Soiling and other optical losses in solar-tracking PV plants in Navarra

Field data of soiling energy losses on PV plants are scarce. Furthermore, since dirt type and accumulation vary with the location characteristics (climate, surroundings, etc.), the available data on optical losses are, necessarily, site dependent. This paper presents field measurements of dirt energy losses (dust) and irradiance incidence angle losses along 2005 on a solar-tracking PV plant located south of Navarre (Spain). The paper proposes a method to calculate these losses based on the difference between irradiance measured by calibrated cells on several trackers of the PV plant and irradiance calculated from measurements by two pyranometers (one of them incorporating a shadow ring) regularly cleaned. The equivalent optical energy losses of an installation incorporating fixed horizontal modules at the same location have been calculated as well. The effect of dirt on both types of installations will accordingly be compared.

Conexión con la meseta desde el Ebro medio de las vías romanas como base de la malla territorial de España

No tenemos conocimiento de ninguna red de caminos prerromanos que sirvieran como base de una posible malla territorial de España. Sin embargo, una sociedad prerromana sin caminos, por muy fragmentada y aislada que fuera, es algo improbable y mucho menos en la Edad del Hierro. Por eso en época prerromana existían infinidad de caminos, muchos de los cuales hoy han desaparecido y otros han sobrevivido, casi siempre con sus recorridos mejorados. Los pueblos prerromanos aprovecharon vías naturales de comunicación (ríos, vados, valles, puertos naturales, llanuras, etc.) para tender sus caminos. En sus orígenes no siguieron pautas concretas, si no que los caminos se originaban por el tránsito (de personas, ganados, mercancías, etc.) de un lugar a otro. De este modo la red viaria prerromana era caótica y anárquica: todo camino tenía numerosos ramales y variantes, según las necesidades. Pendientes excesivas, anchuras variables, etc., en decir eran vías espontáneas, surgidas sin ninguna planificación aparente. Los recorridos en general eran cortos, aunque algunas investigaciones actuales están demostrando que algunas de las cañadas ganaderas más importantes, como la Galiana, y de largo recorrido, eran de origen prerromano. En el caso de la península Ibérica, y más concretamente en el caso de la Meseta, el territorio estaba fragmentado en diversos pueblos y tribus, agrupados según criterios étnicos y culturales y con contactos con los pueblos próximos que motivan la preponderancia de caminos de recorrido cortos. Solo la necesidad de llevar los rebaños (de cabras y ovejas sobre todo) desde las serranías en verano a las llanuras en invierno, motivaría viajes más largos en los que algunas cañadas ganaderas jugarían un papel más importante. Con la llegada de los romanaos, se implantó en Hispania una densa red viaria, cuya construcción se prolongó durante toda la dominación romana, siendo reparadas muchas calzadas y vías en varias ocasiones. En época romana la red caminera era variada y estaba constituida por “las calzadas” que comunicaban puntos importantes, eran muy transitadas, de ahí que la administración romana las mantuviera siempre en buen estado, para asegurar el intercambio comercial entre zonas distintas, cobro de impuestos, etc. “Los caminos de tierra (viae terrenae)” que además de las calzadas, que podemos asemejar a las actuales carreteras de primer y segundo orden, constituían la infinidad de caminos locales y comarcales. Los trazados se realizaron unos en época romana, y otros muchos apoyándose en los caminos de la época prerromana, éstas vías no se realizaban buscando el recorrido más corto entre dos puntos, ni tampoco el más cómodo y con un firme estructural de menor importancia que en las calzadas. Tampoco estaban hechos para un tipo concreto de transporte, por lo que nos encontraríamos algunos que por su anchura permitían el paso de carros, y otros que sólo permitirían el paso a pie, a caballo o en burro. Solían ser, como hemos indicado, caminos de tierra con acabados en zahorras y recorridos en su mayor parte cortos y medianos. Dentro de la malla territorial de España las calzadas constituirían las denominadas “viae publicae” que constituían la red principal y esqueleto vertebrador de Hispania. Los caminos de tierra constituirían los denominados “actus” caminos de carácter regional que configuraban la mayor parte de la red. Muchas de las “viae publicae” y de los “actus” tendrían su origen en las “viae militares” que habrían sido los primeros construidos, apoyándose en muchas ocasiones en los caminos prerromanos, por los romanos para realizar la conquista de Hispania y que luego con la Paz romana habrían tenido otro tipo de uso. Dentro de estas “viae militares” tuvieron una importancia