Influencia de los factores que explican las ganancias de energía de los paneles bifaciales.

REVISTA CIENTÍFICO - EDUCACIONAL DE LA PROVINCIA GRANMA.

RPNS: 2090 │ ISSN: 2074-0735

VOLUMEN 17 (2021)

Número 2 (abril-junio)

Luis Gutiérrez Urdaneta. [urdaneta@emfre.une.cu] 

Empresa de Fuentes Renovables de Energía. La Habana, Cuba.

Lenyer Padrón Suárez. [lenyer@emfre.une.cu] 

Especialista de Protecciones.

Empresa de Fuentes Renovables de Energía. La Habana, Cuba.

Resumen

La introducción de paneles bifaciales en la generación a gran escala es relativamente reciente en el mundo. En los estudios realizados en otros países, tanto por académicos como por fabricantes, se listan varios factores que influyen en la radiación que llega al reverso del panel: el albedo, la elevación del módulo, la distancia entre filas o seguidores, la estructura de montaje del módulo en el reverso y otros. Los autores realizaron 321 simulaciones de tres sitios con diferentes latitudes, usando el sistema de ángulo fijo (SAF) y el de seguimiento sobre un eje horizontal (HSAT), y obtuvieron seis ecuaciones de regresión lineal múltiple. A partir de ellas se cuantificó la influencia de los principales factores que afectan la generación en los sistemas SAF y HSAT con paneles bifaciales. Los coeficientes hallados para los diferentes factores podrían ser útiles para futuros proyectos en Cuba.

Introducción

Los módulos bifaciales pueden aumentar la generación con relación a los monofaciales. El abaratamiento en su producción ha determinado que su proporción en el mercado mundial de paneles haya crecido desde 2018. Aunque se han llevado a cabo varios estudios teóricos y prácticos a partir de resultados empíricos a nivel internacional, lo cierto es que, por la complejidad de los factores que inciden en las ganancias de energía de los módulos bifaciales, así como por lo reciente de su introducción, son necesarias más investigaciones, fundamentalmente en parques fotovoltaicos de gran escala. Para Cuba, este tema es relativamente nuevo. El objetivo del presente artículo ha sido medir la influencia marginal de los factores que explican las ganancias de energía de los paneles bifaciales en sitios con diferentes niveles de radiación y latitud, de manera que sus resultados sean de utilidad para la futura introducción de esta tecnología en Cuba y la toma de decisiones para su microlocalización, en función de las características de cada localidad.

Población y muestra

Se revisó la literatura internacional sobre los factores que influyen en las ganancias de radiación y generación de los paneles bifaciales. Se utilizaron las bases de datos meteorológicos del Centro de Física de la Atmósfera de tres sitios diferentes. Fueron realizadas 321 simulaciones mediante un reconocido software (PVsystem, 2019) tanto para SAF como HSAT, y se obtuvieron las ecuaciones de regresión que permitieron determinar las contribuciones marginales de dichos factores para los sitios con ambas tecnologías.

Sitios y bases de datos meteorológicos del Centro de Física de la Atmósfera.

Se seleccionaron dos sitios en latitudes extremas de Cuba y uno en la latitud media (figura 1). Los datos mensuales promedio de radiación global horizontal y de la temperatura en el día, según la latitud y longitud de cada ubicación en Cuba, se obtuvieron del libro en Excel “Interp” (tabla 1), uno de los resultados del proyecto “Determinación de la distribución de radiación solar sobre el territorio nacional partiendo de la información que brinda la red heliográfica”, del Centro de Física de la Atmósfera, del Instituto de Meteorología (Bárcenas, 2013).

