados de libertad. Sobre un soporte fijo, un primer giro permite la orientación en azimut de un segundo soporte arrastrado por este primer giro. Sobre este segundo soporte se encuentra un tercer soporte vinculado por un segundo giro, el que permite determinar el grado de elevación del tercer soporte. Este tercer soporte es el que soporta al módulo de captación de energía solar.
El vector constituido por los ángulos que determinan la posición angular del módulo de captación de energía solar es el vector que hemos denominado xdis.
• unos medios de impulsión adaptados para mover el dispositivo de orientación en cada uno de los ejes de giro Ej, j=1, 2, ..,
Cada grado de libertad implica la existencia de un medio de impulsión que permite mover el dispositivo de orientación respecto del eje asociado a dicho grado de libertad. Se entiende que los medios de impulsión asociados a un grado de libertad pueden operar de forma independiente a los asociados a un grado de libertad distinto.
El Sol es la referencia a seguir por el dispositivo de orientación que arrastra a los módulos de captación de energía solar. El Sol sigue una trayectoria avanzando de forma continua. El método según la invención establece una discretización del tiempo, no necesariamente uniforme, de modo que en cada instante de tiempo de dicha discretización se lleva a cabo una valoración sobre si es necesario llevar a cabo un movimiento o no.
El método tiene en cuenta una estimación de la posición del Sol y la posición angular del dispositivo de orientación. Se considera que es necesario llevar a cabo un movimiento de los módulos cuando la diferencia entre uno y otro, para un determinado grado de libertad, es superior a un valor umbral preestablecido para dicho grado de libertad.
Si es necesario hacer un movimiento se actúa sobre los medios de impulsión para acercar la orientación del dispositivo de orientación a la posición del Sol, estimada de acuerdo a las etapas que se detallarán más adelante. La valoración se lleva a cabo para cada grado de libertad de forma independiente y sin ser esencial el orden ES 2 384 936 Al
seguido para todos los grados de libertad.
• unos medios de medida o bien de la potencia o bien de la corriente entregada por el módulo de captación de energía solar,
El esquema de control en el que se basa este método es en bucle cerrado. Concretamente, la acción de modificar la orientación del dispositivo de orientación depende, entre otros factores, de la lectura que se obtiene de la potencia o de la corriente generada por los módulos de captación de energía solar.
El desplazamiento angular de los módulos a lo largo de uno de los ejes asociados a un grado de libertad da lugar a una potencia generada que varía durante el desplazamiento dependiendo de la orientación en cada instante del módulo. Será esta lectura de la potencia entregada durante el desplazamiento la que se utilice para establecer la estimación de la posición del Sol. Esto es, durante cada movimiento se lleva a cabo la lectura continua de la potencia o corriente entregada por los módulos de captación de energía y es a posteriori cuando se actualiza la estimación de la posición del Sol. La lectura continua puede realizarse mediante una serie de lecturas discretas que permiten reconstruir por ejemplo por interpolación la evolución de la potencia o corriente entregada durante el desplazamiento.
• una unidad de proceso acoplada a los medios de medida de la potencia o intensidad entregada y adaptada para generar órdenes que establezcan el movimiento del dispositivo de orientación,
Esta unidad de proceso es la que recibe al menos la señal de lectura de la potencia o de la corriente y la que lleva a cabo el método de la invención. El modo más habitual de llevar a cabo esta unidad de proceso es mediante una unidad de proceso programable.
donde el control a través de la unidad de proceso establece el seguimiento del Sol por parte del módulo de captación de energía solar de acuerdo a las siguientes etapas:
• definir una función de referencia Pref que determine una estimación de la posición del Sol xsol= (Y1, Y2, …) =xref, donde xref= (Yr1'Yr2, …) =Pref (t, lat, lon) dependiente al menos de la fecha, hora, latitud y longitud.
• generar órdenes para orientar el dispositivo de orientación a un primer punto xdis=xref,
Mediante las coordenadas xsol se denotan las coordenadas angulares de la estimación de la posición del Sol. En un ejemplo de realización, esta estimación es corregida en cada iteración de corrección de la posición del dispositivo de orientación para tener en cuenta posibles errores estructurales u otras causas que den lugar a la desviación del dispositivo.
