Herramientas mejoradas para la caracterización de sistemas fotovoltaicos autónomos

Abstract

El dimensionado de un Sistema FotoVoltaico Autónomo (SFVA) consiste en calcular, con la máxima fiabilidad posible, el tamaño óptimo del generador fotovoltaico y el de las baterías, que son los elementos encargados de proporcionar la energía requerida por las cargas a partir de la radiación disponible en la zona. Normalmente, para estudiar la fiabilidad de una solución se tendrá que simular durante una serie de años el comportamiento del sistema y poder así calcular la energía que NO es capaz de suministrar en ese tiempo. En esta fase no se tiene en cuenta el acoplamiento de los diferentes equipos y su localización exacta por lo que no se puede determinar con exactitud las diferentes pérdidas de energía que se producen en el campo solar por sombreo, por temperatura, etc. y las perdidas en el resto de los elementos La investigación que soporta esta Tesis revisa esta problemática y se marca como objetivo ofrecer herramientas que permitan mejorar la caracterización del funcionamiento de los SFVA para ayudar al dimensionamiento y diseño de estos; Concentrándose en dos aspectos: La caracterización matemática del balance energético de los SFVA para la obtención del índice de fiabilidad LLP(Probabilidad de Pérdida de Carga ) de estas y el desarrollo de herramientas para el estudio de los problemas de sombreamientos y obstrucción solar para escenarios particulares. Los principales métodos de dimensionamientos de los SPVA tratan de evaluar la fiabilidad del sistema mediante la simulación estocástica del balance de energía. Esta simulación estocástica implica la generación de las principales variables de estado del sistema durante un período de tiempo extenso, a partir de las ecuaciones físicas que describen el balance de energía del sistema, es decir, la energía entregada a la carga y la energía almacenada en las baterías. La mayoría de estos métodos consideran la carga de demanda diaria constante durante el año, controlando las variables indicadoras del grado de fiabilidad con que el sistema suministrará energía a la carga. Además, estos métodos se basan en modelos previos para generar datos de radiación solar y, dado que las aproximaciones de los métodos de simulación son asintóticas, conforme se requiere más precisión en la estimación de los indicadores de fiabilidad se necesita ampliar el período de simulación. En esta Tesis se presenta una metodología matemática para determinar el balance de energía diaria sin tener que aplicar métodos de simulación, basándonos directamente en la modelización de la radiación solar diaria realizada por Aguiar como procesos...

Sizing a stand-alone photovoltaic system (SAPV) consists of calculating, with the maximum possible reliability, the optimum size of the photovoltaic generator and the batteries - elements responsible for providing the power required by the loads from the radiation available in the area. Generally, a simulation during a series of years is needed to study both the reliability of the solution and to calculate the power the system cannot generate in this period. The attachment of different devices and its precise location are not considered at this stage, so that it is not possible to determine exactly the power losses produced in the solar field because of shadowing, temperature, etc. as well as the losses in other elements. The research carried out in this dissertation reviews this issue, and aims to offer tools to improve the characterization and performance of the SAPV systems and help in their sizing and design. The project focusses on two aspects: (i) the mathematical characterization of the energy balance of SAPV systems to obtain the reliability index of the loss-of-load probability (LLP), and (ii) the development of tools to study the problems of shadowing and solar obstruction in specific scenarios. The main methods of sizing SAPV systems try to assess their reliability by using the stochastic simulation of the energy balance. This stochastic simulation entails the generation of the main variables of the system state during a long period from physical equations that describe the system energy balance, that is, the power given to the load and the power stored in the batteries. Most of these methods consider that the daily demand load is constant during the year, monitoring the variables of the reliability level that the system will provide power to the load. Moreover, these methods are based on previous models to generate solar radiation data. Due to the fact that the approaches of the simulation methods are asymptotic, when more accuracy is required in the estimation of the reliability indicators, more simulation time is needed. This dissertation presents a mathematical methodology to determine the balance of daily energy without applying simulation methods. Our research is directly based, however, on the modelling of daily sun radiation developed by Aguiar as first-order stochastic Markov processes. This method, like other previous studies, uses LLP as a characterization parameter for sizing. An analytical method is propose...