Rendimiento del sistema fotovoltaico

El rendimiento de un sistema fotovoltaico es una función de las condiciones climáticas, el equipo utilizado y la configuración del sistema. El rendimiento fotovoltaico se puede medir como la relación entre la producción real del sistema solar fotovoltaico y los valores esperados, y la medición es esencial para el correcto funcionamiento y mantenimiento de las instalaciones solares fotovoltaicas. La entrada de energía primaria es la irradiancia lumínica global en el plano de los paneles solares, que a su vez es una combinación de la radiación directa y difusa. ^[1]

El rendimiento se mide mediante sistemas de monitorización fotovoltaica, que incluyen un dispositivo de registro de datos y, a menudo, también un dispositivo de medición meteorológica (dispositivo in situ o una fuente de datos meteorológicos independiente). Los sistemas de monitorización del rendimiento fotovoltaico sirven para varios propósitos: se utilizan para rastrear tendencias en un solo sistema fotovoltaico (PV) , para identificar fallas o daños en paneles solares e inversores, para comparar el rendimiento de un sistema con las especificaciones de diseño o para comparar sistemas fotovoltaicos en diferentes ubicaciones. Esta gama de aplicaciones requiere varios sensores y sistemas de monitorización, adaptados al propósito previsto. Específicamente, existe la necesidad de sensores de monitorización electrónicos y detección meteorológica independiente (irradiancia, temperatura y más) para normalizar las expectativas de salida de las instalaciones fotovoltaicas. La detección de irradiancia es muy importante para la industria fotovoltaica y se puede clasificar en dos categorías principales: piranómetros in situ y teledetección por satélite; cuando no se dispone de piranómetros in situ, a veces también se utilizan estaciones meteorológicas regionales, pero con una calidad de datos menor; el enfoque de medición sin sensores impulsado por IoT industrial ha evolucionado recientemente como la tercera opción.

Los sensores y sistemas de monitorización fotovoltaica están estandarizados en la norma IEC 61724-1 ^[2] y se clasifican en tres niveles de precisión, denotados por las letras “A”, “B” o “C”, o por las etiquetas “Alta precisión”, “Precisión media” y “Precisión básica”. Se ha desarrollado un parámetro llamado “índice de rendimiento” ^[3] para evaluar el valor total de las pérdidas del sistema fotovoltaico.

El rendimiento del sistema fotovoltaico depende generalmente de la irradiancia incidente en el plano de los paneles solares , la temperatura de las células solares y el espectro de la luz incidente. Además, depende del inversor , que normalmente establece el voltaje de funcionamiento del sistema. La salida de voltaje y corriente del sistema cambia a medida que cambian la iluminación, la temperatura y las condiciones de carga, por lo que no hay un voltaje, corriente o potencia específicos con los que el sistema siempre funcione. Por lo tanto, el rendimiento del sistema varía según su arquitectura (dirección e inclinación de los módulos), la ubicación geográfica y la hora del día, las condiciones climáticas (cantidad de insolación solar , nubosidad, temperatura) y perturbaciones locales como sombras, suciedad , estado de carga y disponibilidad de los componentes del sistema.

Los parques solares de escala industrial y de servicios públicos pueden alcanzar cifras de rendimiento elevadas. En los parques solares modernos, el índice de rendimiento debería ser normalmente superior al 80 %. ^{[4] [5]} Muchos parques solares fotovoltaicos utilizan soluciones avanzadas de monitorización del rendimiento, que son suministradas por una variedad de proveedores de tecnología.

En los sistemas solares en azoteas, suele llevar más tiempo identificar una avería y enviar un técnico, debido a la menor disponibilidad de suficientes herramientas de control del rendimiento del sistema fotovoltaico y a los mayores costes de mano de obra. Como resultado, los sistemas solares fotovoltaicos en azoteas suelen sufrir una menor calidad de funcionamiento y mantenimiento y, esencialmente, niveles inferiores de disponibilidad del sistema y de producción de energía.

