Sistema de supervisión low-cost con algoritmo de diagnóstico predictivo de puntos calientes en paneles fotovoltaicos

Abstract

[ES] Uno de los principales y más frecuentes problemas de las instalaciones solares fotovoltaicas es la formación de puntos calientes, generalmente a causa de un sombreado parcial o suciedad, en lo paneles solares. Este trabajo de final de máster pretende buscar una solución factible y óptima para este problema, comenzando por realizar simulaciones con la ayuda de la herramienta Simulink, para comprender mejor el comportamiento de los paneles solares y obtener modelos de funcionamiento de las celdas y paneles solares fotovoltaicos a partir de la irradiación solar y de la temperatura ambiente. El siguiente paso es diseñar un sistema de lectura de mediciones de corriente y voltaje de los módulos solares individualmente, implementar un protocolo de comunicaciones entre el sistema de mediciones y el sistema de control y supervisión, escoger adecuadamente el sistema de control y supervisión y establecer correctamente la comunicación entre ambos sistemas. Finalmente se desarrolla un algoritmo predictivo capaz de detectar una anomalía en las curvas de funcionamiento de los paneles solares, con el fin de frenar posibles apariciones de puntos calientes desde su fase inicial, tratando de evitar así que el fallo llegue a ser catastrófico. Para implementar la idea descrita, se hace uso de un dispositivo cuyo software es gratuito, se trata de Arduino UNO, que se le agrega un módulo de expansión de entradas analógicas (29 entradas en total) para conectar los sensores de corriente y de voltaje de hasta 14 paneles fotovoltaicos por cada dispositivo Arduino, y una tarjeta de red para conectar el dispositivo a la red de Internet mediante un cable Ethernet. La supervisión y monitorización se lleva a cabo mediante Codesys, un entorno gratuito de desarrollo para la programación de controladores conforme con el estándar industrial internacional IEC 61131-3. Codesys ofrece la opción de utilizar un PLC virtual que se instala en el PC. Para el caso de este trabajo, se hará uso de esta herramienta. Y por último, el protocolo de comunicaciones escogido es el actual MQTT enfocado a IoT.

[CA] Un dels principals i més freqüents problemes de les instal·lacions solars fotovoltaiques és la formació de punts calents, generalment a causa d'un sombrejat parcial o brutícia, en el panells solars. Aquest treball de fi de màster pretén buscar una solució factible i òptima per a aquest problema, començant per realitzar simulacions amb l'ajuda de l'eina Simulink, per comprendre millor el comportament dels panells solars i obtenir models de funcionament de les cel·les i panells solars fotovoltaics a partir de la irradiació solar i de la temperatura ambient. El següent pas és dissenyar un sistema de lectura de mesuraments de corrent i voltatge dels mòduls solars individualment, implementar un protocol de comunicacions entre el sistema de mesuraments i el sistema de control i supervisió, escollir adequadament el sistema de control i supervisió i establir correctament la comunicació entre els dos sistemes. Finalment es desenvolupa un algoritme predictiu capaç de detectar una anomalia en les corbes de funcionament dels panells solars, per tal de frenar possibles aparicions de punts calents des de la seva fase inicial, tractant d'evitar així que la decisió arribi a ser catastròfic. Per implementar la idea descrita, es fa ús d'un dispositiu que el software de programació del mateix és gratuït, es tracta d'Arduino UNO, que se li afegeix un mòdul d'expansió d'entrades analògiques (29 entrades en total) per connectar els sensors de corrent i de voltatge de fins a 14 panells fotovoltaics per cada dispositiu Arduino, i una targeta de xarxa per connectar el dispositiu a la xarxa d'Internet mitjançant un cable Ethernet. La supervisió i monitorització es porta a terme mitjançant CoDeSys, un entorn gratuït de desenvolupament per a la programació de controladors d'acord amb l'estàndard industrial internacional IEC 61131-3. CoDeSys ofereix l'opció d'utilitzar un PLC virtual que s'instal·la al PC. Per al cas d'aquest treball, es farà ús d'aquesta eina. I finalment, el protocol de comunicacions escollit és l'actual MQTT enfocat a IoT.

[EN] One of the main and most frequent problems with solar photovoltaic installations is the formation of hot spots, usually due to partial shading or dirt, on the solar panels. This final master's work aims to find a feasible and optimal solution to this problem, starting by performing simulations with the help of the Simulink tool, to better understand the behavior of solar panels and to obtain models of the functioning of photovoltaic solar cells and panels from solar irradiation and ambient temperature. The next step is to design a system for reading current and voltage measurements of the individual solar modules, implement a communication protocol between the measurement system and the control and monitoring system, choose the control and monitoring system appropriately, and establish correct communication between the two systems. Finally, a predictive algorithm capable of detecting an anomaly in the operating curves of the solar panels is developed, in order to stop possible hot spots from appearing from their initial phase, thus trying to prevent the failure from becoming catastrophic. To implement the idea described, a device is used whose software is free, it is Arduino UNO, which adds an expansion module of analog inputs (29 inputs in total) to connect the current and voltage sensors of up to 14 photovoltaic panels for each Arduino device, and a network card to connect the device to the Internet through an Ethernet cable. The supervision and monitoring are carried out by Codesys, a free development environment for the programming of controllers according to the international industrial standard IEC 61131-3. Codesys offers the option of using a virtual PLC that is installed in the PC. For the case of this work, this tool will be used. And finally, the communication protocol chosen is the current MQTT focused on IoT.