An On-Line Low-Cost Irradiance Monitoring Network with Sub-Second Sampling Adapted to Small-Scale PV Systems

Abstract

Las predicciones solares a muy corto plazo están ganando interés para su aplicación en el control en tiempo real de sistemas fotovoltaicos. Estas predicciones están íntimamente relacionadas con el movimiento de las nubes que produce variaciones del campo de irradiancia en escalas de segundos y metros, por lo que tienen un impacto particular en los sistemas fotovoltaicos pequeños. Los modelos de predicción a muy corto plazo deben respaldarse con información actualizada del campo de irradiancia local, y las redes de sensores solares se están posicionando como la forma más directa de obtener estos datos. El desarrollo de redes de sensores solares adaptadas a sistemas de pequeña escala como microrredes está sujeto a requisitos específicos: alta frecuencia de actualización, alta densidad de puntos de medición y baja inversión. Este artículo propone una red de sensores inalámbricos capaz de proporcionar instantáneas del campo de irradiancia con una frecuencia de actualización de 2 Hz. La red comprende 16 nodos distribuidos regularmente en un área de 15 m X 15 m (4 nodos X 4 nodos, distancia mínima entre sensores de 5 m). Los valores de irradiancia se estimaron a partir de mediciones de iluminancia adquiridas por luxómetros en los nodos de la red. Las irradiancias estimadas se validaron con medidas de un piranómetro patrón secundario obteniéndose un error absoluto medio de 24,4 W/m2 y una desviación típica de 36,1 W/m2. La red fue capaz de capturar el movimiento de las nubes y las características principales del campo de irradiancia incluso con las reducidas dimensiones del área de monitoreo. Estos resultados y el bajo coste de los dispositivos de medida indican que este concepto de redes de sensores solares sería apropiado no sólo para plantas fotovoltaicas en el rango de MW, sino también para sistemas más pequeños como los instalados en microrredes.

Very short-term solar forecasts are gaining interest for their application on real-time control of photovoltaic systems. These forecasts are intimately related to the cloud motion that produce variations of the irradiance field on scales of seconds and meters, thus particularly impacting in small photovoltaic systems. Very short-term forecast models must be supported by updated information of the local irradiance field, and solar sensor networks are positioning as the more direct way to obtain these data. The development of solar sensor networks adapted to small-scale systems as microgrids is subject to specific requirements: high updating frequency, high density of measurement points and low investment. This paper proposes a wireless sensor network able to provide snapshots of the irradiance field with an updating frequency of 2 Hz. The network comprised 16 motes regularly distributed over an area of 15 m X 15 m (4 motes X 4 motes, minimum inter-sensor distance of 5 m). The irradiance values were estimated from illuminance measurements acquired by lux-meters in the network motes. The estimated irradiances were validated with measurements of a secondary standard pyranometer obtaining a mean absolute error of 24.4 W/m2 and a standard deviation of 36.1 W/m2. The network was able to capture the cloud motion and the main features of the irradiance field even with the reduced dimensions of the monitoring area. These results and the low-cost of the measurement devices indicate that this concept of solar sensor networks would be appropriate not only for photovoltaic plants in the range of MW, but also for smaller systems such as the ones installed in microgrids.