Para comenzar, el método requiere un primer posicionamiento estimando la posición del Sol. Este primer posicionamiento depende de fecha, hora, latitud y longitud. Existen ecuaciones que tienen estos parámetros como argumentos y sirven de modelo matemático para determinar una estimación del Sol. Esta primera estimación también puede estar almacenada en tablas que permitan determinar la estimación de la posición del Sol mediante técnicas de interpolación. Estos modelos no tienen en cuenta las desviaciones estructurales u otras causas que dan lugar a errores entre la posición objetivo y la posición que realmente adopta el módulo de captación de energía solar. Adicionalmente, un ejemplo de realización de la invención emplea una tabla de errores para corregir los valores proporcionados por las ecuaciones para tener en cuenta estas desviaciones.
• para cada eje de giro Ej establecer un valor umbral Gj, j=1, 2, .. de desviación angular mínima,
Cada grado de libertad puede requerir valores umbrales distintos por ejemplo porque las desviaciones respecto a dicho grado de libertad dan lugar a desviaciones más importantes del foco de radiación concentrada comparadas con las desviaciones en otro grado de libertad. Este umbral es el que determina si es necesario llevar a cabo en cada instante de tiempo un movimiento o no.
• para cada instante de tiempo ti de una secuencia de instantes de tiempo establecidos por la unidad de proceso, mientras los módulos de captación están operativos, y en cada uno de los ejes de giro del dispositivo de orientación Ej j=1, 2, .., tomando los ejes Ej en cualquier orden, se lleva a cabo la secuencia de pasos a) -e) :
Cuando los grados de libertad son varios, el conjunto de pasos a) -e) se aplica a cada grado de libertad por separado. Como se ha comentado anteriormente la discretización en el tiempo no tiene porqué ser homogénea. Por ejemplo, los intervalos de tiempo serán menores cuando el desplazamiento del Sol sea más rápido. Si bien es la unidad de proceso la que establece esta discretización del tiempo, la medida del tiempo puede realizarla un dispositivo externo tal como un reloj de cuarzo con un contador o el mismo reloj interno de la unidad de proceso.
a) se determina la estimación de la coordenada angular de la posición del Sol Yrj a partir de la función de referencia Pref en ti y se calcula la desviación angular rY j entre dicha posición estimada Y rj del Sol y la posición angular del dispositivo de orientación Yj’ en el instante de tiempo anterior,
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La posición estimada del Sol xsol ha sido inicialmente estimada haciendo uso de la función Pref por ejemplo haciendo uso de las ecuaciones del Sol y han dado lugar a un primer movimiento del dispositivo de orientación. En esta primera iteración los valores de arranque del bucle iterativo son los que corresponden a la identificación “en el instante anterior”. Tras el primer paso y en los sucesivos, la estimación del Sol se evalúa nuevamente haciendo uso de las medidas de la potencia o la corriente entregada por el módulo de captación de energía solar según la estrategia que se describirá más adelante.
Así, en la primera iteración del bucle que comprende las etapas a) -e) , la posición angular del dispositivo Yrj que aparece en la etapa a) es la que tiene el dispositivo tras moverse a la posición determinada por la función de referencia Pref; y, en la segunda iteración y siguientes del bucle esta variable toma el valor determinado tras desplazarse a la posición determinada por la estimación xsol que se ha calculado en la iteración anterior a partir de la lectura o de la potencia o de la corriente que proviene del módulo de captación de energía solar.
Como ahora el instante de tiempo ti en la iteración actual es el que corresponde al instante ti+1 si se tiene como referencia la iteración anterior, en este instante la posición estimada del Sol xsol valorada en la etapa e) ahora corresponde al instante de tiempo anterior ti-1. Es por este motivo que en el instante ti, para saber si es necesario avanzar se tome nuevamente como primera estimación de la posición del Sol la que determina la función de referencia Pref. Esta primera estimación es nuevamente corregida tras el avance del dispositivo a través de la etapa e) . El modo en el que se corrige queda descrito en la siguiente etapa.
A la vista de las variables involucradas, existen al menos 3 posiciones angulares: la posición angular que realmente tiene el dispositivo de orientación denotado mediante xdis, la posición estimada del Sol denotada como xsol, y la posición real del Sol y que es la que se pretende estimar con las lecturas de potencia o corriente.
