Contribución al estudio de la temperatura de módulos FV de diferentes tecnologías en condiciones de sol real

La energía solar fotovoltaica ha adquirido en los últimos años una presencia cada vez mayor en el mercado mundial de producción energética y, para que realmente sea una forma de producción energética competitiva, es importante abaratar costes y poder tener una estimación fiel de la energía que se puede producir en una instalación fotovoltaica antes de su localización, para así poder tomar decisiones sobre la ubicación y aplicación de las tecnologías más adecuadas. Son varias las tecnologías presentes en el mercado fotovoltaico actual y de todas ellas, la de silicio policristalino es la que está más extendida, siendo sobre la que más se ha investigado y analizado su comportamiento. Actualmente existen nuevas tecnologías de módulos fotovoltaicos que están adquiriendo una cuota de mercado cada vez más significativa, entre las que destacan las de lámina delgada. Para poder realizar una estimación de la energía que puede producir un módulo, es de vital importancia conocer la temperatura de operación del mismo. Por ese motivo, en este trabajo se analiza la aplicabilidad de modelos de predicción de temperatura de operación de módulos existentes en la literatura a las nuevas tecnologías, se proponen nuevos modelos de predicción de temperatura y se utilizan en escalas temporales diferentes para poder comprobar la eficacia de los mismos. El estudio se realiza con módulos trabajando en condiciones de sol real, pues es así como funcionarán las instalaciones fotovoltaicas de producción energética. En este trabajo se ha comprobado que se obtienen mejores resultados en la predicción horaria de temperatura de operación de módulos que en la predicción de temperatura instantánea. También se ha comprobado que uno de los modelos propuestos, el de dos coeficientes, consigue resultados similares a otros modelos existentes previamente en la literatura, pese a la sencillez de cálculo del mismo. La aplicación de este modelo propuesto para la predicción de la producción energética podría ser de gran ayuda para una estimación fiel previa a la instalación de una planta fotovoltaica. El hecho de que sea aplicable a nuevas tecnologías fotovoltaicas de lámina delgada como el telururo de cadmio, el silicio amorfo y el tándem silicio amorfo y microcristalino es un valor añadido. Poder predecir con precisión la producción energética es lo que hará que la energía solar fotovoltaica se perfile como una energía competitiva, y adquiera una posición dominante entre las energías renovables.

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43 p.

Analisi di mercato per pannelli fotovoltaici e cogeneratori

L'analisi di questa tesi si basa sui dati ottenuti contattando direttamente le aziende produttrici e/o di progettazione e riguarda due settori energetici: la cogenerazione e il solare fotovoltaico. Nel primo si sono studiate 60 unità complete di cogenerazione il cui studio si è basato sulla costruzione di grafici che mettono in relazione le potenze uscenti con il prezzo. Si è mostrato così la forte presenza di un fenomeno di economia di scala e la diversa ripartizione della potenza prodotta. Per unità di piccola-media potenza predomina la produzione di energia termica, la quale diminuisce la sua quota percentuale all’aumentare della taglia. Nel settore del solare fotovoltaico l’analisi è stata più diversificata e articolata. Si sono analizzati 70 pannelli di cui 35 monocristallini, 14 europei e 21 asiatici, e 35 policristallini, 26 europei e 9 asiatici, per i quali si sono graficati gli andamenti di resa, potenza specifica e costo specifico. I pannelli monocristallini, intrinsecamente più efficienti grazie al maggior grado di purezza, presentano un andamento crescente dei costi piuttosto ripido anche se non proporzionale con l’aumento delle prestazioni. Tra i pannelli policristallini invece si evidenzia l’assenza di un andamento nettamente crescente delle prestazioni all’aumentare dei costi. Confrontando i moduli divisi in base alla macro-regione di produzione si nota che l’Asia produce i pannelli al Si monocristallino più efficienti e più costosi mentre pannelli al Si policristallino più economici, ma con prestazioni in linea con quelli europei.Con i dati raccolti si è potuta svolgere anche una ristretta analisi sui pannelli al film sottile. Quelli che utilizzano il Si amorfo presentano prestazioni così basse da non permettere loro una vera affermazione sul mercato. Quest’ultima si presume che sarà invece possibile per pannelli basati su diversi materiali semiconduttori che presentano buoni livelli di prestazioni, ma prezzi ancora troppo elevati.