Figura 1. Sitios seleccionados

Yusufoglua, Leea y Pletzer (2014) realizaron un ensayo con un módulo inclinado (SAF) hacia el Sur en Oslo (latitud 600) y el Cairo (latitud 30.10) y concluyen que con una elevación (distancia desde suelo al borde más bajo del módulo) de 2 metros, en ambas ciudades el ángulo óptimo de los paneles bifaciales es ligeramente superior al de los monofaciales con un valor de albedo de 0,2. Sin embargo, cuando el nivel de albedo aumenta a 0,5 esta diferencia entre ángulos óptimos se reduce notablemente. Además, con el ángulo óptimo y diferentes albedos, observan que en el Cairo la producción de energía es más sensible a la elevación. Un aumento del albedo aumenta las ganancias de energía en ambas latitudes.

El fabricante de módulos LG Electronics (2018) menciona los factores que afectan la generación bifacial en SAF: el albedo, la elevación, la distancia entre el inicio de la primera fila y el de la siguiente (en lo adelante, distancia entre filas), el sombreado por la estructura de montaje del módulo y el número de filas (a menor número de filas mayor ganancia de energía). Realiza simulaciones con PVsyst de seis sitios con SAF y con seguimiento sobre un eje SAT. Utiliza sólo como variables el albedo (el albedo se representa como fracción o como porcentaje) y la elevación o la altura del eje. Estas simulaciones se realizaron con combinaciones de albedos (15%, 30%, 50%, 70% y 85%) y elevaciones (0,3 m, 0,5 m, 0,8 m, 1 m y 1,5 m) para SAF y alturas de eje desde el suelo (1 m, 1,5 m, 2 m, 2,5 m y 3 m) para SAT.

Sun, Ryyan, Deline y Alam (2017) introducen otro elemento que es el azimut en el caso de los SAF bifaciales. De acuerdo a sus conclusiones, derivadas de simulaciones, cuando la latitud del sitio es menor que la latitud Latcri la orientación Este-Oeste produce mayor electricidad bajo las premisas de ausencia de sombreado por objetos cercanos e infinito tamaño del terreno. Los autores advierten, no obstante, que las ecuaciones de regresión halladas son para condiciones ideales, y que los resultados pueden cambiar con las condiciones prácticas

Stein J.S., Riley D., Lave1 M., Hansen C., Deline C. y Toor F. (2017) luego de realizar pruebas de campo con pequeños sistemas SAF, concluyen que la producción total de energía parece maximizarse, cuando la orientación de los paneles bifaciales es la misma que la de los monofaciales.

Guerrero-Pérez y Chaouki-Almagro (2018) definen que los principales factores que inciden en las ganancias bifaciales en los sistemas con seguimiento son el albedo, la distancia entre ejes, la altura del eje y la estructura de montaje del módulo. Refieren que, durante septiembre, octubre y noviembre de 2018 en las instalaciones de BITEC (Bifacial Tracker Evaluation Center, Estados Unidos) se midió el albedo para tres tipos de superficies: suelo estacional, grava y una cubierta blanca. Se midió la producción de energía de dos módulos bifaciales Jolywood JW-D72N-355 ubicados en un rastreador bifacial para cada condición de albedo con una distancia entre ejes de 10 metros. La ganancia bifacial toma como referente la producción de los módulos monofaciales. La ganancia de energía estimada fue de 7,9% en la hierba, del 11,9% en la gravilla y del 19,2% en la cubierta blanca.

Guari (2019), calculó la contribución porcentual de los factores más importantes que impactan en las ganancias de energía para SAF con módulos bifaciales. Realizó simulaciones con PVsyst para un parque de 766 kWp en Alemania. Este es un enfoque importante pues tiene en cuenta la interdependencia que existe entre varios factores, y el análisis es más integral. Según su estudio, la contribución relativa de los factores fue: albedo (54,47%), inclinación (33,79%) y ratio de cobertura del suelo (14,07%). Sorprendentemente, la contribución de la elevación fue insignificante (0,67%). La medida de la contribución relativa mediante el análisis de varianza (ANOVA), aunque válida, tiene como principal limitación que depende de los rangos absolutos que se hayan tomado para las variaciones de cada uno de los factores en las simulaciones. No permite distinguir el signo de las contribuciones y, además, no permite realizar predicciones.