La mayoría de las instalaciones solares fotovoltaicas fuera de la red carecen de herramientas de monitoreo del rendimiento debido a una serie de razones, incluidos los costos de los equipos de monitoreo, la disponibilidad de conexión a la nube y la disponibilidad de operación y mantenimiento.

Existen diversas soluciones técnicas para medir y monitorear el rendimiento de las instalaciones solares fotovoltaicas, que difieren según la calidad de los datos, la compatibilidad con sensores de irradiancia y el precio.

La adquisición de datos meteorológicos generalmente se basa en sensores meteorológicos físicos y en detección remota mediante satélites.

Una parte esencial de la evaluación del rendimiento de los sistemas fotovoltaicos es la disponibilidad y la calidad de los datos de generación de energía. El acceso a Internet ha permitido una mejora adicional en la monitorización y la comunicación de la energía.

Por lo general, los datos de las plantas fotovoltaicas se transmiten a través de un registrador de datos a un portal de monitoreo central. La transmisión de datos depende de la conectividad a la nube local, por lo que su disponibilidad es alta en los países de la OCDE, pero más limitada en los países desarrollados. Según Samuel Zhang, vicepresidente de Huawei Smart PV, más del 90% de las plantas fotovoltaicas mundiales estarán completamente digitalizadas en 2025. ^[6]

En general, las soluciones de monitoreo se pueden clasificar en soluciones de software de monitoreo y registrador proporcionadas por el fabricante del inversor, soluciones de registrador de datos independientes con software personalizado y, finalmente, soluciones de solo software de monitoreo agnóstico compatibles con diferentes inversores y registradores de datos.

Existen varios proveedores que ofrecen sistemas de monitoreo de rendimiento dedicados. En el caso de los sistemas fotovoltaicos solares que utilizan microinversores (conversión de CC a CA a nivel de panel), los datos de potencia del módulo se proporcionan automáticamente. Algunos sistemas permiten configurar alertas de rendimiento que activan advertencias por teléfono, correo electrónico o mensaje de texto cuando se alcanzan los límites. Estas soluciones proporcionan datos al propietario del sistema o al instalador. Los instaladores pueden monitorear de forma remota varias instalaciones y ver de un vistazo el estado de toda su base instalada. Todos los principales fabricantes de inversores proporcionan una unidad de adquisición de datos, ya sea un registrador de datos o un medio de comunicación directo con el portal.

Estas soluciones tienen la ventaja de proporcionar el máximo de información del inversor y de suministrarla en una pantalla local o transmitirla en Internet, en particular alertas del propio inversor (sobrecarga de temperatura, pérdida de conexión con una red, etc.).

Algunas de esas soluciones de monitorización son:

• Fronius accesible a través del portal Solar.web;
• Registradores Webbox/Inverter Manager/Cluster-Controller de SMA accesibles a través de los portales Sunnyportal y EnnexOS;
• SolarEdge accesible a través de los portales SolarEdge Monitoring y MySolarEdge (solo aplicación);
• Sungrow accesible a través del portal iSolarCloud;

Las soluciones genéricas de registro de datos conectadas a inversores permiten superar el principal inconveniente de las soluciones específicas de cada fabricante: la compatibilidad con varios fabricantes diferentes. Estas unidades de adquisición de datos se conectan a los enlaces en serie de los inversores, cumpliendo con el protocolo de cada fabricante. Las soluciones genéricas de registro de datos suelen ser más asequibles que las soluciones de los fabricantes de inversores y permiten la agregación de flotas de sistemas fotovoltaicos solares de distintos fabricantes de inversores.

Algunas de esas soluciones de monitorización son:

• Registradores de AlsoEnergy accesibles a través del portal PowerTrack;
• Registradores Solar-Log accesibles a través del portal WEB Enerest™ 4;
• Registradores de Meteocontrol accesibles a través del portal VCOM Cloud;
• "Registradores solares inteligentes" de Solar Analytics accesibles a través del portal Solar Analytics;

La última categoría es el segmento más reciente en el campo de la monitorización solar fotovoltaica. Se trata de portales de agregación basados ​​en software, capaces de agregar información tanto de portales específicos de inversores y registradores de datos como de registradores de datos independientes. Estas soluciones se están extendiendo a medida que la comunicación específica de inversores con la nube se realiza cada vez más sin registradores de datos, sino como conexiones de datos directas.

