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Evaluación del efecto de la polución ambiental en la generación de una planta fotovoltaica

Introducción

Para atender las funciones de investigación y docencia en el campo de energías renovables, desde el año 2018 operan dos plantas de generación fotovoltaica en las instalaciones del Laboratorio de Ensayos Eléctricos Industriales (LABE) y el Laboratorio de Innovación en Alta Tensión y Energías Renovables (LIAT-ER), de la Universidad Nacional de Colombia.

Las plantas fotovoltaicas diseñadas e instaladas inyectan energía a la red interna del Campus, emulan la operación de plantas convencionales y con una configuración de siete pequeñas plantas que atienden el desarrollo de pruebas y laboratorios de docencia, capacitación de estudiantes y profesionales.

Con la flexibilidad en el montaje e instalación permite (tabla 1), en un horizonte de corto, mediano y largo plazo, la evaluación del desempeño en la generación y la operación de sus componentes de acuerdo con las condiciones de radiación solar, descargas eléctricas atmosféricas; y las variables ambientales típicas de la zona urbana como la temperatura, precipitación y polución de partículas depositadas en los módulos fotovoltaicos.

Tabla 1: Descripción de los compones de la planta piloto de generación FV de 5,6 kWp

Con estos parámetros de diseño se puede identificar en diversos escenarios la operación de los módulos fotovoltaicos instalados, resaltando los niveles de generación, el efecto del ángulo de inclinación, la orientación geográfica, ciclos estacionales al año, los efectos de las partículas depositadas y acumuladas en la superficie de los módulos fotovoltaicos; este último parámetro con un valor de análisis particular al ser correlacionado con los periodos de limpieza de los módulos y las condiciones ambientales de la zona (árboles, fauna y condiciones climáticas).
En este trabajo se presentan los efectos en la generación de energía de cada una de las plantas debido a la deposición de partículas en la superficie de los módulos fotovoltaicos y su relación con la programación de los ciclos de limpieza en 3, 6 y 12 meses para uno de los módulos fotovoltaicos del subsistema de la planta (tabla 1).

Figura 1: Diagrama unifilar planta fotovoltaica 5,6 kWp

Metodología

En el marco del desarrollo de investigación a partir de la instalación fotovoltaica de 5,6 kWp se formuló desde su etapa de diseño y construcción el objetivo de realizar un estudio basado en las variaciones en la generación de energía dependiendo de variables como: la inclinación de los módulos, la orientación de los módulos y el efecto de la polución, así como los ciclos óptimos de limpieza. Por esta razón, la planta cuenta con una disposición de los módulos fotovoltaicos para realizar las comparaciones necesarias de suciedad y ciclos de limpieza.

En la figura 2 se muestra la disposición de los módulos en techo, ilustrando la distribución de los ciclos de limpieza en cada uno de los módulos, con un cronograma inicial donde se programaron limpiezas cada tres, seis y doce meses.

Figura 2: Plano de distribución de la limpieza y relación de inversores y canales.


Los equipos de inversión cuentan con un sistema de adquisición y recopilación de datos, descargando de manera remota y analizando la información detallada de la operación de la planta. Adicionalmente se cuenta con un sistema de adquisición de datos meteorológicos de las variables relevantes en la operación de la planta de generación como la temperatura, humedad e Irradiancia solar para la zona.

Resultados

Figura 3: Comparación curvas de potencia para módulos con y sin limpieza antes y después de la limpieza trimestral del 25 de junio de 2019

Este estudio inicia con el periodo de limpieza de tres meses, específicamente el correspondiente al 25 de junio de 2019. Inicialmente se puede percibir la variación de las curvas de potencia y energía generada como efecto de la limpieza. La figura 3 presenta el perfil de generación diario de dos módulos conectados al inversor 1, antes y después de la limpieza, siendo la curva de color verde el módulo con el proceso de limpiado y la curva roja la del módulo sin limpieza.

Al comparar la generación y el rendimiento de los módulos limpios con respecto los que no se limpiaron en este periodo de análisis presenta un incremento del 4,9% para módulos programados en un ciclo de limpieza cada tres meses y el 7,1% para módulos programados para la limpieza cada seis meses.

En la figura 4 se observa dicha variación promedio para los módulos conectados a los subsistemas 1, 7, 2, 6 periodo de limpieza trimestral (tabla 1).

Figura 4: Comparación de variaciones porcentuales de energía acumulada para módulos limpiados cada tres y seis meses

Figura 5: Comparación de rendimiento para la limpieza trimestral

La planta cuenta con un par de módulos del subsistema IV que durante la operación no han sido ni serán sometidos a ciclos de limpieza y dará la línea base de generación con máxima suciedad en la superficie activa.

En términos de variación de energía diaria para la limpieza trimestral efectuada el 25 de junio, el módulo 14 (limpio) generaba 70 Wh más que el módulo 13 (sucio) el día 24 de junio. Para el día siguiente de la limpieza (26 de junio) el módulo 14 (limpio) generó 130 Wh más que el módulo 13 (sucio).

