ES1291144U - Sistema para inspeccionar modulos de plantas fotovoltaicas - Google Patents

Abstract

Sistema de inspección de módulos fotovoltaicos, donde el sistema está caracterizado por que comprende: - una fuente de alimentación (7) conectable a un módulo fotovoltaico mediante un circuito de alimentación, configurada para inyectar una corriente que lleva el módulo fotovoltaico (9) a un estado polarizado; - unos medios de control de corriente (6) de la fuente de alimentación (7), que comprenden: - un relé de estado sólido (21), conmutable entre un estado de conducción y un estado de corte; - un microcontrolador (20) configurado para recibir órdenes de conmutación desde un ordenador remoto y enviar las órdenes de conmutación recibidas al relé de estado sólido; - un convertidor elevador de corriente continua (22), conectado a una salida del relé de estado sólido, configurado para, cuando el relé conmuta a estado de conducción, elevar una tensión de entrada hasta al menos una tensión umbra; y - un interruptor electrónico de alta potencia (23), dispuesto a la salida del convertidor elevador, configurado para conmutar entre un estado de conducción que cierra el circuito de alimentación cuando recibe una tensión de puerta igual o superior a la tensión umbral y un estado de corte que abre el circuito de alimentación cuando recibe una tensión de puerta inferior a la tensión umbral; y - unos medios de medida de electroluminiscencia, configurados para detectar una variación de electroluminiscencia (8) emitida por el módulo fotovoltaico, como resultado del estado polarizado causado por la corriente inyectada por la fuente de alimentación cuando los medios de control de corriente cierran el circuito de alimentación, mediante el interruptor electrónico de alta potencia; y determinar un estado de funcionamiento del módulo fotovoltaico basado en la variación de electroluminiscencia obtenida.

Description

DESCRIPCIÓN

SISTEMA PARA INSPECCIONAR MÓDULOS DE PLANTAS FOTOVOLTAICAS

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere al campo técnico de las energías renovables y más concretamente a la inspección y control de calidad de módulos fotovoltaicos durante su funcionamiento, como parte de una planta fotovoltaica, mediante medidas de electroluminiscencia.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Actualmente, la inspección de módulos fotovoltaicos se basa en conocidas técnicas de electroluminiscencia. La electroluminiscencia es una técnica de inspección que permite obtener imágenes de gran calidad acerca del estado de un panel fotovoltaico. Permite visualizar cada defecto o fallo de construcción, de cada una de las células solares que componen el módulo fotovoltaico, permitiendo valorar de forma objetiva el rendimiento que dicho panel ofrecerá estando en servicio. Para ello, contrario al efecto fotoeléctrico por el cual un fotón incide sobre una célula solar y como consecuencia el panel suministra corriente eléctrica, si a un panel fotovoltaico se le inyecta corriente eléctrica, proporcionada por una fuente de alimentación, el panel emite luz en longitudes de onda capaces de ser captadas mediante una cámara adaptada para este fin.

Para emplear esta técnica, a menudo es necesario desconectar el panel de la red eléctrica para poder aplicar una tensión eléctrica mediante una fuente de alimentación. La desconexión del panel supone un problema de seguridad y una pérdida productiva, dado que, aunque la caracterización de un único panel no requiere mucho tiempo, en las plantas fotovoltaicas los paneles están conectados en grandes series.

Por otro lado, la mayoría de soluciones enfocadas a este tipo de inspección no son capaces de operar durante el día, ya que los continuos cambios ambientales y el propio sol cambian segundo a segundo y como consecuencia las imágenes que se toman son erróneas.

Algunas soluciones del estado del arte, como la divulgada en la solicitud de patente española ES2802473 A1, resuelven la problemática anterior proponiendo un dispositivo de inspección de paneles fotovoltaicos capaz de operar durante el funcionamiento del panel. Sin embargo, la propia configuración de esta solución la hace muy vulnerable a tensiones elevadas, por lo que solo se concibe para medir dos células fotovoltaicas conectadas en serie. En la práctica, esto resulta tremendamente ineficaz para ser utilizado en la inspección de grandes plantas fotovoltaicas, donde las tensiones que se alcanzan pueden rondar los 1500 V y 10 A.

Por tanto, el estado del arte continua echando en falta una solución técnica que permita la inspección de células fotovoltaicas en el entorno de grandes plantas fotovoltaicas, evitando la desconexión de módulos y paradas habitualmente requeridas en el estado del arte y los problemas logísticos, de eficiencia y seguridad que de ello se deriva.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

Con el fin de alcanzar los objetivos y evitar los inconvenientes mencionados anteriormente, la presente invención describe, en un primer aspecto un sistema de inspección de módulos fotovoltaicos, donde el sistema comprende:

- una fuente de alimentación conectable a un módulo fotovoltaico mediante un circuito de alimentación, configurada para inyectar una corriente que lleva el módulo fotovoltaico a un estado polarizado;

- unos medios de control de corriente de la fuente de alimentación, que comprenden:

- un relé de estado sólido, conmutable entre un estado de conducción y un estado de corte;

- un microcontrolador configurado para recibir órdenes de conmutación desde un ordenador remoto y enviar las órdenes de conmutación recibidas al relé de estado sólido;

- un convertidor elevador de corriente continua, conectado a una salida del relé de estado sólido, configurado para, cuando el relé conmuta a estado de conducción, elevar una tensión de entrada hasta al menos una tensión umbral; y - un interruptor electrónico de alta tensión, dispuesto a la salida del convertidor elevador, configurado para conmutar entre un estado de conducción que cierra el circuito de alimentación cuando recibe una tensión de puerta igual o superior a la tensión umbral y un estado de corte que abre el circuito de alimentación cuando recibe una tensión de puerta inferior a la tensión umbral; y

- unos medios de medida de electroluminiscencia, configurados para detectar una variación de electroluminiscencia emitida por el módulo fotovoltaico, como resultado del estado polarizado causado por la corriente inyectada por la fuente de alimentación cuando los medios de control de corriente cierran el circuito de alimentación, mediante el interruptor electrónico de alta tensión; y determinar un estado de funcionamiento del módulo fotovoltaico basado en la variación de electroluminiscencia obtenida.