relevancia aquellas que se utilizaron en la conquista de la Celtiberia, culminada con la caída de Numantia. Dentro de ellas tuvo una importancia fundamental la vía romana del río Alhama, objeto de esta Tesis, que facilitaría el desplazamiento de los ejércitos romanos desde Graccurris, primera ciudad romana fundada en el Ebro medio, hasta Numantia. Desde la época Augusta, la vía romana del río Alhama, pasaría a formar parte de los denominados “actus” formando parte de la malla territorial de la Península Ibérica como vía de comunicación entre la Meseta y el Ebro Medio. We do not have knowledge of any network of ways prerromanos that were serving as base of a possible territorial mesh of Spain. Nevertheless, a company prerromana without ways, for very fragmented and isolated that was, is something improbable and great less in the Age of the Iron. Because of it in epoch prerromana existed infinity of ways, many of which today have disappeared and others have survived, almost always with his improved tours. The people prerromanos took advantage of natural routes of communication (rivers, fords, valleys, natural ports, plains, etc.) to stretch his ways. In his origins concrete guidelines did not continue, if not that the ways were originating for the traffic (of persons, cattle, goods, etc.) to and from. Thus the network viaria prerromana was chaotic and anarchic: all way had numerous branches and variants, according to the needs. Excessive slopes, variable widths, etc., in saying were spontaneous routes arisen without no apparent planning. The tours in general were short, though some current investigations are demonstrating that some of the most important cattle glens, as the Galiana, and of crossed length, were of origin prerromano. In case of the Iberian Peninsula, and more concretely in case of the Plateau, the territory was fragmented in diverse peoples and tribes, grouped according to ethnic and cultural criteria and with contacts with the near peoples that motivate the prevalence of short ways of tour. Only the need to take the flocks (of goats and sheeps especially) from the mountainous countries in summer to the plains in winter, would motivate longer trips in which some cattle glens would play a more important paper. With the arrival of the romanos, a dense network was implanted in Roman Spain viaria, whose construction extended during the whole Roman domination, being repaired many causeways and routes in several occasions. In Roman epoch the pertaining to roads network was changed and constituted by " the causeways " that were communicating important points, they were very travelled, of there that the Roman administration was supporting always in good condition, to assure the commercial exchange between different zones, collection of taxes, etc. "The dirt tracks (viae terrenae)" that besides the causeways, which we can make alike to the current roads of the first and second order, were constituting the infinity of local and regional ways. The tracings were realized some in Roman epoch, and great others resting on the ways of the epoch prerromana, these routes were not realized looking for the most short tour neither between points, two nor neither most comfortable and with a structural road surface of minor importance that in the causeways. They were not also done for a concrete type of transport, for what some of us would think that for his width they were allowing the step of cars, and others that only would allow the step afoot, astride or in donkey. They were in the habit of being, since we have indicated, dirt tracks with ended in zahorras and tours in his most short and medium. Inside the territorial mesh of Spain the causeways would constitute the called ones "viae publicae" that constituted the principal network and skeleton vertebrador of Roman Spain. The dirt tracks would constitute the "actus” called ways of regional character that were forming most of the network. Many of "viae publicae" and of the "actus" they would have his origin in " viae military" that would have been the first ones constructed, resting on many occasions on the ways prerromanos, for the Romans to realize the conquest of Roman Spain and that then with the Roman Peace they would have had another type of use. Inside these "viae military" had an importance relevancy those that were in use in the conquest of the Celtiberia, reached with Numantia's fall. Inside them a fundamental importance had the Roman route of the river Alhama, object of this Thesis, which would facilitate the displacement of the Roman armies from Graccurris, the first Roman city been founded on the average Ebro, up to Numantia. From the August epoch, the Roman route of the river Alhama, would happen to form a part of the "actus” forming a part of the territorial mesh of the Iberian Peninsula as road link between the Plateau and the Average Ebro.