De estos vectores de coordenadas, puesto que el conjunto de etapas a) -i) se llevan a cabo para un solo grado de libertad, solo se tiene en cuenta la coordenada angular correspondiente, por ejemplo Yjo Yj’ según el caso.
b) si la desviación angular rY j es mayor que su valor umbral Gj de desviación mínima, se establece una distancia de avance aj a lo largo de la dirección de avance para el dispositivo de orientación en dicho eje Ej, tal que la posición avanzada Yj'+aj se encuentre por delante de la posición estimada del Sol Yrj en dicho eje Ej, y se establece un valor nulo si la desviación angular es menor que el mismo valor umbral,
Si la estimación de lo que el Sol ha avanzado entre instantes de tiempo ti-1, ti determina que es necesario avanzar, este avance se utiliza para volver a estimar la posición del Sol ya que durante el desplazamiento angular del módulo de captación de energía se lleva a cabo la lectura de la potencia o corriente entregada, y es esta lectura la que se utiliza para llevar a cabo los cálculos para la estimación.
De esta forma, en el instante ti se determina una primera estimación de la posición del Sol Yrj tomada a partir de la función de referencia Pref. Conociendo esta estimación de la posición del Sol y la posición del dispositivo Yj’ que tiene del instante de tiempo anterior ti-1 se tiene un avance aj que tiene que ser mayor que la diferencia entre Yrj y Yj’. De esta forma se asegura que al avanzar se va más allá de la posición que tiene el Sol; esto es, se asegura que el máximo de la lectura de la potencia o la intensidad medida se encuentra dentro del intervalo de lectura.
En un modo preferente de realización de la invención la cantidad adicional que se avanza es un ángulo preestablecido que puede ser modificado si se observa que no cumple siempre su objetivo de forma adecuada. En este ejemplo de realización el avance será (rj-Yj’) más un determinado valor positivo Y
preestablecido.
En otro ejemplo de realización, a los valores de referencia Pref utilizados para proporcionar una estimación de la posición del Sol se les suma un factor corrector que tiene en cuenta la desviación del dispositivo de posicionamiento respecto a la posición objetivo. Estos factores de corrección son valorados en cada etapa y pueden ser utilizados con posterioridad por ejemplo en días posteriores.
Tal y como se ha indicado, el desplazamiento del módulo sólo se lleva a cabo haciendo uso de uno de los grados de libertad cada vez. El resto de los grados de libertad se mantienen fijos o bloqueados. Un desplazamiento angular en el módulo de captación de energía solar da lugar a una variación de la potencia o la corriente entregada ya que cambia su posición angular respecto de la posición angular del Sol. Dado que el resto de los grados de libertad se encuentran bloqueados, la posición angular más cercana a la posición angular del Sol haciendo uso de un único grado de libertad no tiene porqué corresponder a la posición correcta del Sol ya que los grados de libertad bloqueados también pueden tener pequeñas desviaciones.
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Aun en este caso, el punto más cercano dará lugar a un máximo en la lectura de la potencia o la corriente. Bajo esta hipótesis, el desplazamiento que se lleva a cabo mientras se lee la potencia o corriente entregada se determina suficientemente grande como para superar el ángulo donde se estima que se alcanza el máximo. De esta forma, la potencia o corriente entregada tiene en principio que dar lugar a una función cóncava hacia abajo con un máximo local.
El conjunto de etapas a) -e) da lugar a un método de control óptimo. No obstante, el método puede hacerse más robusto ante la presencia de perturbaciones mediante verificaciones de condiciones irregulares en las que no solo se tiene en cuenta que se obtiene una función cóncava hacia abajo con un máximo local sino otras situaciones que de otra forma darían lugar a la pérdida del Sol.
Determinar que es necesario avanzar implica que se ha superado el valor umbral Ej de desviación mínima. La condición de establecer un valor nulo de aj en el caso contrario; esto es, si la desviación angular es menor que el valor umbral Ej de desviación mínima, se ha de interpretar como que el método determina que en esta etapa no se lleva a cabo un avance y por lo tanto el resto de etapas c) -e) del proceso iterativo no requieren ser valoradas. Como resultado, se pasa a la siguiente iteración considerando el siguiente grado de libertad; o, se espera al siguiente instante de tiempo si ya se ha iterado sobre todos los grados de libertad.