Castillo-Aguilella y P.S. Hauser (2016) desarrollaron un modelo empírico para SAF. Realizaron siete pruebas con bifaciales, una en Nueva York y seis en Arizona. Se tuvieron en cuenta tres factores: la elevación del módulo, el ángulo de inclinación y el albedo. Para cada una de estas variables, el rendimiento energético bifacial aumentó a medida que aumentaba cada una de las variables. Cinco de las condiciones experimentales presentadas funcionaron durante al menos un año y la de Nueva York durante 2,5 años. La siguiente ecuación se obtuvo mediante un algoritmo de mejor ajuste (best-fit).

𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐵ifi𝑐i𝑎𝑙 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦 𝑌i𝑒𝑙𝑑 (%) = 0,317 . 𝜃 + 12,145 . ℎ + 0,1414 . 𝛼 + 100% (2)

Where:

Total Bifacial Energy Yield (%): Total bifacial energy yield of the bifacial module, when compared to an equivalent STC rated monofacial one, θ: tilt angle (degrees), h: elevation (meters) and α: albedo (%)

Según estos autores, ese modelo podría utilizarse para la predicción en las siguientes condiciones: sistemas en los que la Razón Bifacial (BR) es mayor al 70%, la elevación mínima del módulo varía de 0,15 m a 0,8 m, el módulo, el ángulo de inclinación varía de 7,5° a 35°, en el que el albedo varía del 10% al 90%, en el que el rango de latitud es de 21 a 51°, y los sistemas que utilizan sistemas no híbridos de células bifaciales.

Casi todos los artículos revisados mencionan u ordenan algunos factores. Guari (2019), mide de forma integral las variaciones de energía debidas a varios factores, utilizando la varianza como criterio. Como se explicó anteriormente, este enfoque tiene algunas limitaciones. En el último artículo citado se desarrolló un modelo empírico para estimar la ganancia bifacial teniendo en cuenta el albedo, la elevación y el ángulo de inclinación. Este enfoque se acerca mucho más al método utilizado por los autores del presente trabajo, quienes han tratado de cuantificar la influencia marginal de los factores más importantes que explican las ganancias de energía de los módulos bifaciales en el rango de latitud cubana, tanto para SAF como HSAT, utilizando un modelo de regresión lineal múltiple.

Diseño del experimento: selección de sitios y rangos de factores.

El principal objetivo de este trabajo es la cuantificación de los factores que afectan la generación de energía en los sistemas SAF y HSAT con el uso de módulos bifaciales, o lo que es igual, la determinación de la sensibilidad de la generación de energía a los principales factores que la afectan. A continuación, se describen los detalles del diseño del experimento.

Sitios seleccionados

Se seleccionaron tres sitios en el occidente, en el centro y en el oriente, dos de ellos con latitudes extremas y uno en latitud media de Cuba.

Factores a evaluar para el sistema SAF:

· I: La inclinación de los módulos

· Nf: Número de filas

· Df: Distancia entre filas en metros

· E: Elevación del suelo de la parte más baja del módulo en metros

· Ra: Albedo en fracción

Estos son los símbolos que se utilizarán en el resto de este artículo. La energía producida por los SAF se denominará como Gsaf (en MWh).

Se utilizarán los siguientes rangos en la variación de los factores (tabla 2)

Para evaluar la orientación de los paneles y para calcular Lat0, se utiliza la ecuación (1) (tabla 3)

Aunque es cierto que con la reducción de la latitud, disminuye la diferencia relativa en la generación con la orientación Norte-Sur, con ésta la generación es mayor en los tres casos. De tal forma se tomará como referente un azimut de 00 para la realización de nuestro experimento.

Los rangos de la distancia entre filas, se calcularon con la aplicación “Distancia, filas y columnas”, disponible en la Empresa de Fuentes Renovables de Energía y desarrollada por los propios autores del presente texto (Gutiérrez y Padrón, 2020) (tabla 5)

A partir de esta información, se utilizará un rango de entre 4,9 y 6,7 metros para Df en las simulaciones.