El interruptor electrónico de alta potencia de los medios de control de corriente se contempla que sea un transistor IGBT capaz de abrir y cerrar circuitos con tensiones de hasta 1700 V. Así, ventajosamente, la presente invención permite conectar y controlar series de módulos de plantas fotovoltaicas de nueva construcción, donde los módulos se presentan conectados en series de hasta 1500 V y 10 A.

Adicionalmente, de acuerdo a una de las realizaciones de la presente invención, los medios de control de corriente además comprenden un circuito amortiguado Snubber (24) que comprende un conjunto serie de condensador y resistencia conectado en paralelo con el interruptor electrónico de alta potencia.

En una de las realizaciones de la invención, los medios de medida de electroluminiscencia comprenden un filtro, una cámara y un ordenador con software de procesado de imágenes de electroluminiscencia. Específicamente, en una de las realizaciones, la cámara es una cámara InGaAs sensible al infrarrojo cercano.

Una de las realizaciones de la presente invención contempla que los medios de control de corriente incorporen un módulo de comunicaciones inalámbricas de bajo consumo, como por ejemplo ZIGBEE, interconectado con el microcontrolador, donde el módulo de comunicaciones inalámbricas está configurado para recibir órdenes desde un ordenador remoto y transmitir dichas órdenes al microcontrolador. Así, ventajosamente, la presente invención es capaz de transmitir datos a grandes distancias, aproximadamente 3000 metros, con unas velocidades de transmisión suficientes para el buen funcionamiento del sistema. Dadas las grandes superficies que tienen las plantas solares, el uso de estos módulos de comunicaciones inalámbricos hace que las medidas sean mucho más cómodas y eficientes.

Opcionalmente, en una de las realizaciones de la presente invención, se contempla una batería solar conectable al microcontrolador y al convertidor para proporcionar alimentación a 5V.

En una de las realizaciones de la invención, se contempla una carcasa envolvente, que aloja los medios de control de corriente de la fuente de alimentación, donde la carcasa envolvente dispone de al menos una rejilla de ventilación y un pasamuros USB para la alimentación. En una de las realizaciones, se contemplan además dos ventiladores de refrigeración dispuestos en paralelo y orientados hacia el transistor IGBT. Adicionalmente, en los medios de control de corriente se contempla un radiador sobredimensionado para compensar el aumento de temperatura que causa la potencia disipada por el interruptor electrónico de alta potencia en el estado de conducción.

Un segundo aspecto de la invención se refiere a un método de inspección de módulos fotovoltaicos, que comprende los siguientes pasos:

- conectar una fuente de alimentación a un módulo fotovoltaico mediante un circuito de alimentación;

- disponer unos medios de control de corriente en el circuito de alimentación, que comprenden un interruptor electrónico de alta potencia, conmutable entre un estado de conducción que cierra el circuito de alimentación y un estado de corte que abre el circuito de alimentación;

- enviar, por un microcontrolador de los medios de control de corriente, una orden de conmutación a estado de conducción a un relé de estado sólido;

- con el relé en estado de conducción, proporcionar, por un convertidor elevador de corriente continua, una tensión en la entrada de un interruptor electrónico superior a una tensión umbral establecida que conmuta el interruptor electrónico al estado de conducción que cierra el circuito de alimentación;

- con el circuito de alimentación cerrado, inyectar, por la fuente de alimentación, una corriente que polariza el módulo fotovoltaico;

- detectar, por unos medios de medida de electroluminiscencia, una variación de electroluminiscencia emitida por el módulo fotovoltaico polarizado como resultado de la corriente inyectada; y

- determinar un estado de funcionamiento del módulo fotovoltaico basado en la variación de electroluminiscencia obtenida.

Adicionalmente, en una realización donde la fuente de alimentación es una fuente regulable, se contempla el paso de ajustar, por unos medios de control de la fuente de alimentación, la corriente a inyectar para polarizar el módulo fotovoltaico, basado en un porcentaje de la tensión nominal del módulo fotovoltaico a inspeccionar. Algunas realizaciones de la invención contemplan alimentaciones en un rango entre 15% y 20% por encima de la tensión nominal de los módulos fotovoltaicos a inspeccionar.

De acuerdo a una de las realizaciones de la invención, detectar una variación de electroluminiscencia comprende restar dos imágenes obtenidas en dos estados diferentes del módulo fotovoltaico, un estado corresponde al módulo polarizado y otro estado corresponde al módulo en circuito abierto sin polarizar.

Se contempla, en una de las realizaciones de la invención, comenzar el procedimiento de inspección de módulos fotovoltaicos desde un ordenador remoto. Desde dicho ordenador se envía una orden de inicio de inspección del módulo fotovoltaico al microcontrolador de los medios de control de corriente, a través de un módulo de comunicaciones inalámbricas, por ejemplo ZIGBEE, interconectado eléctricamente con el microcontrolador.

En una realización específica de la invención, proporcionar al interruptor electrónico una tensión que cierra el circuito de alimentación, comprende elevar en el convertidor de corriente continua una tensión de alimentación de 5V a una tensión de puerta del interruptor electrónico de alta potencia de 17V, donde el interruptor es un transistor IGBT.

