ES2690176B2 - Método de optimización de la repotenciación de plantas solares fotovoltaicas mediante mantenimiento predictivo y preventivo inteligente - Google Patents
Método de optimización de la repotenciación de plantas solares fotovoltaicas mediante mantenimiento predictivo y preventivo inteligente Download PDFInfo
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Description
METODO DE OPTIMIZACION DE LA REPOTENCIACION DE PLANTAS SOLARES FOTOVOLTAICAS MEDIANTE MANTENIMIENTO PREDICTIVO Y PREVENTIVO INTELIGENTE
DESCRIPCION
Sector de la tecnica
La invention se encuadra en el sector tecnico de enemas renovables, mas concretamente en el relativo a la energia solar fotovoltaica. Dentro de este sector, se encuadra en su segmento de operation y mantenimiento.
Estado de la tecnica
El 90 % del mercado solar fotovoltaico mundial se basa en la tecnologia denominada “cristalina”. Estos modulos solares estan compuestos de celulas solares de silicio cristalino, tanto monocristalino como multicristalino, unidas unas a otras mediante conexion electrica, generalmente en serie. A su vez, en una planta solar los modulos se unen unos a otros en serie hasta una determinada cifra, que depende del voltaje e intensidad que se desean obtener, formando ramas. Cada una de estas ramas en serie se conecta en serie o paralelo a otras, hasta conformar la planta solar fotovoltaica completa.
A nivel mundial, y segun los ultimos informes, como por ejemplo el que emite anualmente la Agencia Internacional de la Energia, hay en 2017 mas de 300 gigavatios pico (GWp) de potencia fotovoltaica instalada. El 60% de ella son grandes plantas mayores de un megavatio pico (MWp) de potencia.
La rentabilidad de estas plantas es especialmente sensible a fallos en los modulos solares, puesto que se basan cada vez mas en competitividad en precios y por tanto en margenes mas exiguos. Desde hace tiempo, se conocen bastante bien los principales fallos que se dan en los modulos solares, tanto a nivel de una sola celula como a nivel de modulo. Uno de los ultimos informes que actualizan los potenciales fallos de los modulos y celulas solares es el realizado por el Programa de Sistemas Fotovoltaicos de la Agencia Internacional de la Energia (IEA-PVPS, por sus siglas en ingles), titulado “Revision de Fallos de Modulos Fotovoltaicos”, de marzo de 2014. Este informe detalla que aproximadamente un 2% del total de modulos existente fallara a partir de los 10-12 anos de vida, y antes de finalizar su vida util. La principal consecuencia de cualquiera de estos fallos es que, al estar varias celulas y varios modulos conectados electricamente en serie, el fallo de una sola celula o de un solo modulo puede “apagar” toda la serie y provocar una perdida mas o menos importante de rendimiento. Estos fallos son generalmente electricos y se deben a diversas causas, la mayoria de las cuales pueden detectarse por el mayor aumento de temperatura de las zonas afectadas mediante tecnicas termograficas por emision en infrarrojo (IR), o por la menor conductividad electrica de las zonas afectadas, medida por emision de electroluminiscencia (EL).
El mantenimiento preventivo que mayoritariamente se ha venido realizando, sin embargo, ha ido mas encaminado a evitar acumulacion de suciedad, o a revisar las
conexiones electricas finales en el inversor AC/DC, conservation del cableado, etc., que a detectar fallos dentro de los modulos o en las celulas solares. La introduction de tecnicas IR y EL, que permiten la detection temprana y por tanto un mantenimiento predictivo inteligente, se ha comenzado a popularizar solo muy recientemente con el auge de los veMculos aereos no tripulados o drones, que permiten una velocidad de inspection rentable. Hasta la introduccion de drones, la inspection se realizaba a nivel de suelo y era intensiva en consumo de tiempo y recursos, y por tanto inviable de introducir en un plan de mantenimiento estandar. El auge de dichas tecnicas viene acompanado de un aumento de solicitudes de patente dedicadas a metodos de inspeccion de plantas fotovoltaicas preferiblemente con drones, tanto con IR (por ejemplo las patentes KR20150022121 y KR20150022119), como con EL (patentes CN104883128, CN204392177 y CN103595351), como con ambas (patente US20150229269). Ademas, se ha introducido su uso en mantenimiento, por ejemplo, en las ultimas recomendaciones del informe del Laboratorio Nacional de Energias Renovables de EE.UU. (NREL, por sus siglas en ingles), titulado “Mejores Practicas en Operation y Mantenimiento de Sistemas Fotovoltaicos”, cuya segunda y hasta la fecha ultima edition es de diciembre de 2016. E incluso se esta realizando ahora mismo una norma espetifica para la medida IR en plantas solares: en marzo de 2017 se realizo la hasta el momento ultima votacion sobre la primera edicion del estandar international IEC 64426-3 TS, titulado “Sistemas Fotovoltaicos - Requisitos para el ensayo, la documentation y el mantenimiento - Parte 3: Termografia infrarroja exterior de modulos y plantas fotovoltaicos”, que en su version actual, todavia no aprobada, sugiere (no obliga) una inspeccion termografica cada 4 anos maximo, o inspecciones mas frecuentes si se dan circunstancias que prevean potenciales fallos o riesgo de incendio como en grandes instalaciones fotovoltaicas sobre cubierta. Todos estos documentos estan sentando las bases de un mantenimiento predictivo inteligente para la deteccion temprana de fallos en modulos, y veremos aun mejoras en los proximos anos.
