QPV presenta en el EU PVSEC 2021 un estudio sobre sistema de riego fotovoltaico

07-09-2021

QPV y el Instituto de Energía Solar, de la Universidad Politécnica de Madrid, han realizado un estudio sobre 2 años de operación de un sistema de riego fotovoltaico de alta potencia sin batería situado en Aldeanueva de Ebro, La Rioja. El diseño de estos sistemas fotovoltaicos aún no ha alcanzado la madurez y no hay datos experimentales disponibles sobre su rendimiento o su comportamiento frente a las fluctuaciones de la energía fotovoltaica. Este hecho hace de gran interés los estudios experimentales de instalaciones reales. Este trabajo ha sido presentado en las conferencias EU PVSEC 2021 que este año se relizan de forma telemática.


Aldeanueva riego foto aerea

El artículo presentado incorpora la definición de nuevos índices utilizados para evaluar tanto la robustez del sistema a las fluctuaciones de energía fotovoltaica (el "Número de paradas abruptas" y el "Índice de resistencia paso de nube") como el rendimiento (factorizando el PR tradicional para determinar la influencia de diferentes factores externos al sistema). Además, presenta los valores experimentales para un sistema de riego fotovoltaico (PVIS: photovoltaic irrigation system) de bombeo a balsa de 213 kWp sin baterías.

El PVIS estudiado está formado por un generador FV de 213 kWp conectado a dos variadores de frecuencia (FCs: frequency converters) de 110 kW, cada uno de los cuales alimenta a una bomba de 75 kW. Estas bombean agua del canal de Lodosa a una balsa situada a una altura manométrica total de 225 m. El PVIS se controla por medio de un PLC que estima la potencia FV disponible y arranca o para los variadores. Cuando se pone en marcha un variador la bomba a la que alimenta comienza a bombear.


Aldeanueva riego esquema

El primer dato relevante que se utiliza para evaluar el sistema de riego FV es el número de paradas abruptas del mismo. Una parada abrupta es una parada repentina e incontrolada de un variador que habitualmente es provocada por una intermitencia rápida de la potencia FV o una inestabilidad en el sistema de control debida a un mal funcionamiento del mismo. Las paradas abruptas provocan golpes de ariete y sobretensiones que amenazan seriamente la integridad de la parte hidráulica y eléctrica del sistema.

El segundo índice que evalúa la calidad del PVIS es el índice de resistencia a paso de nube. Un paso de nube es una fluctuación de la potencia FV, habitualmente debida al paso de una nube sobre el generador FV que lo sombrea total o parcialmente, que puede ser resistida o provocar la parada abrupta del sistema. El índice de resistencia a paso de nube es la razón del número de pasos de nube resistidos respecto al número total de pasos de nube soportados por el sistema.

Por último, para analizar el rendimiento global de un sistema FV se utiliza el performance ratio (PR). Debido a las particularidades de los sistemas de riego FV de alta potencia, es interesante distinguir entre las pérdidas del PR debidas a tres motivos distintos: el periodo de no riego, asociado a las necesidades de agua del cultivo; las características intrínsecas del diseño del sistema FV; y circunstancias externas al sistema, como los hábitos de la comunidad de regantes o la distinta pluviosidad a lo largo del tiempo, que también pueden afectar al PR. Teniéndolas en cuenta, el PR puede expresarse como el producto de 4 factores distintos:

  • PRPV: es el PR considerando solo las pérdidas estrictamente relacionadas con el sistema FV en sí.
  • URIP: ratio de uso relacionada con el periodo de riego.
  • URPVIS: ratio de uso relacionada con el diseño del PVIS: tipo de sistema de riego, relación entre la potencia FV pico y la potencia FV necesaria para el riego, el tipo de seguimiento del generador FV y la exactitud en el ajuste de los algoritmos de control del PLC.
  • UREF: ratio de uso relacionada con las decisiones tomadas por la comunidad de regantes.

El estudio se realiza a lo largo de dos años de funcionamiento real del sistema. El porcentaje de paradas abruptas y el índice de resistencia a paso de nube, tras una adecuada sintonización del sistema, alcanzaron valores del 1,3% y 99,8%, respectivamente. Para calcular el índice de resistencia a paso de nube, el estudio considera nubes asociadas a caídas de la irradiancia de un 50% que generan una caída de la potencia del 40% en 3 o 4 segundos. Este criterio se establece tras analizar las nubes existentes a lo largo de tres meses y descubrir que el 97,3% de ellas se asociaban a caídas de irradiancia del 50% o menos y que la mayor frecuencia de este tipo de nubes se daba para aquellas que provocaban una fluctuación de la potencia de 3 o 4 segundos de duración.

El valor del PR durante el primer año fue del 60,0% y del 46,8% durante el segundo. Para entender los valores obtenidos se deben analizar los valores de PRPV, URIP, URPVIS y UREF. Los valores de PRPV son similares a los valores esperados del PR para sistemas FV conectados a la red (>80%). El valor del URIP es del 100% o muy cercano cuando el periodo de riego se extiende a la mayor parte del año, pero desciende considerablemente cuando el periodo de riego es más corto. Los valores de URPVIS, a los que más afectan las condiciones climáticas y las paradas de los variadores, están por encima del 70,0% y mejoran el segundo año. Los valores de UREF son muy cercanos al 100%.

Como conclusión, se puede afirmar que en el caso de sistemas de riego FV de alta potencia, sin baterías y de bombeo a balsa:

  • Se puede exigir un valor del 95% para el índice de resistencia a paso de nube.
  • El PR esperado en sistemas de buena calidad es del 65%. Los valores esperados para los distintos factores son: PRPV > 80%, similar al valor esperado en sistemas FV conectados a red; URIP≈100% si las necesidades de riego del cultivo se extienden a la mayor parte del año y/o si el dimensionamiento de la balsa y del generador FV son los adecuados; URPVIS > 85% cuando se ajustan adecuadamente la potencia FV pico a la potencia FV necesaria para el riego y los algoritmos de control del PLC y la sintonización de los variadores de frecuencia es la correcta; y UREF≈100% si el usuario final hace un uso adecuado del sistema.