Distributed control strategies for photovoltaic systems in urban environments

Este trabajo es una contribución a los sistemas fotovoltaicos (FV) con seguimiento distribuido del punto de máxima potencia (DMPPT), una topología que se caracteriza porque lleva a cabo el MPPT a nivel de módulo, al contrario de las topologías más tradicionales que llevan a cabo el MPPT para un número más elevado de módulos, pudiendo ser hasta cientos de módulos. Las dos tecnologías DMPPT que existen en el mercado son conocidos como microinversores y optimizadores de potencia, y ofrecen ciertas ventajas sobre sistemas de MPPT central como: mayor producción en situaciones de mismatch, monitorización individual de cada módulo, flexibilidad de diseño, mayor seguridad del sistema, etc. Aunque los sistemas DMPPT no están limitados a los entornos urbanos, se ha enfatizado en el título ya que es su mercado natural, siendo difícil una justificación de su sobrecoste en grandes huertas solares en suelo. Desde el año 2010 el mercado de estos sistemas ha incrementado notablemente y sigue creciendo de una forma continuada. Sin embargo, todavía falta un conocimiento profundo de cómo funcionan estos sistemas, especialmente en el caso de los optimizadores de potencia, de las ganancias energéticas esperables en condiciones de mismatch y de las posibilidades avanzadas de diagnóstico de fallos. El principal objetivo de esta tesis es presentar un estudio completo de cómo funcionan los sistemas DMPPT, sus límites y sus ventajas, así como experimentos varios que verifican la teoría y el desarrollo de herramientas para valorar las ventajas de utilizar DMPPT en cada instalación. Las ecuaciones que modelan el funcionamiento de los sistemas FVs con optimizadores de potencia se han desarrollado y utilizado para resaltar los límites de los mismos a la hora de resolver ciertas situaciones de mismatch. Se presenta un estudio profundo sobre el efecto de las sombras en los sistemas FVs: en la curva I-V y en los algoritmos MPPT. Se han llevado a cabo experimentos sobre el funcionamiento de los algoritmos MPPT en situaciones de sombreado, señalando su ineficiencia en estas situaciones. Un análisis de la ventaja del uso de DMPPT frente a los puntos calientes es presentado y verificado. También se presenta un análisis sobre las posibles ganancias en potencia y energía con el uso de DMPPT en condiciones de sombreado y este también es verificado experimentalmente, así como un breve estudio de su viabilidad económica. Para ayudar a llevar a cabo todos los análisis y experimentos descritos previamente se han desarrollado una serie de herramientas software. Una siendo un programa en LabView para controlar un simulador solar y almacenar las medidas. También se ha desarrollado un programa que simula curvas I-V de módulos y generador FVs afectados por sombras y este se ha verificado experimentalmente. Este mismo programa se ha utilizado para desarrollar un programa todavía más completo que estima las pérdidas anuales y las ganancias obtenidas con DMPPT en instalaciones FVs afectadas por sombras. Finalmente, se han desarrollado y verificado unos algoritmos para diagnosticar fallos en sistemas FVs con DMPPT. Esta herramienta puede diagnosticar los siguientes fallos: sombras debido a objetos fijos (con estimación de la distancia al objeto), suciedad localizada, suciedad general, posible punto caliente, degradación de módulos y pérdidas en el cableado de DC. Además, alerta al usuario de las pérdidas producidas por cada fallo y no requiere del uso de sensores de irradiancia y temperatura. ABSTRACT This work is a contribution to photovoltaic (PV) systems with distributed maximum power point tracking (DMPPT), a system topology characterized by performing the MPPT at module level, instead of the more traditional topologies which perform MPPT for a larger number of modules. The two DMPPT technologies available at the moment are known as microinverters and power optimizers, also known as module level power electronics (MLPE), and they provide certain advantages over central MPPT systems like: higher energy production in mismatch situations, monitoring of each individual module, system design flexibility, higher system safety, etc. Although DMPPT is not limited to urban environments, it has been emphasized in the title as it is their natural market, since in large ground-mounted PV plants the extra