Opcionalmente, en una realización de la invención se contempla alimentar el microcontrolador de los medios de control de corriente y el convertidor elevador de corriente continua mediante una batería externa conectable por USB.

Ventajosamente, el control de polarización (mediante el control de la inyección de corriente) de módulos fotovoltaicos de la presente invención permite no solo hacer medidas de electroluminiscencia diurna, sino adaptarse al tamaño actual de las plantas fotovoltaicas para poder realizar estas medidas de forma mucho más rápida y efectiva, siendo más productivos y eficientes y por lo tanto pudiendo medir más módulos fotovoltaicos en menos tiempo, consiguiendo así, que el elevado coste de los equipos necesario para hacer estas medidas empiece a ser rentable para el sector fotovoltaico.

La medición a través de electroluminiscencia de la presente invención permite detectar posibles errores de fabricación o daños producidos durante el transporte o el montaje de los paneles de manera muy rápida y sin implicar ninguna operación adicional de desconexión de elementos que suponen riesgos para el personal y una pérdida productiva.

Además, durante toda la vida útil de los paneles fotovoltaicos, el método y sistema de la presente invención permite una monitorización mucho más frecuente de su funcionamiento en comparación con las inspecciones realizadas por los métodos tradicionales que requieren una manipulación física de los mismos, conectando equipos adicionales y/o desconectando los paneles fotovoltaicos, lo que hace que dichas inspecciones estén mucho más espaciadas en el tiempo y, por tanto, las posibilidades de detectar un fallo temprano se ven reducidas.

La fabricación de módulos se encuentra en auge para el sector de las energías renovables y, asociado a este proceso productivo, se requieren métodos e instrumentos de medida que permitan realizar una caracterización del estado interno de los paneles, tanto en el proceso de fabricación para corroborar su correcto diseño, como en la etapa de llegada a planta, como en la etapa de funcionamiento y vida útil. Por lo tanto, la presente invención, da solución eficaz a todas estas etapas facilitando las medidas de electroluminiscencia descritas bajo cualquier condición ambiental, tanto diurna como nocturna, y en cualquier latitud del planeta.

Otro de los objetivos de la presente invención es la mejora tanto del sistema de inspección de módulos fotovoltaicos de electroluminiscencia diurna, como de los sistemas de electroluminiscencia nocturna ya existentes, que traen consigo unos riesgos laborales y sobrecostes innecesarios. Además, la inspección de módulos mediante medidas de electroluminiscencia trata de verificar las especificaciones de calidad que los fabricantes dan de sus diferentes módulos fotovoltaicos de silicio tanto nuevos como durante sus años de vida útil.

La inspección de los paneles mediante el sistema y método de la presente invención permite Que sea realizada por una sola persona en lugar de las tres personas que son necesarias en la actualidad, reduciendo así la exposición del grupo de trabajo a un posible contagio por COVID19 debido a la multitud de manipulaciones y ajustes que requiere el equipo de medida.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Para completar la descripción de la invención y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de sus características, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización de la misma, se acompaña un conjunto de dibujos en donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se han representado las siguientes figuras:

- La figura 1 representa esquemáticamente los elementos de una realización preferente de la presente invención

- La figura 2 representa, en diagrama de bloques, detalle del dispositivo interruptor de la presente invención.

- La figura 3 añade, sobre el diagrama de bloques detallado del dispositivo interruptor representado en la figura 2, la fuente de alimentación de corriente continua y la conexión con el módulo fotovoltaico del panel solar a inspeccionar.

Las referencias usadas en las figuras se enumeran a continuación:

1- Luz solar

2- Corriente inyectada

3- Filtro

4- Cámara

5- Ordenador

6- Dispositivo interruptor

7- Fuente de alimentación regulable

8- Imagen de electroluminiscencia

9- Módulo fotovoltaico

20- Microcontrolador

21- Relé estado sólido

22- Convertidor CC/CC

23- Transistor IGBT

24- Circuito amortiguado Snubber

25- Condensador (del circuito 24)

26- Resistencia (del circuito 24)

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

La presente invención divulga un método y un sistema para inspeccionar módulos de plantas fotovoltaicas aprovechando el desarrollo de un dispositivo interruptor remoto que controla la corriente a suministrar a un panel fotovoltaico y, por consiguiente, su polarización. De esta manera, dicho panel adopta dos estados diferentes, necesarios para una medida de electroluminiscencia, en periodos de tiempo muy pequeños para evitar cambios ambientales y obtener una imagen de electroluminiscencia fiable. Adicionalmente a este control de la corriente, se proporciona una cámara sensible al infrarrojo cercano para captar la luz emitida por el panel, una fuente de alimentación para suministrar la corriente necesaria y un software de tratamiento de imágenes.

La figura 1 representa esquemáticamente los elementos de una realización preferente de la presente invención. En primer lugar, se observa la luz solar 1 incidiendo sobre un módulo fotovoltaico 9, lo que representa condiciones de medida diurnas. A través de una fuente de alimentación de corriente continua 7, se inyecta una corriente 2 al módulo 9 para la polarización del mismo (cambia el estado del panel entre polarizado y circuito abierto). El módulo 9 al ser polarizado, emite una luz a una determinada longitud de onda, que es filtrada 3 y capturada por una cámara 4 de InGaAs.