Factores a evaluar para el sistema HSAT:

· Nc: Número de columnas de seguidores solares

· De: Distancia entre los ejes de los seguidores en paralelo n metros

· J: Elevación del eje desde el suelo del seguidor en metros

· Ra: Albedo en fracción

Estos también son los símbolos que se utilizarán en el resto de este artículo. La energía producida por los HSAT se denominará como Ghsat.

Se utilizarán los siguientes rangos en la variación de los factores (tabla 6)

Los rangos de la distancia entre los ejes de los seguidores en paralelo, se calcularon con la misma aplicación “Distancia, filas y columnas” (tabla 7).

A partir de esta información, se utilizará un rango de entre 4,6 y 5,8 metros en las simulaciones.

Diseño del experimento: parámetros tecnológicos para los SAF y HSAT

Para las simulaciones se utilizará el PVsyst V6.8.1. En los SAF, para conformar las cadenas se utilizarán 2 módulos LR6-60 BP 320 M Bifacial, de Longi Solar en columna en forma de “retrato”. El ancho de la banda receptora es de 3,37 m.

En los HSAT, para conformar las cadenas se utilizará 1 módulo LR6-60 BP 320 M Bifacial, de Longi Solar en fila en forma de “retrato”. El ancho de la banda receptora es de 1,66 m.

Tanto en SAF como en los HSAT no existen pérdidas menores por obstrucción de la luz en el reverso del panel debido a las estructuras de montaje. El perfil del horizonte será el propio de PVsyst. Las simulaciones en los tres sitios se realizarán con un parque de 1 000 kWp, y con 30 inversores (figura 2)

Diseño del experimento: muestras con valores de factores aleatorios.

Con vistas a lograr una valoración integral de la contribución marginal de cada factor a la generación en su interacción con los demás, se prepararon tablas para la generación de números aleatorios para cada uno de los factores listados en las tablas 5 y 6. Se tomaron las muestras resultantes y se introdujeron en PVsyst. En la tabla 8, a manera de ejemplo, se muestra una vista parcial de números aleatorios generados para SAF con límites. Para cada uno de los seis análisis de regresión se utilizaron diferentes series de números aleatorios

Los resultados de las regresiones lineales.

Se tomaron 50 o más muestras para cada sitio según el sistema SAF o HSAT. En total se realizaron 321 simulaciones, una por cada muestra, con un nivel de significación de 5%. En algunos casos hubo que realizar varias regresiones para eliminar las variables cuya relación con la energía no era estadísticamente significativa. Los resultados de las regresiones múltiples finales se muestran en las tablas 9 y 10.

Análisis de los resultados

Todas las regresiones realizadas arrojan un R2 de más del 99%. El error de estimación, en el peor de los casos, es de sólo 3,81 MWh. Se cumplen los siguientes supuestos del modelo de regresión lineal múltiple: homocedasticidad, normalidad en la distribución de las perturbaciones aleatorias; no se evidencia correlación de acuerdo a la prueba Durbin-Watson y no se revela colinealidad entre las variables. Las ecuaciones de regresión, a los efectos de predicción, son sólo válidas dentro de los rangos de las variables independientes (límites).

Las ecuaciones de regresión resultantes son las siguientes (tabla 11):

La derivada parcial de Gsaf o Ghsat con relación a cada factor, da como resultado el propio coeficiente asociado a cada uno, y se interpreta como la contribución marginal de cada factor a la generación.

Para los SAF:

· El factor que más contribuye marginalmente a la generación es el albedo, aún expresado en unidades diferentes a Df y E, debido a razones prácticas.

· El segundo factor es la elevación de los módulos.

· El tercero es la distancia entre filas.

· La inclinación solo contribuye marginalmente en Sancti Spíritus y Guantánamo, sitios de más baja latitud. Los coeficientes son de signo negativo y relativamente despreciables. No obstante, estos resultados hallados en conjunción con el resto de los factores, contradice en cierta medida la afirmación de otros estudios de que el ángulo óptimo para los bifaciales es ligeramente mayor que aquel para los monofaciales.