cost is difficult to justify. Since 2010 MLPE have increased their market share steadily and continuing to grow steadily. However, there still lacks a profound understanding of how they work, especially in the case of power optimizers, the achievable energy gains with their use and the possibilities in failure diagnosis. The main objective of this thesis is to provide a complete understanding of DMPPT technologies: how they function, their limitations and their advantages. A series of equations used to model PV arrays with power optimizers have been derived and used to point out limitations in solving certain mismatch situation. Because one of the most emphasized benefits of DMPPT is their ability to mitigate shading losses, an extensive study on the effects of shadows on PV systems is presented; both on the I-V curve and on MPPT algorithms. Experimental tests have been performed on the MPPT algorithms of central inverters and MLPE, highlighting their inefficiency in I-V curves with local maxima. An analysis of the possible mitigation of hot-spots with DMPPT is discussed and experimentally verified. And a theoretical analysis of the possible power and energy gains is presented as well as experiments in real PV systems. A short economic analysis of the benefits of DMPPT has also been performed. In order to aide in the previous task, a program which simulates I-V curves under shaded conditions has been developed and experimentally verified. This same program has been used to develop a software tool especially designed for PV systems affected by shading, which estimates the losses due to shading and the energy gains obtained with DMPPT. Finally, a set of algorithms for diagnosing system faults in PV systems with DMPPT has been developed and experimentally verified. The tool can diagnose the following failures: fixed object shading (with distance estimation), localized dirt, generalized dirt, possible hot-spots, module degradation and excessive losses in DC cables. In addition, it alerts the user of the power losses produced by each failure and classifies the failures by their severity and it does not require the use of irradiance or temperature sensors.

Distributed control strategies for photovoltaic systems in urban environments : Versión definitiva

Este trabajo es una contribución a los sistemas fotovoltaicos (FV) con seguimiento distribuido del punto de máxima potencia (DMPPT), una topología que se caracteriza porque lleva a cabo el MPPT a nivel de módulo, al contrario de las topologías más tradicionales que llevan a cabo el MPPT para un número más elevado de módulos, pudiendo ser hasta cientos de módulos. Las dos tecnologías DMPPT que existen en el mercado son conocidos como microinversores y optimizadores de potencia, y ofrecen ciertas ventajas sobre sistemas de MPPT central como: mayor producción en situaciones de mismatch, monitorización individual de cada módulo, flexibilidad de diseño, mayor seguridad del sistema, etc. Aunque los sistemas DMPPT no están limitados a los entornos urbanos, se ha enfatizado en el título ya que es su mercado natural, siendo difícil una justificación de su sobrecoste en grandes huertas solares en suelo. Desde el año 2010 el mercado de estos sistemas ha incrementado notablemente y sigue creciendo de una forma continuada. Sin embargo, todavía falta un conocimiento profundo de cómo funcionan estos sistemas, especialmente en el caso de los optimizadores de potencia, de las ganancias energéticas esperables en condiciones de mismatch y de las posibilidades avanzadas de diagnóstico de fallos. El principal objetivo de esta tesis es presentar un estudio completo de cómo funcionan los sistemas DMPPT, sus límites y sus ventajas, así como experimentos varios que verifican la teoría y el desarrollo de herramientas para valorar las ventajas de utilizar DMPPT en cada instalación. Las ecuaciones que modelan el funcionamiento de los sistemas FVs con optimizadores de potencia se han desarrollado y utilizado para resaltar los límites de los mismos a la hora de resolver ciertas situaciones de mismatch. Se presenta un estudio profundo sobre el efecto de las sombras en los sistemas FVs: en la curva I-V y en los algoritmos MPPT. Se han llevado a cabo experimentos sobre el funcionamiento de los algoritmos MPPT en situaciones de sombreado, señalando su ineficiencia en estas situaciones. Un análisis de la