La fuente de alimentación 7 es una fuente regulable, bien mediante su propio control independiente o mediante una conexión con el ordenador remoto, que se ajusta en función de los paneles a inspeccionar (habitualmente en un rango entre 15%-20% por encima de la tensión nominal de los paneles), ya que es la encargada de polarizar los módulos fotovoltaicos, pero no es capaz de realizar las conmutaciones tan rápidamente como se necesita, debido a los enormes transitorios que se producen en ella. Por tanto, se recurre a un dispositivo capaz de cambiar el estado del panel de manera rápida y evitando este fenómeno. Así, un objetivo de la presente invención es el de controlar la corriente suministrada a los módulos fotovoltaicos mediante el dispositivo interruptor 6 para realizar posteriormente medidas de electroluminiscencia. Estos dos estados a los que se debe someter al panel son:

- cerrar el circuito de alimentación para polarizar el panel y por lo tanto emita luz infrarroja; y - abrir el circuito de alimentación para que al panel le deje de llegar corriente.

Para el control de la corriente que se inyecta al módulo 9 se utiliza el dispositivo interruptor de alta tensión 6 (también referido en este documento como dispositivo interruptor, interruptor remoto o conmutador externo). El dispositivo interruptor 6 se comunica con el ordenador 5 donde está instalado el software de tratamiento de imagen que realiza las medidas de electroluminiscencia (EL). Esta comunicación inalámbrica entre el ordenador y el dispositivo interruptor se realiza, en esta realización preferente, a través de unos microcontroladores tipo ZIGBEE, capaces de transmitir datos a gran distancia (aproximadamente 3000 metros), que dadas las grandes superficies que tienen las plantas solares, resultan especialmente apropiadas para una obtención cómoda y eficiente de las medidas. El software o programa informático ejecutable desde el ordenador 5, enviará una señal a un microcontrolador del dispositivo interruptor 6 para comenzar el proceso de medida de electroluminiscencia, a través de los microcontroladores tipo ZIGBEE descritos, para que el microcontrolador del dispositivo interruptor 6 se encargue de alimentar un relé de estado sólido (SSR) a una tensión de 5V. Controlando la alimentación de este relé se tendrá control del resto del circuito.

Posteriormente, se realiza un tratamiento de las imágenes en el ordenador 5 para obtener a la salida una imagen de electroluminiscencia 8 como resultado de restar las imágenes obtenidas en dos estados. Un estado corresponde al módulo polarizado emitiendo luz y otro estado con el modulo en circuito abierto. Estas dos restas de imágenes corresponden a un ciclo, por lo tanto, cuantos más ciclos se configuren, mejor es la imagen que se va a obtener, aunque llegado un número máximo, la imagen empieza a empeorar. Por otro lado, para la toma de una buena imagen de electroluminiscencia, la cámara utilizada requiere ciertos ajustes de enfoque y ángulo de apertura, de tal manera que en función de la distancia a la que esté colocado el módulo a examinar, el ángulo de apertura del objetivo debe estar más o menos abierto. Cuanto más lejos esté el objeto, menor ángulo de apertura debe tener y por lo tanto menor luz entrará.

En la figura 2 se representa, en diagrama de bloques, detalle del dispositivo interruptor 6. El microcontrolador 20 del dispositivo interruptor 6, conectado eléctricamente con el relé de estado sólido 21, se alimenta a 5V. Como el relé de estado sólido 21 no es capaz de abrir y cerrar circuitos de tensiones elevadas como las que se dan en un conjunto de paneles solares conectados en serie, la presente invención hace uso de un interruptor electrónico de alta tensión, por ejemplo un IGBT 23. Con este interruptor IGBT 23 pueden abrirse y cerrarse circuitos con tensiones del orden de los 1700 V, similares a las que se alcanzan en los conjuntos de paneles solares conectados en serie de las plantas solares modernas (puede haber conjuntos de hasta 32 placas solares). El funcionamiento de este interruptor electrónico 23 es similar al del relé de estado sólido 20, es decir, alimentando dos de sus contactos se cierra el circuito al que está conectado (que en este caso particular son las placas solares y la fuente de alimentación). La tensión necesaria que se necesita en la puerta del interruptor electrónico IGBT 23 para que abra y cierre el circuito son, en esta realización preferente, del orden de 15 V. Esta tensión es ligeramente superior a la que se tiene en el microcontrolador 20, por lo que se dispone un convertidor CC/CC 22 que eleva la tensión de 5V a la necesaria en la puerta, 15 V. La alimentación de 5V que necesita tanto el microcontrolador 20 como el convertidor CC/CC 22 se puede proporcionar desde una batería solar externa de gran capacidad (por ejemplo 28600 mAh) o conectándolos directamente al ordenador 5 mediante sendas conexiones USB. Adicionalmente, para mejorar el rendimiento del circuito de conmutación, se ha colocado en paralelo con el interruptor electrónico IGBT 23 un circuito Snubber 24, con un conjunto de condensador 25 y resistencia 26 capaz de suprimir los posibles picos de voltaje y amortiguar las oscilaciones transitorias que se producen debidas a la conmutación.

En la figura 3 se añade, sobre el diagrama de bloques detallado del dispositivo interruptor 6 representado en la figura 2, la fuente de alimentación de corriente continua 7 y la conexión con el módulo fotovoltaico 9 del panel solar a inspeccionar.

A continuación, se describe con mayor detalle cada uno de los elementos del dispositivo interruptor 6 de una de las realizaciones preferentes. Entre estos elementos se encuentran: placa microcontroladora programable (20), placa modular, dispositivos de comunicación inalámbrica (no representados), relé de estado sólido SSR (21), caja o envolvente (no representada), ventiladores (no representados), IGBT (23), radiador del IGBT (no representado), convertidor CC/CC (22), circuito amortiguador snubber (24) y batería de alimentación solar (no representada).

