Tesis:
Sistema de control para optimizar la eficiencia de un equipo fotovoltaico de bombeo directo accionado por un motor de inducción.
- Autor: CARRERO LOPEZ, Carmelo
- Título: Sistema de control para optimizar la eficiencia de un equipo fotovoltaico de bombeo directo accionado por un motor de inducción.
- Fecha: 2014
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: INGENIERIA ELECTRICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/29174/
- Director/a 1º: RODRIGUEZ ARRIBAS, Jaime
- Director/a 2º: RAMIREZ PRIETO, Dionisio
- Resumen: El empleo de equipos de bombeo fotovoltaico para el suministro de agua a pequeña escala constituye una de las aplicaciones más interesantes de la energía solar. Cuando su finalidad es el abastecimiento de agua pequeñas poblaciones rurales los beneficios sociales que proporcionan superan con creces cualquier balance económico que se pretenda realizar. Estos equipos se caracterizan por una alta fiabilidad, un mantenimiento mínimo y una elevada vida útil, por lo que sus costes a largo plazo son muy inferiores a los de otras alternativas. Inicialmente estaban constituidos por módulos de silicio monocristalino que alimentaban a tensiones muy bajas pequeños motores de corriente continua acoplados a bombas centrífugas y de diafragma. Los sistemas de control que incorporaban o eran muy simples o inexistentes, por lo que los equipos estaban deficientemente optimizados. El mantenimiento que requerían esos motores, la demanda de potencia creciente de las instalaciones y el desarrollo de convertidores electrónicos de altas prestaciones a precios asequibles los ha ido sustituyendo por otros más fiables y de mayor potencia. Actualmente los motores que se utilizan son del tipo sin escobillas (brushless) y de inducción trifásicos. En cuanto a las bombas, se mantiene el uso de las centrífugas y se ha reducido el de las de diafragma, sustituidas por las de tipo helicoidal. Si bien las bombas centrífugas son menos eficientes que las helicoidales, tienen la ventaja de ser mucho más robustas y fiables, ya que pueden extraer agua con cierto grado de partículas disueltas, lo que casi no es posible con las helicoidales. Debido a ello su uso está más extendido, por lo que son más económicas y más fáciles de reparar. Con los motores de inducción sucede lo mismo. Aunque tienen mayores pérdidas que los brushless, son los más robustos que existen, siendo esta la razón por la que se utilizan tanto en todo tipo de aplicaciones. Además, en caso de avería es posible su reparación o sustitución por otro similar (nuevo o usado) en casi cualquier lugar del mundo. Para el desarrollo de esta Tesis Doctoral se ha utilizado un sistema formado por un generador de silicio monocristalino y una bomba centrífuga accionada por un motor de inducción trifásico controlado vectorialmente por un DSP a través de un inversor. Ese conjunto de elementos le confieren al sistema una alta fiabilidad. El sistema trabajará de forma óptima cuando su eficiencia se máxima. Para ello será necesario que en su operación el conjunto motor-bomba tenga mínimas pérdidas y que el generador fotovoltaico entregue en todo momento la máxima potencia. Las pérdidas del conjunto motor-bomba pueden minimizarse realizando un adecuado control vectorial, alimentando el motor mediante un inversor. Asimismo, para optimizar la operación del generador se requiere un procedimiento de control que permita fijar su punto de trabajo en el entorno del punto de máxima potencia. En la mayoría de los casos esas dos acciones de control se realizan de forma independiente y por dos convertidores de potencia diferenciados. Sin embargo, en el sistema de control que se desarrolla en esta Tesis doctoral esas dos acciones se agrupan en una sola que es realizada por el propio inversor, sin ninguna etapa convertidora adicional. A continuación se hace una breve descripción del contenido de cada uno de los capítulos en los que se ha dividido esta Tesis Doctoral. En el Capítulo 1 se hace una introducción a los sistemas de bombeo fotovoltaico, revisándose las diferentes configuraciones que pueden adoptar, prestando especial atención a los sistemas que utilizan motores de inducción controlados vectorialmente. El Capítulo 2 está dedicado al estudio del generador fotovoltaico. En él se describen los fundamentos de la conversión fotovoltaica y las ecuaciones que definen la respuesta de las células fotovoltaicas. A partir de esas ecuaciones se desarrolla un modelo que permite reproducir el comportamiento de un generador fotovoltaico con un error muy reducido. En el Capítulo 3 se estudia cómo afectan las variaciones de las resistencias de pérdidas de los generadores fotovoltaicos a la potencia que entregan. Los cambios que sufren las magnitudes eléctricas de estos generadores, debido a procesos de envejecimiento, pueden suponerse causados por variaciones de sus resistencias de pérdidas. A partir de ésta idea se propone un procedimiento que permite evaluar el alcance de esos cambios a partir del estudio de las variaciones de las resistencias de pérdidas. El Capítulo 4 se divide en dos partes. En la primera se desarrolla un procedimiento para estimar los parámetros que necesita el modelo del generador fotovoltaico desarrollado en el Capítulo 2. En la segunda se propone una normalización de datos y parámetros, expresándolos en valores por unidad, que permite disponer de criterios más objetivos a la hora de seleccionar módulos. El Capítulo 5 consta también de dos partes. En la primera se describen las ecuaciones vectoriales del motor de inducción que utilizan la mayoría de los esquemas de control y en la segunda se desarrolla un procedimiento que permite incorporar las pérdidas en el hierro al modelo vectorial. Con ello se consigue que dicho modelo pueda utilizarse para estudiar las condiciones bajo las que el motor alcanza la máxima eficiencia. En el Capítulo 6 se describe el procedimiento desarrollado para controlar el inversor y el estimador de velocidad que se ha desarrollado para evitar medir esa variable del motor. El capítulo finaliza con un estudio donde se establecen las condiciones bajo las que el conjunto motor-bomba trabaja con máxima eficiencia. El Capítulo 7 se dedica al estudio y desarrollo del algoritmo de control que permite que el generador entregue la máxima potencia y a la vez el conjunto motor-bomba trabaje con mínimas pérdidas. Asimismo, en él se presenta una selección de los resultados experimentales que sintetizan todo el trabajo desarrollado en esta Tesis Doctoral. Por último, en el Capítulo 8 se presentan las principales conclusiones que se derivan de los trabajos realizados, se establecen algunas orientaciones sobre futuras líneas de trabajo y se recogen las aportaciones y desarrollos alcanzados al amparo de esta Tesis.