El fin ultimo de este mantenimiento predictivo es detectar aquellos modulos defectuosos a tiempo. Sin embargo, a dia de hoy no existe un metodo claro de que hacer exactamente con estos modulos, como gestionar su sustitucion, reparacion o simplemente si es mas conveniente dejarlos estar.
Por otro lado, todo este desarrollo no se explota a su maximo potencial, que puede llegar a la repotenciacion de las plantas solares. Cuando hoy en dia se piensa en repotenciar plantas solares para obtener mayor rendimiento, se suele referir a sustituir la totalidad de los modulos antiguos, menos potentes, por modulos nuevos mas potentes, aprovechando la infraestructura existente. Esta consideration suele realizarse solamente en caso de fallo general de la planta, o, mas comun, al final de la vida util de la misma. Hasta donde llega el conocimiento de los autores, no se ha planteado ningun metodo de repotenciacion mas optimizado, y en ningun caso teniendo en cuenta los datos obtenidos con el mantenimiento de las plantas.
La presente invention propone un metodo para realizar una repotenciacion optimizada de manera continua a lo largo de la vida util de una planta solar utilizando los nuevos metodos rentables de mantenimiento preventivo y predictivo inteligente, de manera que se utilice el conocimiento de los modulos que fallan para, mediante su optima gestion, constantemente reorganizar la planta solar con el objetivo ultimo de generar en todo momento la mayor production de electricidad. Y con ello asegurar la mayor rentabilidad posible de la inversion.
Explicacion de la invencion
La presente invencion es un metodo para optimizar la repotenciacion de una planta solar fotovoltaica aprovechando el mantenimiento preventivo y predictivo inteligente basado en la detection de fallos de modulos mediante termografia (IR) y electroluminiscencia (EL) aereas.
Dicho metodo de repotenciacion optimizado se diferencia con respecto a la repotenciacion normal realizada a dia de hoy en varios puntos:
- No se realiza en un determinado punto en el tiempo, por ejemplo al final de la vida util de la planta, sino que se realiza de manera continua.
- No sustituye indiscriminadamente todos los modulos, incluidos aquellos que siguen funcionando y dando su maxima potencia, sino que se focaliza solamente en aquellos que comienzan a fallar, se prevea su fallo en un plazo corto de tiempo, o fallan completamente.
- Por tanto, rentabiliza al maximo la inversion inicial de los modulos que siguen funcionando, puesto que seguiran perteneciendo a la planta hasta obtener todo su rendimiento (hasta el final de su vida util o hasta que fallen).
- Y tambien minimiza la inversion en repotenciacion, que se va haciendo gradualmente y solamente en aquellas zonas de la planta que presentan peores rendimientos.
Para poder realizar esta optimization de la potenciacion, se debe tener en cuenta que no todos los fallos de modulo conducen al mismo desenlace. Dependiendo del tipo de fallo, este puede ser:
a. ) Irreversible, debiendo sustituir el modulo por uno nuevo, que, por el avance imparable de la tecnologia, sera siempre de mayor potencia.
b. ) Reversible, pudiendo reparar el modulo consiguiendo restaurar la misma potencia.
c. ) Parcialmente utilizable, por ejemplo en modulos en los que una rama deja de funcionar pero no afecta al funcionamiento total del modulo ni pone en riesgo la operacion de la planta, obteniendose un producto aun util pero de menor potencia.
Tambien se ha de tener en consideration que para que el funcionamiento de una planta solar sea optimo, se deben juntar en las ramas conectadas en serie todos los modulos de muy parecida potencia (con variaciones de potencia entre ellos de desviacion estandar ±5%), y estas ramas, a su vez, en paralelo con otras de potencias distintas, preferiblemente incluso a un inversor separado, si se pudiera.
Con ello, el metodo de la presente invencion consiste en los siguientes pasos:
1. Realizar una inspection de la planta, por ejemplo mediante termografia y/o electroluminiscencia aerea.
2. Analizar los datos de la inspeccion.
3. Detectar los modulos que presentan fallos segun las categorias A, B y C anteriores.
4. Sustituir los modulos que caen dentro de la categoria A por otros nuevos, que tendran mayor potencia.
5. Reparar los modulos que caen dentro de la categoria B, recuperando su potencia original.
6. Agrupar los modulos A, B y C por potencia, y recolocarlos de modo que cada rama en serie contenga modulos con potencias muy similares, con una desviacion estandar maxima de ±5%. Si no fuera rentable continuar con los modulos C de menor potencia, estos se destinarian a otros usos fuera de la planta (por ejemplo, venderlos para otros usuarios, obteniendo otro redito), y se sustituirian por otros nuevos de mayor potencia, que se agruparian correspondientemente.