Placa microcontroladora programable (20)

La plataforma utilizada en una de las realizaciones preferentes para programar el dispositivo de la presente invención es una placa microcontrolador de código abierto desarrollado por Arduino. Dentro de esta marca existe una gran variedad de modelos, de los que en este ejemplo se ha escogido Arduino Uno. La alimentación de esta placa microcontroladora se realiza a través de USB, bus de comunicaciones que proporciona la tensión de 5 V necesaria para su funcionamiento. Este modelo en concreto consta de 14 pines de entrada/salida digital, de los cuales 6 se pueden utilizar como salidas PWM. EN esta realización concreta solo se hace necesario usar de un par de pines (el 13 y GND, pero podría ser cualquier otro realmente) porque lo único que se necesita es mandar una señal desde el ordenador al Arduino para que éste active o no dicho pin. Asociado a este par de pines se conecta el relé de estado sólido (SSR) que más adelante se detallará y al cual le llega una tensión entre sus bornes de control de 5V para que abra o cierre el circuito en función de lo que corresponda en cada momento.

Placa modular

Un shield en Arduino es una placa que se apila sobre otra o sobre el propio Arduino como se hará en este caso y sirve para dar funcionalidad extra. En este caso se utiliza para montar sobre ella el dispositivo de comunicación inalámbrica y así poder interconectarla con el ordenador remoto donde está el software para realizar las medidas de electroluminiscencia.

Dispositivos de comunicación inalámbrica

El módulo utilizado para la comunicación utiliza el protocolo Zigbee y está fabricado por Digi. Estos microcontroladores permiten realizar interconexiones entre dispositivos y para poder enlazarlos se necesita un software que proporciona el fabricante, llamado XCTU. Con este software libre se configurarán los dos módulos que se comunicarán para enviar y recibir las señales desde el programa de electroluminiscencia. Uno de ellos, el que se conecta al ordenador, se configura como coordinador, y es el que enviará datos al otro (dispositivo final). Los dispositivos de comunicación inalámbrica utilizados tienen amplio rango de distancia para la comunicación, llegando incluso a los 3.200 metros en línea vista o 90 metros en interiores.

Relé de estado sólido (21)

Es un dispositivo electrónico de conmutación que realiza la conexión o desconexión de una carga o circuito al que esté asociado cuando circula por sus terminales de control una corriente eléctrica determinada. Es similar al funcionamiento que tiene un relé electromecánico convencional, pero con la ventaja de no tener partes móviles, lo que permite poder alcanzar frecuencias de conmutación mucho más elevadas que con un relé electromecánico donde sus contactos sí que lo son. Otra de las ventajas de estos dispositivos es que, con una pequeña corriente de control, se pueden llegar a controlar grandes potencias. La utilidad que tiene este componente dentro de la presente invención es la de abrir y/o cerrar el circuito cuando el microcontrolador lo indique, por lo tanto, como se ha indicado anteriormente, se conectarán mediante dos cables los pines del Arduino a los bornes de control del relé.

Caja o envolvente

Se utiliza una caja de plástico para reducir el peso y evitar cualquier tipo de derivación que pudiera producirse y por lo tanto aumentar la seguridad. Sobre la caja se disponen dos agujeros para la colocación de rejillas de ventilación por las que circula el flujo de aire impulsado por los ventiladores y reducir así, lo máximo posible, las temperaturas en su interior. Se dispone también, en uno de los tetones que tiene la propia caja, un pasamuros USB para la alimentación del dispositivo, o a través de la batería. Para la colocación de los diferentes componentes dentro de la caja, se dispone sobre la base de ésta, una placa de metacrilato atornillada para una mejor sujeción.

Ventiladores

En esta realización preferente, para mejorar el flujo de aire por el interior del dispositivo y por lo tanto la refrigeración, se disponen dos ventiladores de 12 V en un lado de la caja y en paralelo. Se les proporciona una tensión ligeramente superior, del orden de los 17 - 18V. La razón por la que se alimenta a una tensión superior viene de la necesidad de alimentar otro dispositivo que a continuación se explicará y que necesita estos niveles para su correcto funcionamiento. El aumento de tensión desde los 5V que se tenía en el prototipo de partida y que son proporcionados por el Arduino, a los 15 V que se va a tener en esta parte del circuito se tendrá gracias al uso de un convertidor elevador CC/CC (22).

IGBT (23)

Como el relé de estado sólido (21) anteriormente citado no es capaz de conmutar circuitos de alta tensión (1500 VDC) y como uno de los objetivos de la presente invención es precisamente el de trabajar con tensiones mucho más altas para poder realizar medidas de electroluminiscencia a un número elevado de paneles fotovoltaicos, se ha hecho uso de un transistor capaz de soportar estos niveles. Para ello, el transistor de potencia utilizado es un transistor IGBT (23), elemento principal en la presente invención, ya que va a ser el encargado de conmutar el circuito de alta potencia conectado entre sus terminales. Este dispositivo es la combinación de un transistor MOSFET y un BJT. Los transistores MOSFET tienen tiempos de conmutación muy cortos lo que les permite trabajar a altas frecuencias, superiores a 100 kHz en algunos casos, en cambio, los transistores BJT manejan altos niveles de potencia, pero a frecuencias de conmutación más bajas, inferiores a 10 kHz. Es, por tanto, el IGBT una combinación de altas frecuencias de conmutación propias del MOSFET con altos niveles de potencia del BJT. Al igual que el MOSFET, el IGBT dispone de una puerta aislada, por lo que el control únicamente se realiza mediante tensión, sin necesidad de corriente por la puerta. Por lo tanto, para abrir y cerrar el circuito se necesita dar un valor de tensión positivo en la puerta y negativo en el emisor, que según el fabricante del IGBT utilizado en pruebas experimentales es, como máximo, de ± 20 V, y siempre superior a la tensión umbral para que permita el paso de corriente eléctrica de colector a emisor, en caso contario el IGBT se comportaría como un circuito abierto. De acuerdo a las hojas de características del fabricante para el mismo IGBT, la tensión mínima que hay que aplicar a la puerta (tensión umbral) para que deje circular corriente, es aproximadamente 4,5 V.

