Climate-Driven Performance Assessment and Loss Mechanisms of Utility- Scale Photovoltaic Systems

Resumen Técnico: Evaluación del Desempeño Impulsada por el Clima y Mecanismos de Pérdida de Sistemas Fotovoltaicos a Escala de Servicios Públicos

Planteamiento del Problema
Arabia Saudita posee recursos solares excepcionales, caracterizados por una alta Irradiancia Global Horizontal (GHI), lo que la convierte en un candidato ideal para el despliegue de sistemas fotovoltaicos (FV) a escala de servicios públicos. Sin embargo, la conversión de este recurso en electricidad no es lineal; está fuertemente influenciada por las condiciones climáticas y ambientales específicas del sitio. Si bien la alta irradiancia sugiere un alto potencial energético, las elevadas temperaturas ambiente, el polvo en suspensión (ensuciamiento o soiling) y la humedad costera pueden degradar significativamente la eficiencia de los módulos y el rendimiento de los inversores. La literatura existente suele centrarse en análisis de un solo sitio o sistemas a pequeña escala, dejando un vacío en la comprensión de cómo los sistemas FV a escala de servicios públicos se desempeñan a través de las diversas zonas climáticas de Arabia Saudita, específicamente el contraste entre los desiertos interiores, las regiones áridas calurosas y las zonas costeras húmedas. Este estudio aborda la necesidad de una evaluación sistemática y multisitio para cuantificar cómo las variaciones en la irradiancia, la temperatura y los factores ambientales se traducen en diferencias en los indicadores clave de desempeño, como el Ratio de Desempeño (PR) y el rendimiento específico.

Metodología
El estudio emplea un marco de evaluación híbrido para evaluar sistemas FV a escala de servicios públicos en tres regiones climáticas representativas de Arabia Saudita:

1. Qassim: Representando un clima de desierto interior.
2. Makkah: Representando un clima árido cálido.
3. Jazan: Representando un clima costero cálido y húmedo.

La metodología integra entradas climáticas derivadas de datos satelitales y meteorológicos a largo plazo de NASA POWER, Solargis y Meteonorm con simulaciones detalladas utilizando el software PVsyst. Se modeló una configuración de planta FV de referencia a escala de servicios públicos para cada sitio utilizando una lista de materiales (BOM) realista y especificaciones de inversores típicas de los grandes proyectos en la región. Para garantizar una comparación justa, la capacidad nominal de CC y la disposición del sistema se mantuvieron constantes en todos los sitios, mientras que las entradas climáticas variaron según las condiciones locales.

Los indicadores clave de desempeño incluyeron:

• Rendimiento Específico (Specific Yield): Producción anual de energía de CA normalizada por la capacidad instalada de CC (kWh/kWp).
• Ratio de Desempeño (PR): La relación entre la producción de energía real y la producción teórica bajo condiciones estándar.
• Análisis de Pérdidas: Un desglose de las pérdidas del sistema, incluyendo pérdidas térmicas, de ensuciamiento, ineficiencias del inversor y pérdidas eléctricas.

Se realizaron análisis de sensibilidad para cuantificar el impacto de la temperatura ambiente en el PR, la relación no lineal entre la GHI y el rendimiento energético, y la influencia de la relación CC/CA en el desempeño del sistema bajo diferentes condiciones climáticas.

Resultados Clave
El estudio revela que la alta irradiancia solar por sí sola no es un predictor suficiente de la generación de energía FV en entornos desérticos debido a los efectos contrapuestos de las pérdidas ambientales y las altas temperaturas de operación de los módulos.

• Rendimiento Específico: Los rendimientos específicos anuales variaron significativamente entre las ubicaciones, oscilando aproximadamente entre 1,650 y 2,050 kWh/kWp. El sitio del desierto interior (Qassim) logró el mayor rendimiento debido a la alta irradiancia constante, pero no siempre alcanzó los mayores rendimientos mensuales durante el pico del verano debido a las pérdidas térmicas.
• Ratio de Desempeño (PR): Los valores de PR anuales oscilaron entre 0.76 y 0.84. Los sitios de desierto interior y áridos cálidos (Qassim y Makkah) exhibieron valores de PR más bajos (0.76–0.81) en comparación con el sitio costero (Jazan, 0.78–0.84). Esto indica que el estrés térmico en las regiones desérticas reduce significativamente la eficiencia del sistema a pesar de la mayor disponibilidad de recursos.
• Mecanismos de Pérdida:
  • Pérdidas Térmicas: Dominantes en las regiones de desierto interior y áridas cálidas, representando el 7–13% del rendimiento energético anual. Estas pérdidas son impulsadas por las elevadas temperaturas ambiente y la alta irradiancia en el plano de la matriz.
  • Pérdidas por Ensuciamiento (Soiling): Más pronunciadas en el entorno húmedo costero (Jazan), con un rango de 3–8%, debido a los efectos combinados de la deposición de polvo y la adhesión de partículas potenciada por la humedad. Los sitios del interior experimentaron menores pérdidas por ensuciamiento (2–6%).
• Hallazgos de Sensibilidad:
  • Existe una clara correlación negativa entre la temperatura ambiente y el PR. El análisis indica que el PR disminuye aproximadamente un 0.35–0.45% por cada 1 °C de aumento en la temperatura ambiente.
  • La relación entre la GHI y el rendimiento energético es no lineal en entornos de alta GHI; los incrementos graduales en la irradiancia durante los meses pico de verano contribuyen menos al rendimiento neto debido a la degradación simultánea de la eficiencia inducida por la temperatura y el recorte (clipping) del inversor.

Significancia y Contribuciones
El artículo sostiene que su principal contribución es proporcionar una evaluación del desempeño comparativa y basada en el clima de los sistemas FV a escala de servicios públicos a través de distintas zonas climáticas de Arabia Saudita utilizando un marco de modelado consistente. El estudio demuestra que:

1. La Alta Irradiancia No es Suficiente: Depender únicamente de la intensidad del recurso solar para la predicción del rendimiento en climas desérticos conduce a una sobreestimación. Se deben integrar en las evaluaciones la dependencia de la temperatura en el desempeño de los módulos y los procesos de pérdida ambiental.
2. La Optimización Específica del Sitio es Crítica: Los mecanismos de pérdida dominantes difieren según la ubicación. Las regiones interiores requieren estrategias enfocadas en la gestión térmica (por ejemplo, optimización de las relaciones CC/CA, selección de inversores), mientras que las regiones costeras requieren estrategias mejoradas de mitigación de ensuciamiento y limpieza.
3. Mejora de la Fiabilidad de la Inversión: Al cuantificar los impactos específicos de la temperatura y el ensuciamiento, el estudio ofrece conocimientos específicos para cada clima que pueden reducir la incertidumbre en las evaluaciones tecnoeconómicas y mejorar la precisión de las predicciones de rendimiento para proyectos FV a escala de servicios públicos en climas desérticos de alta GHI.

El autor señala que, si bien el estudio se basa en simulaciones y datos satelitales, establece un marco comparativo robusto. Reconoce las limitaciones respecto a la falta de datos operativos SCADA a largo plazo para la validación directa y la exclusión de mecanismos de degradación a largo plazo como la Degradación Inducida por Potencial (PID), sugiriendo estos como áreas para futuras investigaciones.