Otro método para evaluar el efecto de la limpieza en el rendimiento de la planta (curva verde) de la figura 5. Este parámetro calculado como la razón entre la energía total producida por la planta con respecto a la energía solar calculada con las mediciones de irradiancia en este periodo. En este caso se puede observar un aumento del rendimiento promedio pasando de un 18,5% a un 18,9% después de la limpieza del 25 de Junio de 2019, tanto para el periodo trimestral y semestral.

Figura 6: Comparación de variación de energía y porcentual para inversor 7, periodo de estudio anual

Para el estudio el principal parámetro de comparación es la energía generada acumulada en un periodo de tiempo antes de un completar el ciclo de limpieza trimestral, semestral y anual. Por ejemplo, en la figura 6 se comparan las diferencias de producción de energía (kWh) del subsistema VII el módulo 14 limpio y 13 sucio, tres meses antes y tres meses después de la limpieza trimestral, marcado en franja punteada el 25 de junio de 2019.

La generación de energía tres meses antes para el módulo 14 (limpio) fue de 98 kWh y el módulo 13 (sucio) de 94 kWh. Por otra parte, la generación tres meses después de la limpieza en el módulo 14 (limpio) fue de 127 kWh y el módulo (13) sucio de 118 kWh presentando una ganancia de energía.

En la tabla 3 se resumen los resultados comparativos de la energía generada en kWh, tres meses antes y tres meses después de cada limpieza, tomando los ciclos de 3, 6, y 12 meses de limpieza de estudio. Así mismo, la tabla permite comparar la energía cada par de módulo por inversor y por orientación. Los módulos 1, 3 y 5 correspondientes a los inversores I, II y III con orientación hacia el oriente, mientras que los módulos 14, 12 y 10 correspondientes a los inversores V, VI y VII con orientación occidental. Como se mencionó anteriormente, los módulos 7 y 8 conectados al subsistema 4 servirán para análisis multianual de generación y efecto de la polución al ser seleccionados para no tener limpieza y como referencia en la comparación de la operación con los demás módulos intervenidos.

Figura 7: Valores acumulados para cada uno de los módulos antes y después de las correspondientes limpiezas

Finalmente, los resultados más concluyentes se obtuvieron de las comparaciones de los módulos programados con limpieza respecto a los módulos de referencia que no fueron limpiados en ninguno de los periodos programados, subsistema 4.

En la figura 7 se puede observar las variaciones porcentuales por módulos para antes y después de las correspondientes limpiezas, además de la producción adicional que se logra como efecto de la limpieza en cada uno de los periodos de tiempo, logrando una producción adicional de hasta un 10,6% promedio diario en el programa de limpieza anual, lo cual se traduce en hasta 132 Wh de producción adicional de un módulo limpio con respecto a uno sucio.

Conclusiones

Con el diseño de la planta FV ubicada en la subestación del campus de la Universidad Nacional, con una potencia de 5,6 kWp, inclinación 10° en sus módulos y dos orientaciones, se ha logrado evaluar el efecto de la polución y los ciclos de limpieza de los módulos FV encontrando los beneficios en la recuperación de la generación de energía y el rendimiento de la planta FV.

Para periodos de 3 meses se encuentra una recuperación en la generación de energía del orden del 3 %, mientras que para un periodo de limpieza de seis meses es del 7 % resaltando el efecto acumulativo y de deterioro en la generación por la suciedad en la superficie activa de los módulos FV

Estos resultados se están consolidando para la operación de la planta FV en periodos anuales con el fin de caracterizar los efectos de la precipitación, lluvia y otras variables estacionales.

En futuros artículos se estarán publicando los resultados de generación de la planta FV en periodos anuales de fenómenos como el sombreado, inclinación de módulos y orientación geográfica.

Fernando Augusto Herrera León:
Profesor Asociado Departamento de Ingeniería eléctrica y electrónica de la Universidad Nacional de Colombia. Coordinador del Laboratorio de Innovación en Alta tensión y Energías renovables LIATER. Coordinador académico de los Diplomados en Iluminación e instalaciones fotovoltaicas. Su área de interés es el desarrollo de equipos para investigación, innovación y educación. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.
David Nova Rodríguez:
Ingeniero Electricista. Estudiante de posgrado en Ingeniería Eléctrica, Universidad Nacional de Colombia. Coordinador del área de proyectos del LIAT-ER, Profesor del diplomado de “Instalaciones Fotovoltaicas”. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.
David Santos Borja:
Estudiante de último año de Ingeniería Electrónica, Universidad Nacional de Colombia, actualmente miembro encargado del análisis y monitoreo de las plantas de generación fotovoltaica. Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.
LIAT-ER:
El Laboratorio de Innovación en Alta Tensión y Energías Renovables es un esfuerzo conjunto de la Universidad Nacional de Colombia y CODENSA ENEL, para generar espacios de innovación, investigación y formación de profesionales. Mayor información Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.
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Modificado por última vez en Viernes, 21 Agosto 2020 14:43

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