c) determinar x0 como la posición inicial Y j’ antes del avance y x1= Yj'+aj como la posición final tras el avance; y, generar órdenes para el avance en el eje Ej del dispositivo de orientación al punto x1,
d) definir una función P (x) en el intervalo [x0, x1] donde P (x) corresponde a la medida aportada por los medios de medida o bien de la potencia o bien de la corriente entregada por el módulo de captación de energía solar a lo largo del recorrido [x0, x1] según el eje Ej,
Estas dos etapas c) y d) son las que concretan la acción ya descrita: se desplaza el módulo de captación de energía la distancia estimada y durante el desplazamiento se construye una función que representa la lectura llevada a cabo para poder estimar la posición del Sol para el grado de libertad con el que se está trabajando.
e) evaluar el máximo Pmax de la función P (x) en el intervalo [x0, x1] y el punto xm donde se localiza dicho máximo Pmax=P (xm) , y establecer Yj=x0+{ donde {<aj' siendo { tal que Yj toma el valor xm donde se localiza el máximo Pmax=P (xm) .
El valor del máximo se utilizará para establecer el punto xm que corresponde al valor del ángulo de la posición estimada del Sol donde se produce dicho máximo. Es este punto el que se establece como la estimación de Yj.
Existen situaciones no óptimas que pueden hacer que se produzca la pérdida del Sol. Para que el
método sea más robusto y permita el seguimiento del Sol en estas condiciones no óptimas opcionalmente se pue
den llevar a cabo verificaciones y acciones adicionales.
La primera verificación a tener en cuenta es si existen perturbaciones en la lectura que modifican la función P (x) de forma que el punto xm deja de corresponder al punto donde realmente se encuentra el máximo de P (x) . Cuando es posible establecer que existen estas perturbaciones, entonces caso de detectar la presencia de tales perturbaciones se establece el avance de una cantidad preestablecida independientemente de donde se haya leído el máximo; esto es, º se selecciona como k aj donde k toma valores entre 0 y 0.5, preferentemente 0.5.
El siguiente conjunto de etapas adicionales y optativas corresponden a las decisiones a tomar dependiendo de los posibles casos que se pueden dar.
evaluar un coeficiente cu entre 0 y 1, preferentemente 0.95, y un valor umbral U=cuPmax,
Este es el valor umbral calculado como un porcentaje del valor máximo. Con este valor umbral se busca que no haya lugares del dominio [x0, x1] en los que la potencia descienda en exceso ya que si esto sucede es indicativo por ejemplo de que la radiación ha descendido por la presencia de una nube o porque ha habido un alejamiento excesivo de la posición del Sol. En cada caso es necesario tomar las medidas más apropiadas.
si P (x0) es mayor que U y P (x1) es mayor que U entonces establecer Yj=x0+ º donde º< aj,
Esta etapa corresponde a la situación deseable y corresponde al avance por defecto. La potencia siempre está por encima del valor umbral de potencia y la estimación de la posición del Sol se encuentra en un punto a la derecha de x0. El valor de º es tal que se toma el punto Xm donde se encuentra el máximo a no ser que, tal y como se ha descrito, existan perturbaciones que den lugar a tener que prefijar un valor determinado al invalidar la lectura correcta de P (x) .
si P (x0) es mayor que U y P (x1) es menor que U, calcular el punto x2 tal que P (x2) = U, y entonces esta
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blecer Yj=x2-{ donde {<aj,
Inicialmente la potencia o valor de la corriente está por encima del valor umbral pero es al final del desplazamiento donde la función P (x) decae por debajo del valor umbral. Una de las causas de esta situación es la de haber avanzado en exceso.
La primera medida consiste en reducir el dominio extendiendo el intervalo hasta el punto x2 donde la función P (x) decae por debajo del valor umbral. En este intervalo se establece la estimación de la posición del Sol.
si P (x0) es menor que U y P (x1) es mayor que U, calcular el punto x2 tal que P (x2) = U, y entonces establecer Yj=x2+{ donde {<a,
Esta es la situación contraria al paso anterior. En este caso el dominio de la función P (x) también se ve reducido por la izquierda hasta el punto donde dicha función se encuentra por encima del valor umbral y también se lleva a cabo una nueva estimación de la posición del Sol en el intervalo restringido.
Como se ha explicado, el método según el primer aspecto de la invención permite estimar la posición del Sol llevando a cabo un desplazamiento en un único grado de libertad y tomando la posición de la trayectoria en la cual se ha generado mayor potencia o corriente; eso sí, teniendo en cuenta que se considera que la carga que está conectada al sistema de captación de energía solar es constante. En principio la carga es constante cuando no existen inversores ni dispositivos tales como MPPTs (“Maximum power point trackers”) . No obstante, incluso si existen tales dispositivos la invención de acuerdo a diversos modos particulares de llevarse a cabo tiene en cuenta tales casos.