Cuando se aplica una tensión a la puerta VGE, el IGBT permite el paso de corriente eléctrica IC de colector a emisor y entre la puerta y el emisor no circulará corriente excepto en las conmutaciones. Este fenómeno se debe a que en un transistor MOSFET entre la puerta y la fuente hay una pequeña capacidad, por lo tanto, como el IGBT está formado por este tipo de transistores, también tendrá esa pequeña capacidad entre la puerta y el emisor y es éste condensador el que se tiene que cargar y descargar para que el IGBT trabaje en conmutación. Cuando este condensador esté cargado, no circulará ninguna corriente por la puerta, únicamente circulará corriente por la puerta mientras se está cargando o descargando, y este proceso dura muy poco tiempo. Por lo descrito anteriormente, cuando el IGBT se alimenta con VGE y deja de circular corriente IC de colector a emisor, esta capacidad entre puerta y emisor se carga y forma un circuito cerrado por sus terminales, por lo tanto, cuando se deja de alimentar la puerta, como el condensador está cargado, en lugar de abrir e interrumpir el paso de corriente, el circuito permanece cerrado y mantiene el IGBT en conducción. Sin embargo, este problema se solventa conectando una resistencia de pulldown entre la puerta y el emisor, que permite la descarga del condensador a través de ella, para que una vez esté cargado y se quiera realizar la conmutación, este condensador no lo impida y se pueda cambiar el estado a corte.

Como se indica en la siguiente descripción del dimensionado del radiador, cuanto mayor sea la tensión de alimentación que se aplica a la puerta, menor será la caída de tensión cuando se encuentre en saturación (conducción) para una misma intensidad, que, según el fabricante, será siempre < 4V. El valor de tensión VGE que se aplica por tanto es de 15 V y se obtiene una caída de tensión de colector a emisor, de nuevo según las gráficas del fabricante, de 3,1 V, para una intensidad de 10 A.

Radiador

Las pérdidas energéticas ocasionadas en el interior de un semiconductor se convierten en importantes aumentos de temperatura. Cualquier semiconductor tiene unas temperaturas máximas y mínimas para su correcto funcionamiento, si estas temperaturas son sobrepasadas, el material semiconductor puede dañarse y por lo tanto la fiabilidad se ve afectada. Es por esto por lo que la presente invención, concebida para trabajar con tensiones elevadas y con el fin de evitar un exceso de temperatura, contempla el dimensionamiento de un radiador que permita limitar temperaturas máximas que se pueden alcanzar en función de la potencia que va a disipar el IGBT cuando esté conduciendo. La potencia que se debe disipar en el radiador viene expresada en la Ecuación 1:

PD= VCE x /C

donde:

: Potencia disipada en el semiconductor, en vatios (W)

VCE: Diferencia de tensión entre los terminales colector y emisor, en voltios (V)

: Corriente eléctrica que circula del terminal colector al emisor, en amperios (A)

Para ello, en primer lugar, se debe conocer la intensidad que va a circular a través del IGBT de colector a emisor, Ic. Esta intensidad va a ser la que circule por cada panel y por lo tanto por cada string (Conjunto de módulos conectados en serie/ La intensidad que circula por cada panel en condiciones estándar de medida será la que proporcione el fabricante para sus módulos fotovoltaicos. Como cada tipo de panel tendrá unas intensidades diferentes dependiendo de diferentes parámetros, como por ejemplo la tecnología del semiconductor (monocristalino, policristalino, amorfo...), disposición de las obleas, etcétera, se elige una intensidad sobredimensionada, de tal forma que el cálculo quede, por seguridad, más desfavorable. Además, se observa que la gran mayoría de los paneles fotovoltaicos del mercado actual no superan este valor. La intensidad elegida por tanto es de 10 A, Ic = 10 A.

El otro término que se debe definir es la caída de tensión entre los terminales colector y emisor, para ello, se debe recurrir a la hoja de características proporcionada por el fabricante para el IGBT y definir antes tanto la temperatura máxima de funcionamiento como la tensión de control aplicada en la puerta del semiconductor. Según la hoja de características, la temperatura máxima en funcionamiento de la unión es de 175°C., para sobredimensionar el cálculo y aumentar la seguridad, se ha multiplicado esta temperatura por un factor k = 0.8, de tal manera que la temperatura máxima que pueda soportar se va a limitar y reducir como se muestra en la Ecuación 2:

Tj = Tj máx x k

donde:

Tj: temperatura máxima de la unión del semiconductor, en grados centígrados (°C).

k: factor de seguridad, adimensional.

Queda, por tanto:

TJ = TJ máx x k = 175 x 0,8 = 144 °C.

De acuerdo a las curvas características del IGBT, para una temperatura de 150°C, ligeramente superior a la anteriormente calculada, según la tensión de alimentación, VGE y la corriente que circula por el interior del semiconductor, IC, se tiene una caída de tensión diferente entre colector y emisor VCE. Cuanta más tensión se proporcione a la puerta, para una misma intensidad, la caída de tensión que se tiene VCE es inferior, por lo tanto, se ha decidido alimentar la puerta del IGBT a una tensión de 15 V.

En estas condiciones, la caída de tensión que se va a tener es aproximadamente VCE = 3,1V.

