Tesis:
Control de seguimiento solar de alta precision con autocalibración.
- Autor: LUQUE HEREDIA, Ignacio
- Título: Control de seguimiento solar de alta precision con autocalibración.
- Fecha: 2010
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: ELECTRONICA FISICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/7220/
- Director/a 1º: SALA PANO, Gabriel
- Resumen: En este trabajo se describe el desarrollo de un equipo de control de seguimiento solar de alta precisión para sistemas de alta concentración fotovoltaica. Con objeto de lograr las precisiones de apuntamiento por debajo del grado requeridas por estos concentradores fotovoltaicos, se presenta una nueva aproximación al control de seguimiento que primeramente basado en el computo de efemérides solares analíticas, incorpora a continuación un modelo de calibración, que caracteriza geométricamente el concentrador por medio de un conjunto de parámetros, con objeto de realizar una conversión precisa de las coordenadas solares suministradas por las efemérides en ángulos de giro de los ejes del seguidor. El ajuste de los parámetros del modelo de calibración se realiza por medio de un proceso automatizado que tiene lugar durante la instalación en campo del sistema de concentración, en el que se realizan un conjunto de medidas precisas de la posición del sol en relación a los ejes del seguidor, tomadas a lo largo de un día desde el orto al ocaso. En este trabajo se describe el ciclo completo de desarrollo de este producto yendo desde las bases teóricas de su operación, su validación y pruebas, su realización física como un equipo electrónico, y finalmente los pasos dados de cara a la producción industrial de esta tecnología. Este trabajo se compone de cinco capítulos, que se suceden a continuación de una introducción en la que se explica el presente contexto de la Concentración Fotovoltaica (CFV o en inglés CPV de Concentration PhotoVoltaics), para después pasar a describir las características de los seguidores solares para concentración fotovoltaica, y finalmente ofrecer una revisión de la historia y el estado del arte de los sistemas de control de seguimiento solar en aplicaciones que requieren altas precisiones. El control de seguimiento desarrollado está basado en un proceso de autocalibración, generalmente común en el ámbito del equipamiento de instrumentación o por ejemplo aplicado también en el problema relativamente similar del seguimiento de objetos orbitales, que se da en los grandes telescopios astronómicos. De hecho la novedad de este trabajo reside en adaptar estas técnicas de seguimiento utilizadas en astronomía a un tipo de "telescopios" que solo "ven" la potencia eléctrica producida por un generador fotovoltaico. Estos telescopios o seguidores solares consistirán habitualmente en una estructura orientable en torno a dos ejes, de tal modo que según la aproximación que se presenta en este trabajo, el seguimiento solar estará primeramente basado en obtener las coordenadas del sol con respecto al lugar de instalación del seguidor, a través del cómputo de efemérides solares codificadas en un microprocesador. Posteriormente convertir estas coordenadas topocéntricas en los ángulos de giro a ejercer en los ejes de seguimiento para apuntar al sol, requerirá de otro conjunto de ecuaciones, i.e. según se denomina en este trabajo el llamado modelo de calibración, que basado en transformaciones de tipo rotación y geometría esférica (o alternativamente deducibles usando cuaternios) que parametriza la orientación de los ejes de seguimiento y sus orígenes de rotación, así como la orientación con respecto a estos ejes, del vector de apuntamiento del sistema de módulos de concentración soportados, esto es aquel vector ligado a la superficie orientable del seguidor que cuando queda orientado de manera perfectamente paralela al vector local del sol produce la máxima potencia de salida. El Capitulo 1 está dedicado al desarrollo de esta Transformada de Calibración (por abreviar Transformada C), sus aplicaciones y posibles variaciones orientadas a cubrir las más comunes configuraciones de ejes de seguimiento, y finalmente se detiene a considerar los efectos de la flexión en la estructura de seguimiento y proponer como pueden ser caracterizados e integrados en una transformada de calibración extendida. El Capitulo 2 se centra en los algoritmos utilizados para el ajuste del modelo de calibración una vez que el seguidor a tomado una serie de medidas precisas de la posición del sol. Se desarrolla el ajuste por mínimos cuadrados (MC o en inglés LS de Least Squares) de la Transformada-C del Capítulo 1 por medio del algoritmo de Levenberg-Marquardt. Primeramente se probará el correcto funcionamiento de la codificación