Switching Patterns and Steady-State Analysis of Grid-Connected and Stand-Alone Single-Stage Boost-Inverters for PV Applications

Renewable or sustainable energy (SE) sources have attracted the attention of many countries because the power generated is environmentally friendly, and the sources are not subject to the instability of price and availability. This dissertation presents new trends in the DC-AC converters (inverters) used in renewable energy sources, particularly for photovoltaic (PV) energy systems. A review of the existing technologies is performed for both single-phase and three-phase systems, and the pros and cons of the best candidates are investigated. In many modern energy conversion systems, a DC voltage, which is provided from a SE source or energy storage device, must be boosted and converted to an AC voltage with a fixed amplitude and frequency. A novel switching pattern based on the concept of the conventional space-vector pulse-width-modulated (SVPWM) technique is developed for single-stage, boost-inverters using the topology of current source inverters (CSI). The six main switching states, and two zeros, with three switches conducting at any given instant in conventional SVPWM techniques are modified herein into three charging states and six discharging states with only two switches conducting at any given instant. The charging states are necessary in order to boost the DC input voltage. It is demonstrated that the CSI topology in conjunction with the developed switching pattern is capable of providing the required residential AC voltage from a low DC voltage of one PV panel at its rated power for both linear and nonlinear loads. In a micro-grid, the active and reactive power control and consequently voltage regulation is one of the main requirements. Therefore, the capability of the single-stage boost-inverter in controlling the active power and providing the reactive power is investigated. It is demonstrated that the injected active and reactive power can be independently controlled through two modulation indices introduced in the proposed switching algorithm. The system is capable of injecting a desirable level of reactive power, while the maximum power point tracking (MPPT) dictates the desirable active power. The developed switching pattern is experimentally verified through a laboratory scaled three-phase 200W boost-inverter for both grid-connected and stand-alone cases and the results are presented.

Contributos para a certificação energética de edifícios de habitação e de serviços

Na União Europeia, os edifícios de habitação e de serviços apresentam elevados consumo energéticos. Para minimizar estes consumos a Comissão Europeia criou Diretivas, com a consequente transposição para a legislação nacional no âmbito da certificação energética de modo a classificar os edifícios em função do seu desempenho energético. No presente trabalho é realizado o estudo do desempenho energético e da classificação de uma fração destinada a habitação e de uma fração de serviços, tendo presente a análise de uma medida de melhoria baseada na microprodução de energia solar. É referida a evolução legislativa em que se inserem os certificados energéticos, referindo os aspetos a ter em conta na metodologia de cálculo do desempenho energético Faz-se uma descrição sucinta do levantamento e tratamento dos dados de cada imóvel assim como da introdução destes em folhas de cálculo, sendo ainda sugerido medidas de melhoria de modo a obter um melhor desempenho e consequentemente uma classificação superior. O certificado energético destes edifícios permite-nos ter uma classificação da sua prestação energética comparativamente com um edifício “similar” de referência. As medidas de melhoria aplicadas, nomeadamente adoção de um sistema solar térmico termossifão no edifício de habitação e de um sistema fotovoltaico para autoconsumo no edifício de serviços, a médio longo prazo, permitem uma redução de custos da energia. A análise de viabilidade da instalação do sistema fotovoltaico foi executada com recurso ao software Homer Energy. O edifício de habitação obteve uma classificação D e com a aplicação da medida de melhoria obteve uma classificação C, tendo-se obtido uma redução das necessidades anuais de energia primária de 41,8% e de emissões de GEE de 42,9%. O edifício de serviços obteve uma classificação B- e com a medida de melhoria aplicada a classificação manteve-se. No entanto, permite uma redução da fatura energética anual significativa, com uma redução de necessidades de energia primária de 47,8% e de emissão de GEE de 18,6%.

Advances in integration of photovoltaic power and energy production in practical systems