Ya se tienen todos los términos de la Ecuación 1, por lo tanto, la potencia disipada es:

PD = VCE x ¡c = 3,1 x 10 = 31 W

Finalmente, la relación entre la potencia disipada en el semiconductor y la temperatura máxima en la unión viene dada por la Ecuación 3:

PD = (Tj - Ta) / (Rth-ja)

donde:

PD: potencia disipada en el semiconductor, en vatios (W).

Tj: temperatura máxima de la unión del semiconductor, en grados centígrados (°C).

Ta: temperatura ambiente, en grados centígrados (°C).

Rth-ja: resistencia térmica entre la unión del semiconductor y el ambiente, en °C/ W.

La resistencia térmica entre la unión del semiconductor y el ambiente se puede descomponer en varias resistencias conectadas en serie, de acuerdo a la Ecuación 4:

Rth-ja = Rj-c + Rc-s + Rs-a

donde:

Rj-c: resistencia térmica entre la unión y el encapsulado del dispositivo semiconductor, en °C/W.

Rc-s: resistencia térmica entre el encapsulado y el radiador o disipador, en °C/W.

Rs-a: resistencia térmica entre el radiador y el ambiente, en °C/W.

Sustituyendo en la Ecuación 3 la resistencia térmica total por la suma individual de uniónencapsulado, encapsulado-radiador y radiador-ambiente y despejando la diferencia de temperaturas entre la unión y el ambiente se obtiene la Ecuación 5:

PD = (Tj - Ta) / (Rj-c + Rc-s + Rs-a)

Las resistencias térmicas tanto de la unión con el encapsulado como del encapsulado con el radiador las proporciona el fabricante en la hoja de características, en este caso concreto los valores son 0.22 °C/W y 0.05 °C/W respectivamente.

Finalmente, el único valor que no se tiene y resulta necesario para dimensionar el radiador a instalar que cumpla con las exigencias descritas por el fabricante, y por lo tanto asegurar un buen funcionamiento térmico, es la resistencia térmica entre el radiador y el ambiente, Rs-a.

Desarrollando la Ecuación 5 se tiene:

T] - TA > PD ■ (R]C + RCS + RSA)

sustituyendo los datos y tomando una temperatura ambiente desfavorable de 40°C:

144°C - 40°C > 31W ■ (0,220CW + 0,050CW + RSA)

se obtiene una valor de resistencia térmica del radiador de RSA < 3.08 °C/W. Por motivos económicos y para un mejor sobredimensionamiento, el radiador a instalar para el semiconductor IGBT se selecciona con una resistencia térmica de 2,5°C/W, inferior y por lo tanto ventajoso, del necesario teóricamente para esta realización concreta.

Convertidor (22)

La parte de control del dispositivo interruptor 6 es la que menor tensión va a tener y está formada por el microcontrolador 20, el relé de estado sólido 21 y el convertidor CC-CC 22 que aquí se detalla. La alimentación puede realizarse mediante batería o mediante conexión directa a un ordenador, ambas a través de puerto USB; este tipo de puertos funcionan con una tensión de 5V, inferior a la que se necesita en los terminales de control del interruptor IGBT, por lo tanto, para llegar a estos niveles de tensión y poder controlar el componente principal del dispositivo interruptor 6, se tiene que hacer uso de un convertidor CC-CC 22. Los convertidores CC-CC son unos dispositivos que convierten una fuente de continua en otra fuente de continua de diferente nivel de tensión, por lo tanto, a efectos podría considerarse como un transformador en corriente alterna ya que se utilizan para subir o bajar el voltaje. Existen diferentes tipologías de convertidores CC-CC según eleven o reduzcan la tensión con respecto a la de su entrada, por ejemplo, existen reductores, elevadores, reductor-elevador. En este diseño particular se hace uso de un convertidor elevador, o también conocido como “step up” o “Boost’, que se encargará de elevar la tensión desde los 5V que proporciona la salida del microcontrolador 20 hasta los 15 V que se precisan en los terminales de control del IGBT 23. El convertidor CC/CC 22 utilizado permite una tensión de entrada y de salida de, respectivamente: Vⁱⁿ e {3,5 - 12} V y V^out e {1.2 - 24 } V.

Circuito snubber (24)

Una red "snubber” es un conjunto de componentes pasivos y/o activos que se incorporan en un circuito de electrónica de potencia para la protección de los dispositivos de conmutación. El objetivo principal de este tipo de circuitos es el de absorber la energía de los elementos reactivos del circuito durante los procesos de conmutación, controlando parámetros como la amortiguación de las oscilaciones transitorias, control en los cambios de tensión o intensidad y la protección contra sobretensiones, de esta manera se incrementa la fiabilidad de los semiconductores al reducirse la degradación que sufren debido a los aumentos de potencia disipada y de la temperatura de la unión del semiconductor. El correcto diseño y dimensionamiento de este circuito mejoran el rendimiento de los transistores, la eficiencia y reducen las interferencias EMI. También posibilitan el funcionamiento en frecuencias de conmutación mayores y reducen la disipación de potencia. Existen varias configuraciones para los circuitos "snubber”, por ejemplo, un circuito RCD (resistencia, condensador, diodo), o RC (resistencia, condensador), entre otros. En una realización de la invención, los valores de capacidad y resistencia para el circuito RC se sobredimensionan para mayor seguridad. A modo de ejemplo, estos valores asignados para el conjunto de condensador (25) y resistencia (26) en paralelo con el IGBT son Csnubber = 1 y.F y Rsnubber = 150 ü.