ventaja del uso de DMPPT frente a los puntos calientes es presentado y verificado. También se presenta un análisis sobre las posibles ganancias en potencia y energía con el uso de DMPPT en condiciones de sombreado y este también es verificado experimentalmente, así como un breve estudio de su viabilidad económica. Para ayudar a llevar a cabo todos los análisis y experimentos descritos previamente se han desarrollado una serie de herramientas software. Una siendo un programa en LabView para controlar un simulador solar y almacenar las medidas. También se ha desarrollado un programa que simula curvas I-V de módulos y generador FVs afectados por sombras y este se ha verificado experimentalmente. Este mismo programa se ha utilizado para desarrollar un programa todavía más completo que estima las pérdidas anuales y las ganancias obtenidas con DMPPT en instalaciones FVs afectadas por sombras. Finalmente, se han desarrollado y verificado unos algoritmos para diagnosticar fallos en sistemas FVs con DMPPT. Esta herramienta puede diagnosticar los siguientes fallos: sombras debido a objetos fijos (con estimación de la distancia al objeto), suciedad localizada, suciedad general, posible punto caliente, degradación de módulos y pérdidas en el cableado de DC. Además, alerta al usuario de las pérdidas producidas por cada fallo y no requiere del uso de sensores de irradiancia y temperatura. ABSTRACT This work is a contribution to photovoltaic (PV) systems with distributed maximum power point tracking (DMPPT), a system topology characterized by performing the MPPT at module level, instead of the more traditional topologies which perform MPPT for a larger number of modules. The two DMPPT technologies available at the moment are known as microinverters and power optimizers, also known as module level power electronics (MLPE), and they provide certain advantages over central MPPT systems like: higher energy production in mismatch situations, monitoring of each individual module, system design flexibility, higher system safety, etc. Although DMPPT is not limited to urban environments, it has been emphasized in the title as it is their natural market, since in large ground-mounted PV plants the extra cost is difficult to justify. Since 2010 MLPE have increased their market share steadily and continuing to grow steadily. However, there still lacks a profound understanding of how they work, especially in the case of power optimizers, the achievable energy gains with their use and the possibilities in failure diagnosis. The main objective of this thesis is to provide a complete understanding of DMPPT technologies: how they function, their limitations and their advantages. A series of equations used to model PV arrays with power optimizers have been derived and used to point out limitations in solving certain mismatch situation. Because one of the most emphasized benefits of DMPPT is their ability to mitigate shading losses, an extensive study on the effects of shadows on PV systems is presented; both on the I-V curve and on MPPT algorithms. Experimental tests have been performed on the MPPT algorithms of central inverters and MLPE, highlighting their inefficiency in I-V curves with local maxima. An analysis of the possible mitigation of hot-spots with DMPPT is discussed and experimentally verified. And a theoretical analysis of the possible power and energy gains is presented as well as experiments in real PV systems. A short economic analysis of the benefits of DMPPT has also been performed. In order to aide in the previous task, a program which simulates I-V curves under shaded conditions has been developed and experimentally verified. This same program has been used to develop a software tool especially designed for PV systems affected by shading, which estimates the losses due to shading and the energy gains obtained with DMPPT. Finally, a set of algorithms for diagnosing system faults in PV systems with DMPPT has been developed and experimentally verified. The tool can diagnose the following failures: fixed object shading (with distance estimation), localized dirt, generalized dirt, possible hot-spots, module degradation and excessive losses in DC cables. In addition, it alerts the user of the power losses produced by each failure and classifies the failures by their severity and it does not require the use of irradiance or temperature sensors.