de este método Levenberg-Marquardt (LM) utilizando el conjunto de funciones de Moré, el estándar habitualmente utilizado con los algoritmos numéricos de optimización como es LM. A continuación la precisión numérica del método LM en el ajuste de la Transformada-C, con su código compilado para correr en microprocesador de 8 bits de bajo coste, se obtiene comparándolo con la obtenida por el mismo código corriendo en un ordenador personal convencional de 32 bits. Junto con estos temas esenciales, se consideran otros en este capítulo, como por ejemplo el análisis de la correcta definición de la figura de merito de los MC cuando se opera sobre la Transformada C, también la correcta definición de la Transformada-C de tal modo que se eviten discontinuidades que puedan ralentizar su ajuste, o la exploración de la precisión de una implementación alternativa del método LM donde las derivadas del Hessiano y el gradiente sean calculadas mediante diferencias finitas en lugar de a través de sus expresiones analíticas. El Capítulo 3 comienza por probar la coherencia física del modelo de calibración, mediante la utilización de un seguidor de laboratorio en el que se instalan diversas muestras de módulos CPV, y donde algunos de los parámetros del modelo de calibración pueden ser previamente fijados, regulando la posición tanto del seguidor como de los módulos de prueba, de tal modo que tras obtener un conjunto de medidas de posición del sol y ajustar la Transformada C, los valores resultantes para los parámetros deberían coincidir con aquellos que fueron manualmente prefijados. Una vez que el modelo de calibración queda validado, el siguiente objetivo es medir la precisión de seguimiento alcanzable por el sistema control de seguimiento calibrado desarrollado. Esto requirió en primer lugar el desarrollo de un Sensor de Precisión de Seguimiento (SPS, en inglés TAS de Tracking Accuracy Sensor) capaz de proporcionar medidas en tiempo real del error de apuntamiento. Este sensor esencialmente consiste en un tubo colimador montado sobre un sensor electrónico de imagen, y que cuenta con la electrónica necesaria de acondicionamiento de señal, todo desarrollado junto con las ecuaciones de conversión necesarias para obtener el error angular de apuntamiento a partir de variables eléctricas internas, y también con un procedimiento de calibración para obtener con precisión los parámetros internos de construcción del sensor que intervienen en las ecuaciones de conversión. Este sensor terminó alcanzando una resolución en la determinación del error de apuntamiento de una diezmilésima de grado dentro de su apertura angular de un grado. Finalmente un sistema de monitorización se ha construido en torno al TAS instalado en el referido seguidor de laboratorio, y mediante la calibración de su control de seguimiento contra este TAS, se puede obtener una estimación para la estadística del error de apuntamiento para una serie de variaciones de la estrategia de calibración aquí descritas. En estos experimentos se ha demostrado que precisiones promedio diarias de 0.05°, donde la precisión es mejor que 0.1°, el 97% del tiempo, son posibles. Todas las pruebas realizadas en el Capítulo 3 orientadas a comprobar la correcta operación del control de seguimiento calibrado, requirieron la recolección previa de un conjunto de entre cincuenta y cien medidas de la posición del sol, a lo largo de un día de orto a ocaso, con que luego realizar el ajuste del modelo de calibración. Esto fue realizado de manera manual, apuntando el seguidor de laboratorio al sol, hasta que de acuerdo con un cierto criterio se conseguía su apuntamiento óptimo, momento en el cuales e registraban las posiciones de los ejes de seguimiento junto con la hora exacta en la que se realizaba la medida. Se trataba en cualquier caso de una tarea aburrida y susceptible de errores, que era necesario automatizar completamente, de tal modo que se realizará con los menores requerimientos de intervención manual y mantenimiento. En el Capítulo 4 se describe el hardware y los algoritmos necesarios para implementar la colección automática de medidas de posición del sol. Pero antes de entrar con la descripción completa del proceso de adquisición de estas medidas, se presenta una revisión de las efemérides solares existentes y sus respectivas precisiones, incluidas las finalmente elegidas para su integración en el equipo de control de seguimiento objeto de este trabajo. En cuanto a las medidas de posición del sol, estas comienzan con una búsqueda preliminar del sol en el interior del rango se seguimiento del concentrador, hasta que este entra dentro de su apertura angular, problema este que será abordado recurriendo a las herramientas de la Teoría de