Estimación de los parámetros eléctricos en celdas solares empleando los modelos de uno, dos y tres diodos.

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Universidad Distrital Francisco José de Caldas

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Resumen

Accurately modeling photovoltaic (PV) systems is essential for performance optimization and reliability assessment in renewable energy applications. This study proposes a novel hybrid methodology for parameter estimation in single-, double-, and three-diode PV models, which combines the equilibrium optimization algorithm (EOA) with the Newton-Raphson method to solve the implicit model equations. This approach was implemented in Python and validated using experimental current-voltage (I-V) data from the Kyocera KC200GT solar module. The objective function aimed to minimize the root mean square error (RMSE) between simulated and measured curves, wherein current values were numerically computed via the Newton-Raphson method for each candidate solution. To evaluate the performance of the models, comparisons were carried out under standard testing conditions (STC) with an irradiance level of 1000 W/m2. The double-diode model reported the lowest RMSE value under these conditions (RMSE=0.0416 A), confirming its superior accuracy and adequate balance between complexity and performance. Additionally, two lower irradiance levels (800 W/m2 and 400 W/m2) were analyzed in order to assess the consistency of the estimated parameters, i.e., the series resistance Rs, shunt resistance Rsh, and ideality factors (n1, n2, n3). This extended analysis revealed that the Rsh parameter exhibits high variability in the three models, with STC showing the greatest deviation (63.28). This further supports the robustness of the proposed method, particularly in the case of the double-diode model. Overall, the hybrid EOA–Newton–Raphson strategy provides a reliable and flexible framework for nonlinear parameter identification in PV systems.

Descripción

Modelar con precisión los sistemas fotovoltaicos (PV) es fundamental para la optimización del rendimiento y la evaluación de la fiabilidad en aplicaciones de energía renovable. Este estudio propone una metodología híbrida novedosa para la estimación de parámetros en los modelos fotovoltaicos de uno, dos y tres diodos, que combina el algoritmo de optimización por equilibrio (EOA, por sus siglas en inglés) con el método de Newton-Raphson para resolver las ecuaciones implícitas del modelo. Este enfoque fue implementado en Python y validado utilizando datos experimentales de corriente–voltaje (I–V) del módulo solar Kyocera KC200GT. La función objetivo se definió para minimizar el error cuadrático medio (RMSE) entre las curvas simuladas y medidas, donde los valores de corriente fueron calculados numéricamente mediante el método de Newton-Raphson para cada solución candidata. Para evaluar el desempeño de los modelos, se realizaron comparaciones bajo condiciones estándar de prueba (STC) con un nivel de irradiancia de 1000 W/m². El modelo de dos diodos reportó el valor de RMSE más bajo bajo estas condiciones (RMSE = 0.0416 A), confirmando su mayor precisión y un equilibrio adecuado entre complejidad y rendimiento. Además, se analizaron dos niveles de irradiancia más bajos (800 W/m² y 400 W/m²) con el fin de evaluar la consistencia de los parámetros estimados, es decir, la resistencia serie Rs, la resistencia en derivación Rsh y los factores de idealidad (n1, n2, n3). Este análisis extendido reveló que el parámetro Rsh presenta una alta variabilidad en los tres modelos, siendo las condiciones STC las que muestran la mayor desviación (63.28). Esto respalda aún más la robustez del método propuesto, especialmente en el caso del modelo de dos diodos. En conjunto, la estrategia híbrida EOA–Newton–Raphson ofrece un marco confiable y flexible para la identificación no lineal de parámetros en sistemas fotovoltaicos.

Palabras clave

Optimización metaheurística, Estimación de parámetros, Modelado fotovoltaico, Programación en Python

Materias

Ingeniería Eléctrica -- Tesis y disertaciones académicas , Programación matemática , Células fotovoltaicas , Generación de energía fotovoltaica

Citación