Cuando la carga no es constante, un modo de llevar a cabo la invención consiste en realizar una permutación entre la carga dada por la red a la que se entrega la potencia generada y una carga fija. Esta carga fija es la que recibe la potencia entregada por el módulo de captación de energía y por lo tanto no produce perturbaciones en la función P (x) . Esta conmutación se mantiene al menos durante la lectura de la función P (x) .
Según otro ejemplo de realización, se lleva a cabo una lectura de la perturbación y se compensa en la señal entregada por los medios de medida de la potencia o de la corriente. Este ejemplo es especialmente válido por ejemplo con el uso de dispositivos MPPT donde es posible conocer la perturbación introducida.
Según otro ejemplo de realización, la unidad de proceso dispone de una salida con la que es capaz de actuar sobre los elementos que generan la perturbación, o bien minimizándola o bien incluso provocando su desconexión durante el periodo de tiempo en el que se lleva a cabo la lectura que permite construir la función P (x) .
A continuación se describe un ejemplo de llevar a cabo la invención haciendo uso de figuras.
Se ha dicho que al realizar un movimiento en una coordenada (respecto a uno de los ejes Ej) , se analiza, previo filtrado, la potencia o corriente instantánea generada durante el movimiento. Posteriormente, se calcula el máximo de esa curva de potencia y se compara con un umbral mínimo.
Cuando el máximo no supera un umbral mínimo Um (este umbral mínimo no es el parámetro U) , se considera que durante el movimiento no se ha detectado el Sol, por lo que no se establece una estimación de su posición. En este caso se concluye que la plataforma está semiperdida o perdida, y se actúa en consecuencia, por ejemplo aplicar un procedimiento de los conocidos de búsqueda del Sol mediante una espiral o el uso de la corrección del día anterior sumada a las ecuaciones del Sol. En un modo de llevar a cabo la invención, en el caso de que no se supere el umbral mínimo Um, pero el nivel de radiación medido por un dispositivo externo no supere un cierto valor preestablecido, se considera que no hay radiación suficiente. No se realiza ningún movimiento hasta que no se deje de cumplir esta condición.
Por el contrario, en el caso de que el máximo sí supere el umbral mínimo, entonces se define el valor umbral U, preferentemente con un valor del 95% de la potencia máxima. Establecido el umbral U, la curva P (x) obtenida durante el desplazamiento se divide en dos zonas: una primera zona donde las posiciones de la trayectoria ha dado lugar a lecturas de la potencia o corriente superiores a dicho umbral y una segunda zona en las que no. En función de la curva y atendiendo a esta separación en zonas se han distinguido los siguientes casos:
Sin potencia Este caso corresponde a la situación en la que la potencia o la corriente instantánea captada por los módulos de captación de energía no supera en ningún momento el umbral mínimo Um. En este caso no se actualiza la estimación de la posición del Sol en la coordenada correspondiente y se concluye que la plataforma está semiperdida o perdida. Este caso se muestra en la figura 1.
Ambos extremos por encima del umbral
De aquí en adelante, en los encabezamientos de los distintos casos, cuando se hace uso del término ES 2 384 936 Al
extremo se refieren a extremos del intervalo en el que se define la función P (x) .
Este caso corresponde a la situación en la que todos los valores de la potencia o la corriente instantánea P (x) están por encima del valor umbral U determinado como un porcentaje del valor máximo de P (x) tal y como muestra la figura 2. En este caso se determina el punto xm donde se alcanza el máximo y es esta coordenada, la de la posición angular respecto al eje Ej, en la que se ha llevado a cabo la lectura de P (x) . La coordenada x es una variable que representa la coordenada angular respecto del eje Ej.
Un primer ejemplo de realización establece que la estimación de la posición del Sol xsol corresponde al punto xm donde se alcanza el máximo. En otro ejemplo de realización de la invención la estimación de la posición del Sol toma el valor medio del intervalo. Las pruebas realizadas con el primer ejemplo de realización han dado lugar a mejores resultados ante la ausencia de perturbaciones en la carga.