Búsqueda, una rama de la Investigación Operativa desarrollada durante la Segunda Guerra Mundial en el marco de la guerra antisubmarina. En concreto, cuando dicha búsqueda se instrumenta mediante un sensor grueso de la posición del sol tal como un pequeño panel plano FV, el camino óptimo de búsqueda puede obtenerse tomando las suposiciones del llamado "Problema del Punto Llameante" (en inglés "Flaming Datum Problem") que surge inicialmente en la búsqueda de un submarino enemigo que escapa tras haber revelado su posición al atacar a un barco amigo. Una vez el sol es detectado al entrar en la apertura angular del concentrador, un apuntamiento preciso pasaría por maximizar su potencia de salida, pero según veremos problemas de índole practico aparecen cuando se elige la potencia de salida como la variable a maximizar, y esto es debido a las dificultades de las etapas de seguimiento del punto de máxima potencia (en inglés MPPT: Maximum Power Point Tracking) existentes a la entrada de los inversores convencionales tienen para seguir los movimientos exploratorios del seguidor. Por ello se propone la maximización de otras variables eléctricas bajo diferentes condiciones de polarización que en el punto de máxima potencia. La corriente de cortocircuito es la variable finalmente elegida para maximización, y se pasa a describir el hardware adicional requerido para automáticamente cortocircuitar el concentrador y medir su corriente en esta condición. La búsqueda del máximo de la corriente de cortocircuito se convierte en un problema de maximización de una función de dos dimensiones, que de cara a su implementación en un seguidor solar se podrá obtener de forma más sencilla evitando el habitual computo de derivadas, y en su lugar determinando el numero mínimo de maximizaciones a lo largo de rectas, que pudiendo ser convertidos en barridos del seguidor, conduzcan finalmente al máximo absoluto de la función. En esta ocasión el marco matemático es el del método de direcciones conjugadas de Powell-Brent. Tras esta descripción del procedimiento para tomar una medida de la posición del sol, se pasa a investigar el número adecuado de medidas a tomar y su distribución en el tiempo. El capitulo se cierra con una evaluación de la posibilidad de introducir un filtro estadístico para la detección de puntos anómalos durante el proceso de toma de medidas de la posición del sol, entendidos como aquellas medidas defectuosas afectadas por cualesquiera errores, o de forma alternativa considera la posibilidad de introducir estimadores de máxima similitud (en inglés MLEs de Maximum Likelihood Estimators) distintos de los mínimos cuadrados, para el ajuste de modelos no lineales como la Transformada C. En este respecto el estimador de Cauchy Lorentz se presenta como la opción más efectiva. El Capítulo 5, el de cierre, describe como todos las rutinas y procedimientos descritos para implementar el control de seguimiento autocalibrado, explicados hasta este punto, han sido físicamente implementados en un equipo electrónico, denominado comercialmente como SunDog STCU (donde STCU es en inglés Sun Tracking Control Unit, i.e. Unidad de Control de Seguimiento). Primeramente se presenta una descripción física de este equipo desde sus placas electrónicas a sus periféricos, seguido por una explicación de sus modos de sus posibilidades de sus características y modos de operación, para terminar con una revisión de sus pruebas de fiabilidad y homologaciones. El capítulo continua con una descripción de su proceso de pruebas de operación a través de los proyectos de l+D en concentración fotovoltaica considerados mas significativos. Aquí se presentan por un lado varios desarrollos de seguidor llevados a cabo por Inspira para diversas compañías desarrolladoras de tecnologías de concentración fotovoltaica como Isofoton, Concentrix, Solfocus, Boeing o Renovalia, y centrándonos en la aplicación y resultados obtenidos en estos por el control de seguimiento calibrado. Por otra parte este capítulo presenta una selección de proyectos europeos en el campo de la concentración fotovoltaica, en los que Inspira participó, estando encargada del desarrollo del seguidor, y que han sido de utilidad para desarrollar algunas características particulares de la operación del SunDog. El capítulo finaliza con una descripción de los pasos dados hacia la producción en serie del control de seguimiento autocalibrado, y su primera instalación de cierto volumen en las plantas fotovoltaicas del ISFOC y en la localidad de Abertura. Cerrando este trabajo, la sección de conclusiones pone juntos los resultados más relevantes, y dibuja algunas áreas en las que posteriores trabajos podrían resultar en mejoras para el control de seguimiento desarrollado.