7. Repetir el proceso con la frecuencia estipulada, por ejemplo anualmente aprovechando las inspecciones regulares de mantenimiento inteligente, de forma que se realice la optimization continua de la planta solar.
Description de los dibujos
La Figura 1 muestra los modulos de una planta solar a los que se ha realizado una inspeccion, en la que se ha detectado un determinado numero de modulos con fallo tipo A (irreversible), otro numero de modulos con fallo tipo B (reversible), y otra cantidad de modulos con fallo tipo C (parcialmente utilizable), todos ellos distribuidos aleatoriamente a lo largo de la planta solar. Los recuadros (1) muestran varias ramas de modulos dentro de la planta, en las que los modulos que las componen estan conectados en serie.
La Figura 2 muestra los modulos de una planta solar despues de optimizar la repotenciacion. En ella, los modulos que han fallado segun un fallo tipo A se han sustituido por otros nuevos de mayor potencia, y se alinean en una misma rama (1) en serie, separada de las demas por conexion en paralelo. Los modulos que han fallado segun un fallo tipo B han sido recuperados y colocados de vuelta en su sitio original, ya que han recuperado su potencia original y no afectan a la rama en la que estaban insertados. Y los modulos C han sido reagrupados dentro de una misma rama (1) en serie, separada de los demas por conexion en paralelo.
Modos de realization de la invention
En un modo de realizacion posible, pero no exclusivo, se tiene una planta solar fotovoltaica sobre suelo de 10 MWp, formada por 40.000 modulos de 250 Wp cada uno, distribuidos en 1.000 ramas de 40 modulos en serie.
Aprovechando una inspection termografica aerea realizada como parte del mantenimiento predictivo y preventivo inteligente anual, se han detectado los siguientes modulos defectuosos:
- 400 modulos de fallo tipo A (irreversible).
- 240 modulos de fallo tipo B (reversible).
- 160 modulos de fallo tipo C, de los que 80 pierden la mitad de su potencia (quedandose en 125 Wp) y los otros 80 pierden un quinto de su potencia (quedandose en 200 Wp).
Con el metodo de repotenciacion en este modo de realization, los 400 modulos de fallo tipo A se sustituyen por modulos de nueva generation, que tienen 300 Wp cada uno, y se agrupan en 10 ramas de 40 modulos en serie cada una.
Los 240 modulos de fallo tipo B se recuperan, volviendo a tener su potencia original y se colocan en el mismo sitio que ocupaban antes de la inspection.
Los 160 modulos de fallo tipo C se reagrupan y se distribuyen en cuatro ramas, dos con 40 modulos cada una de nueva potencia 125 Wp, y otras dos con 40 modulos cada una de nueva potencia 200 Wp.
De esta manera, la planta solar continua funcionando en su punto optimo y se ha conseguido repotenciar desde 10 MWp (de potencia nominal, aunque en realidad seria menor, pues haMa 800 modulos solares en mal estado) hasta 10,006 MWp.
En otra configuration posible, pero no exclusiva, con el mismo numero y distribution por tipos de modulos defectuosos, los modulos con fallos tipo A y B siguen el mismo procedimiento, mientras que los 160 modulos con fallo tipo C se revenden al exterior, sustituyendose en esta planta por nuevos modulos de 300 Wp de potencia cada uno, y distribuidos en cuatro ramas (1) de 40 modulos en serie cada una. La repotenciacion conseguida sube as! a 10,028 MWp.
Claims (1)
1. Metodo de optimization de la repotenciacion de plantas solares fotovoltaicas mediante mantenimiento predictivo y preventivo inteligente caracterizado por que
a. en un primer paso se realiza una inspection aerea por termografia infrarroja y/o electroluminiscencia para detectar los modulos defectuosos;
b. durante el analisis de los resultados de dicha inspeccion se seleccionan los modulos defectuosos por cada uno de los tres tipos de fallo siguientes: A - irreversibles, B - reversibles y C - parcialmente utilizables;
c. se sustituyen los modulos con fallo tipo A por modulos nuevos, de mayor potencia, que se agrupan dentro de ramas (1) en las que estan conectados en serie y tienen potencias con una desviacion estandar menor de ±5% entre si;
d. se reparan los modulos con fallo tipo B, recuperando su potencia original, y una vez reparados se devuelven a su ubicacion original dentro de la planta.
e. los modulos con fallo tipo C o bien se reagrupan segun su nueva potencia (siempre inferior) en grupos dentro de ramas (1) en las que estan conectados en serie y tienen potencias con una desviacion estandar menor de ±5% entre si, o bien se destinan a otras plantas y se sustituyen por modulos nuevos, de mayor potencia, que se agrupan dentro de ramas (1) en las que estan conectados en serie y tienen potencias con una desviacion estandar menor de ±5% entre si.
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