Si se desea reducir las pérdidas o ajustar la amplitud de la oscilación, lo mejor es cambiar el valor de Csnubber (25). Se puede usar un valor menor para tener menores pérdidas, pero se tendrá un valor mayor de oscilación. O se puede usar un valor mayor de Csnubber para obtener menor oscilación, pero con más pérdidas en Rsnubber (26). Usando un valor de Rsnubber entre la mitad o el doble del valor calculado, en la mayoría de los casos se mantiene una excelente amortiguación. El uso de estos circuitos "snubber1’ es fundamental para solventar los problemas de resonancia y cumplir con los límites de emisiones establecidos por las normas. Este tipo de circuitos aparentemente puede parecer que no hacen nada pero un buen dimensionado de ellos contribuye en la reducción de las EMI de conmutación en las fuentes de alimentación o en los convertidores de potencia.

Batería solar de alimentación

La alimentación del dispositivo interruptor de la presente invención puede realizarse, como se ha descrito anteriormente, de dos formas diferentes, bien a través de un ordenador o bien a través de una batería de alimentación externa. Ambas alimentaciones se realizan a través de un cable USB que se conecta a un puerto hembra empotrado y estanco instalado en uno de los laterales de la caja envolvente del dispositivo. Lo más cómodo es realizarla a través de una batería externa porque no exige tener el dispositivo cerca físicamente del ordenador encargado del posterior procesado de imágenes. En este caso, la batería que se utiliza en una de las realizaciones es de gran capacidad, concretamente 26800 mAh, para poder realizar medidas de electroluminiscencia durante más de una jornada laboral y sin tener que parar a cargarla. Adicionalmente la batería cuenta con unas pequeñas células solares que ayudan a que la descarga de la batería sea más lenta y por lo tanto una autonomía mayor.

A partir de la información de variación de luminiscencia, el panel fotovoltaico queda caracterizado completamente y puede conocerse su estado e identificar cualquier malfuncionamiento en él. Por un lado, la intensidad relativa de la señal está asociada directamente con el estado del panel, en la medida en que cuanto más "luminosa” resulta la imagen, más luminiscencia se está emitiendo y mejor es el estado del panel. Además, se pueden observar zonas en las que hay variaciones de la señal emitida que se corresponden con diferentes tipos de defectos como roturas, zonas aisladas eléctricamente y otros, que pueden aparecer en los paneles solares.

En la presente descripción, el término conectar, aplicado a la interconexión de elementos, se entenderá como que dos elementos se encuentran conectados directamente o se encuentran conectados a través de otros elementos intermedios.

La presente invención no debe verse limitada a la forma de realización aquí descrita. Otras configuraciones pueden ser realizadas por los expertos en la materia a la vista de la presente descripción. En consecuencia, el ámbito de la invención queda definido por las siguientes reivindicaciones.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Sistema de inspección de módulos fotovoltaicos, donde el sistema está caracterizado por que comprende:

- una fuente de alimentación (7) conectable a un módulo fotovoltaico mediante un circuito de alimentación, configurada para inyectar una corriente que lleva el módulo fotovoltaico (9) a un estado polarizado;

- unos medios de control de corriente (6) de la fuente de alimentación (7), que comprenden:

- un relé de estado sólido (21), conmutable entre un estado de conducción y un estado de corte;

- un microcontrolador (20) configurado para recibir órdenes de conmutación desde un ordenador remoto y enviar las órdenes de conmutación recibidas al relé de estado sólido;

- un convertidor elevador de corriente continua (22), conectado a una salida del relé de estado sólido, configurado para, cuando el relé conmuta a estado de conducción, elevar una tensión de entrada hasta al menos una tensión umbral; y - un interruptor electrónico de alta potencia (23), dispuesto a la salida del convertidor elevador, configurado para conmutar entre un estado de conducción que cierra el circuito de alimentación cuando recibe una tensión de puerta igual o superior a la tensión umbral y un estado de corte que abre el circuito de alimentación cuando recibe una tensión de puerta inferior a la tensión umbral; y - unos medios de medida de electroluminiscencia, configurados para detectar una variación de electroluminiscencia (8) emitida por el módulo fotovoltaico, como resultado del estado polarizado causado por la corriente inyectada por la fuente de alimentación cuando los medios de control de corriente cierran el circuito de alimentación, mediante el interruptor electrónico de alta potencia; y determinar un estado de funcionamiento del módulo fotovoltaico basado en la variación de electroluminiscencia obtenida.

2. Sistema de acuerdo a la reivindicación 1 donde los medios de control de corriente además comprenden un circuito amortiguado Snubber (24) que comprende un conjunto serie de condensador y resistencia conectado en paralelo con el interruptor electrónico de alta potencia.

3. Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde los medios de medida de electroluminiscencia comprenden un filtro (3), una cámara (4) de sensor InGaAs sensible al infrarrojo cercano y un ordenador (5) con software de procesado de imágenes de electroluminiscencia.

4. Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde los medios de control de corriente además comprenden un módulo de comunicaciones inalámbricas de bajo consumo interconectado con el microcontrolador, donde el módulo de comunicaciones inalámbricas es un módulo ZIGBEE.

5. Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde el interruptor electrónico de alta potencia es un transistor IGBT.

6. Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores que además comprende una batería solar conectable al microcontrolador y al convertidor elevador para proporcionar alimentación a 5V.

7. Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores que además comprende una carcasa envolvente, que aloja los medios de control de corriente (6) de la fuente de alimentación, donde la carcasa envolvente dispone de al menos una rejilla de ventilación y un pasamuros USB para la alimentación.

8. Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde los medios de control de corriente (6) además comprenden dos ventiladores de refrigeración.

9. Sistema de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones anteriores donde los medios de control de corriente (6) además comprenden un radiador sobredimensionado para compensar el aumento de temperatura que causa la potencia disipada por el interruptor electrónico en el estado de conducción.