El primer extremo por debajo del umbral y el segundo extremo por encima del umbral
Este caso corresponde a la situación en la que existe una primera zona al principio del intervalo de variación de la función P (x) donde la potencia o corriente está por debajo del valor umbral U; y, una segunda zona al final del intervalo en la que P (x) adopta valores por encima del valor umbral U. Este caso se representa en la figura 3.
Primero se determina el corte de la función P (x) con la línea horizontal establecida por el valor del umbral U. La primera zona está a la izquierda del punto x2 de corte y la segunda zona está a la derecha del punto de corte.
Según un modo de realización de la invención se lleva a cabo una estimación de la posición del Sol en la segunda zona. Esta estimación se toma en un punto avanzado una distancia , inferior a la anchura del intervalo. Un ejemplo de realización establece un determinado porcentaje del ángulo avanzado aj, preferentemente la mitad. En la figura 3 este punto avanzado se representa con una flecha horizontal que no llega hasta donde se produce el máximo. Esta elección establece un método que se ha probado experimentalmente que es muy robusto incluso ante la presencia de perturbaciones por ejemplo por la existencia de un dispositivo MPPT. Otro ejemplo de realización toma como estimación de la posición del Sol en esa coordenada angular la coordenada en la que se encuentra el máximo de P (x) . Esta posición está indicada mediante una segunda flecha horizontal dispuesta bajo la primera y que sí alcanza el lugar donde la función es máxima. Este valor, aunque se ha probado que es menos robusto ante la existencia de perturbaciones es una buena estimación si tales perturbaciones no existen o han sido compensadas.
En el caso en el que el máximo local se encuentre en el extremo derecho del intervalo y ante la ausencia de perturbaciones, lo que ha sucedido es que el avance llevado a cabo no ha sido suficiente como para superar la posición del Sol tal y como exige el método. En este caso es necesario llevar a cabo un avance mayor. Este es uno de los ejemplos en los que es posible intercalar un avance en el método según la invención para evitar pérdidas de apunte al Sol previendo el fallo a través del análisis de la función P (x) . En este avance se volvería a llevar a cabo una lectura de una nueva función P (x) para volver a estimar la posición del Sol. En el caso de haber perturbaciones, estas perturbaciones pueden dar lugar a determinaciones del punto donde se encuentra el máximo que no corresponde al real, de ahí que en estos casos resulte más robusto la determinación de un avance preestablecido.
El primer extremo por encima del umbral y el segundo extremo por debajo del umbral
Este caso es el contrario al caso anterior. Tal y como se muestra en la figura 4 inicialmente P (x) se encuentra por encima del valor umbral U; pero, a partir de un punto de corte, la potencia o corriente cae por debajo del valor umbral U. Esta situación puede suceder por ejemplo cuando el avance es excesivo y se produce una desfocalización en el módulo de captación de energía.
El primer paso a tomar es el de calcular el punto de corte x2 de la función P (x) con la línea horizontal determinada por el valor umbral U; y, establecer un retroceso que corrija el avance excesivo.
La estimación de la posición del Sol se establece en el punto x2-donde es un valor menor que la anchura del intervalo [x0, x1] y da lugar a que en la siguiente etapa que conlleva un avance se lleve a cabo un retroceso de una determinada distancia, preferentemente la mitad del intervalo. Este retroceso ha sido representado en la figura 4 mediante una flecha horizontal cuya punta está orientada a la izquierda.
Al igual que en el caso anterior, también es posible establecer un retroceso que en lugar de adoptar la distancia x2-º el retroceso se produzca hasta Xm donde se produce el valor máximo Pmax.
Ambos extremos se encuentran por debajo del umbral
Esta situación ocurre cuando, aunque los extremos se encuentren por debajo de un valor umbral U, hay otras posiciones que sí se encuentren por encima de dicho valor umbral U.
Este caso puede corresponder por ejemplo a la situación en la que se ha esperado excesivo tiempo a llevar a cabo la corrección y por lo tanto el Sol ha avanzado mucho, de ahí que la lectura comience por debajo del
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valor umbral U; y, se avance también en exceso alcanzando el máximo y volviendo a bajar por debajo del valor umbral U.
En este caso la posición estimada del Sol también se estima tomando el valor donde se encuentra el máximo. Ver figura 5.
En el caso de que la potencia instantánea medida en la posición final sea inferior al umbral, es adecuado llevar a cabo un nuevo movimiento de corrección en el que se toma en consideración la nueva estimación de la posición del Sol calculada.