• Socio de seguros de rendimiento solar residencial de Omnidian Omnidian;
• Monitorización solar genérica Solytic Portal Solytic;
• Plataforma Sunreport de monitoreo solar en la nube independiente del dispositivo Sunreport;

Las mediciones de irradiancia in situ son una parte importante de los sistemas de monitorización del rendimiento fotovoltaico. La irradiancia se puede medir en la misma orientación que los paneles fotovoltaicos, las llamadas mediciones de plano de matriz (POA), o en forma horizontal, las llamadas mediciones de irradiancia horizontal global (GHI). Los sensores típicos utilizados para dichas mediciones de irradiancia incluyen piranómetros de termopila , dispositivos de referencia fotovoltaicos y sensores de fotodiodo . Para cumplir con una clase de precisión específica, cada tipo de sensor debe cumplir con un determinado conjunto de especificaciones. Estas especificaciones se enumeran en la siguiente tabla.

Si se coloca un sensor de irradiancia en POA, debe colocarse en el mismo ángulo de inclinación que el módulo fotovoltaico, ya sea fijándolo al propio módulo o con una plataforma o brazo adicional en el mismo nivel de inclinación. La verificación de que el sensor esté correctamente alineado se puede realizar con sensores de inclinación portátiles o con un sensor de inclinación integrado. ^[7]

La norma también especifica un programa de mantenimiento obligatorio por clase de precisión. Los sensores de clase C requieren mantenimiento según los requisitos del fabricante. Los sensores de clase B deben recalibrarse cada 2 años y requieren un calentador para evitar la precipitación o la condensación. Los sensores de clase A deben recalibrarse una vez al año, requieren limpieza una vez a la semana, requieren un calentador y requieren ventilación (para piranómetros de termopila).

El rendimiento de la energía fotovoltaica también se puede estimar mediante teledetección por satélite . Estas mediciones son indirectas porque los satélites miden la radiación solar reflejada por la superficie terrestre. Además, la radiación se filtra mediante la absorción espectral de la atmósfera terrestre . Este método se utiliza normalmente en sistemas de monitorización de clase B y clase C no instrumentados para evitar los costes y el mantenimiento de los sensores in situ. Si los datos derivados del satélite no se corrigen en función de las condiciones locales, es posible que se produzca un error en la radiación de hasta el 10 %. ^[2]

Los sensores y sistemas de monitorización están estandarizados en IEC 61724-1 ^[2] y clasificados en tres niveles de precisión, denotados por las letras “A”, “B” o “C”, o por las etiquetas “Alta precisión”, “Precisión media” y “Precisión básica”.

En California, el monitoreo del desempeño de la energía solar fotovoltaica ha sido regulado por el gobierno estatal. A partir de 2017, la agencia gubernamental California Solar Initiative (CSI) proporcionó un certificado de Servicio de Monitoreo y Reporte de Desempeño a las empresas elegibles activas en el segmento solar y que actúan de acuerdo con los requisitos de CSI. ^[8]

Se ha desarrollado un parámetro denominado "índice de rendimiento" ^[3] para evaluar el valor total de las pérdidas del sistema fotovoltaico. El índice de rendimiento proporciona una medida de la potencia de CA de salida suministrada como proporción de la potencia de CC total que los módulos solares deberían poder suministrar en las condiciones climáticas ambientales.

• Fotovoltaica
• Piranómetro
• Teledetección
• Atmósfera de la Tierra
• Absorción (radiación electromagnética)

• NREL - Análisis del método de evaluación del rendimiento energético de los sistemas fotovoltaicos
• El Sistema de Información Geográfica Fotovoltaica (PVGIS) proporciona información sobre la radiación solar y el rendimiento del sistema fotovoltaico para cualquier ubicación del mundo, excepto los Polos Norte y Sur.