La contribución marginal promedio de los tres sitios de Df, E y Ra para los SAF se muestra a continuación (tabla 12)

De aquí que, como promedio, con un aumento del albedo en sólo 0,08 (8 %) debe esperarse un incremento aproximado de energía de 23 MWh. Para obtener esa misma ganancia de energía la elevación de los módulos debería aumentarse en 0,43 metros o ampliarse la distancia entre filas en 1,0 metros.

Para los HSAT:

· El factor que más contribuye marginalmente a la generación es el albedo, aún expresado en unidades diferentes a De y J, debido a razones prácticas.

· El segundo factor es la elevación del eje desde el suelo.

· El tercer factor es la distancia entre los ejes de los seguidores en paralelo.

· El número de columnas de seguidores solo contribuye marginalmente en Sancti Spíritus y Guantánamo, sitios de más baja latitud, en una magnitud relativamente pequeña.

La contribución marginal promedio de los tres sitios de Df, E y Ra para los HSAT se muestra a continuación (tabla 13)

Como media, con un aumento del albedo en 0,08 (8 %) la energía aumentaría de manera aproximada 36 MWh. Para obtener esa ganancia en generación debería aumentarse la elevación del eje en 0,8 metros o ampliarse la distancia entre los ejes de los seguidores en 1,1 metros.

Otras relaciones entre los coeficientes de regresión.

Además de las observaciones anteriormente adelantadas, las razones entre los diferentes coeficientes de regresión permiten adelantar otras (tabla 14)

· La contribución marginal del albedo (Ra) es mayor en la medida que la radiación global es superior en ambos sistemas.

· Las constantes (C SAF y C HSAT) son mayores en la medida que la radiación global es superior.

· Las contribuciones marginales de la elevación del módulo (E) y de la distancia entre filas (Df), son mayores en la medida que la radiación global es superior.

· La contribución marginal de la elevación del módulo (E) es superior a la contribución de la distancia entre filas (Df) en los SAF. Lo mismo ocurre con la elevación del eje (J) y la distancia entre ejes (De) en los HSAT.

· La contribución marginal de la elevación del módulo con relación a la contribución de la distancia entre filas en los SAF es mayor que la contribución marginal de la elevación del eje con relación a la contribución de la distancia entre ejes en los HSAT (E/Df versus J/De).

· La contribución marginal del albedo a las ganancias de energía es, como promedio, 1,55 veces superior en los HSAT con relación a los SAF (Ra HSAT/Ra SAF).

· La contribución de la elevación del eje en los HSAT es menor que la contribución de la elevación del módulo en los SAF (J HSAT/E SAF).

· La contribución de la distancia entre los ejes en los HSAT es mayor que la contribución de la distancia entre las filas en los SAF (De HSAT/Df SAF).

· Parece ser que, en la medida que baja la latitud:

- se reducen las razones (E/Df) en los SAF y (J/De) en los HSAT,

- se reducen las razones (J HSAT/E SAF) y

- aumentan las razones (De HSAT/Df SAF).

Conclusiones

1. Con este trabajo los autores han analizado la contribución marginal de cada factor asociado a las ganancias de energía por el uso de paneles bifaciales con las tecnologías SAF y HSAT. Uno de los hallazgos ha sido que, marginalmente, el albedo y la elevación del módulo o la elevación del eje, según la tecnología, son más importantes que la propia distancia entre filas o la distancia entre los ejes, según el sistema. De esta forma, ante limitaciones de espacio, pueden ser tomadas otras alternativas para elevar la generación.

2. Según se deriva también de este trabajo, las ganancias de energía debido a mayores niveles de radiación global horizontal y albedo, son muy superiores en la tecnología HSAT, de manera que se debería dar prioridad a su utilización en sitios con mayor albedo.

Reconocimientos

Los autores agradecen la colaboración del Máster en Estadística Luis Piña León, en la revisión, discusión y recomendaciones para la realización de las regresiones y el análisis estadístico.

Referencias Bibliográficas

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