En todos los casos la función P (x) se considera que se extiende para valores crecientes de su variable independiente x, la posición angular. No obstante es posible que la trayectoria del Sol avance según una dirección en el que el valor angular es decreciente. En este caso las explicaciones son igualmente válidas solo que el punto x0 inicial se encuentra a la derecha, el punto final x1 se encuentra a la izquierda y P (x) evoluciona de derecha a izquierda mostrándose según una simetría especular respecto a un eje vertical. En estos casos el término “avance” se interpreta que el valor de la coordenada corresponde a puntos situados más a la izquierda.
En la descripción de la invención se ha indicado que mediante las coordenadas xsol se denotan las coordenadas angulares de la estimación de la posición del Sol. No obstante, en un caso práctico, cuando se generan órdenes de posicionamiento a los medios de impulsión para que el dispositivo se oriente de acuerdo a dicha estimación, esto no sucede así. Existen deformaciones estructurales, dilataciones, o pequeños fallos de montaje que dan lugar a diferencias entre las coordenadas objetivo xsol y las realmente adoptadas xdis por el dispositivo.
Un ejemplo muy cercano es el uso de valores de referencia tales como las ecuaciones del Sol pero podrían ser valores tabulados que permiten también determinar valores intermedios mediante técnicas interpolatorias. Estos valores de referencia permiten por ejemplo poner en marcha el método según el primer aspecto de la invención a partir de unos valores de la posición angular. No obstante, si bien permiten por ejemplo poner en marcha el seguimiento del Sol no tienen en cuenta las desviaciones estructurales, errores en el modelo cinemático del seguidor, u otras causas que dan lugar a los errores mencionados entre la posición objetivo y la posición que realmente adopta el módulo de captación de energía solar.
En un ejemplo de realización de la invención se tienen en cuenta las desviaciones medidas mientras se llevan a cabo las acciones correctoras de orientación de acuerdo al primer aspecto inventivo de la invención. En este caso se mantiene una tabla de errores para corregir los valores proporcionados por un valor de referencia.
Un primer modo sencillo de realización de la invención que tiene en cuenta estas desviaciones, cada vez que se lleva a cabo un paso correctivo mediante cualquiera de las etapas g) , h) o i) , define un factor de corrección e= (e1, e2, …) , tal que la estimación de la posición del Sol xsol= (Y1 Y2, …) es xsol=xref+e para un determinado valor de referencia xref= (Yr1 Yr2, …) . En este caso, para cada eje Ej la coordenada angular j es actualizada como ej= Yj-Yrj.
Otros ejemplos de realización llevan a cabo pasos correctivos más complejos. Este es el caso mostrado en la figura 6.
La figura 6 muestra el uso de un regulador para la corrección de la posición debido a estos errores de posición. El rectángulo A representan las ecuaciones del Sol tomadas como ejemplo de valor de referencia xref. A este valor xref se le suma el valor correctivo e que proviene del controlador B. Este valor es el enviado mediante órdenes de ejecución del movimiento a los medios de impulsión C que a su vez actúan sobre el dispositivo de orientación D. Esta orientación da lugar a unas coordenadas xdis que son comparadas con las que establece un estimador E de la posición del Sol xsol como el de la invención. Esta comparación es la que se envía al controlador B cerrando un control en bucle cerrado.
En este ejemplo de realización, los valores correctivos e que provienen del controlador B son los que se almacenarían en una tabla teniendo en cuenta la hora y el día. De esta forma, ante la pérdida del Sol sería posible por ejemplo conseguir que el dispositivo apunte nuevamente al Sol tomando xref a partir de las ecuaciones del Sol y sumar la acción correctiva almacenada en estas tablas. De esta forma, una ventaja de este factor correctivo es que, en el caso de perder el Sol, es posible recuperarlo teniendo en cuenta las desviaciones por ejemplo debidas a fallos estructurales, de montaje, o de exactitud del modelo matemático o cinemático.
Según otro ejemplo de realización, si estos valores se almacenan de un día para otro, por ejemplo manteniendo listas circulares que se actualizan cada día, al entrar el módulo de captación de energía solar a estar operativo un nuevo día, éste puede alcanzar una mejor posición desde el principio o también puede disponer a lo largo del día de un valor de referencia tras una parada debida al paso de nubes.
ES 2 384 936 Al