This thesis presents advances in integration of photovoltaic (PV) power and energy in practical systems, such as existing power plants in buildings or directly integrated in the public electrical grid. It starts by providing an analyze of the current state of PV power and some of its limitations. The work done in this thesis begins by providing a model to compute mutual shading in large PV plants, and after provides a study of the integration of a PV plant in a biogas power plant. The remainder sections focus on the work done for project PVCROPS, which consisted on the construction and operation of two prototypes composed of a PV system and a novel battery connected to a building and to the public electrical grid. These prototypes were then used to test energy management strategies and validate the suitability of the two advanced batteries (a lithium-ion battery and a vanadium redox ow battery) for households (BIPV) and PV plants. This thesis is divided in 7 chapters: Chapter 1 provides an introduction to explain and develop the main research questions studied for this thesis; Chapter 2 presents the development of a ray-tracing model to compute shading in large PV elds (with or without trackers); Chapter 3 shows the simulation of hybridizing a biogas plant with a PV plant, using biogas as energy storage; Chapters 4 and 5 present the construction, programming, and initial operation of both prototypes (Chapter 4), EMS testing oriented to BIPV systems (Chapter 5). Finally, Chapters 6 provides some future lines of investigation that can follow this thesis, and Chapter 7 shows a synopsis of the main conclusions of this work; Resumo: Avanços na integracão de potência fotovoltaica e producão de energia em sistemas práticos Esta tese apresenta avanços na integração de potência e energia fotovoltaica (PV) em sistemas práticos, tais como centrais existentes ou a rede eléctrica pública. Come ça por analisar o estado corrente do fotovoltaico no mundo e aborda algumas das suas limitações. O trabalho feito para esta tese de doutoramento começou pelo desenvolvimento de um modelo para calcular os sombreamentos que ocorrem em grandes campos fotovoltaicos, e depois apresenta um estudo sobre a integração um sistema fotovoltaico em uma central eléctrica a bióg as. As ultimas secções da tese focam-se no trabalho feito para o projecto PVCROPS, que consistiu na construção e operação de dois demonstratores, cada um formado por um sistema fotovoltaico e bateria conectados a um edíficio e a rede eléctrica pública. Estes protótipos foram posteriormente utilizados para testar estratégias de gestão de energia (EMS) e para validar a operação de duas baterias avançadas (bateria de Iões de Li tio e bateria de Fluxo Redox de Van adio) e a sua utiliza ção para habitações e centrais PV. A tese está dividida em 7 capitulos: O capitulo 1 apresenta uma introdução para explicar e desenvolver as principais questões que foram investigadas nesta tese; O capitulo 2 mostra o desenvolvimento de um modelo baseado em traçados de raios para calcular sombreamentos mútuos em grandes centrais PV (com e sem seguidores); O capitulo 3 mostra a simulação da hibridização de uma central electrica a biogas com uma central PV, e utilizando o biógas como armazenamento de energia. Os capitulos 4 e 5 apresentam a construção, programação e operação inicial dos dois demonstradores (Capitúlo 4), o teste de EMS orientadas para sistemas PV em habitações (Capítulo 5). Finalmente, o capítulo 6 sugere algumas futuras linhas de investigação que poderão seguir esta tese, e o Capítulo 7 faz uma sinopse das principais conclusões deste trabalho.

O PROCESSO DE OCUPAÇÃO DOS ESPAÇOS COSTEIROS DO EXTREMO SUL DE SANTA CATARINA, BRASIL

No litoral de Santa Catarina ocorrem ambientes naturais, diversificados e de extraordinária beleza, importante atrativo turístico e residencial. Com a expansão dos balneários, principalmente a partir da década de 1970, essas áreas vêm sofrendo profundas transformações em sua estrutura espacial, pela pressão antrópica, com a proliferação de ocupações irregulares. Este trabalho tem como propósito analisar a evolução temporal do uso e ocupação do solo e da problemática socioambiental dos municípios de Passo de Torres e Balneário Gaivota, localizados no extremo sul do Estado. A metodologia consistiu na análise de fotografias aéreas do ano de 1966 e imagens atuais de satélites, trabalhos de campo, pesquisa bibliográfica e uso de técnicas aplicadas aos Sistemas de Informações Geográficas. Este estudo de uso e ocupação do solo fornece subsídios para o ordenamento territorial nos espaços costeiros e contribui para a compreensão da formação sócio-espacial regional da zona costeira do Brasil meridional.

A PERCEPÇÃO AMBIENTAL COMO INSTRUMENTO DE ANÁLISE DA QUALIDADE AMBIENTAL: ESTUDO DE CASO NO LITORAL SUL DE SANTA CATARINA, BRASIL

Esta pesquisa aborda a importância do uso da percepção ambiental como instrumento de análise da qualidade ambiental de áreas costeiras. Foi realizado um estudo de caso nos municípios do entorno da lagoa de Sombrio, localizados no extremo Sul do Estado de Santa Catarina, Brasil, com o objetivo de subsidiar os resultados parciais do diagnóstico socioambiental do setor Sul do litoral do Estado. Os instrumentos metodológicos utilizados no período de setembro de 2008 a setembro de 2010 foram: levantamento bibliográfico e documental; observação in loco e realização de entrevistas com aplicação de questionários estruturados. Entre os principais resultados foi constatado conflito de uso e ocupação territorial, entre os quais se destacam a: destruição de dunas frontais e de campos de dunas pela retirada ilegal de areia; implantação de loteamentos e assentamentos irregulares; prática de agricultura no entorno da lagoa; poluição de rios e lagoas por esgoto e agrotóxicos. A percepção dos atores sociais entrevistados indica a inexistência de infraestrutura de saneamento básico na maioria dos bairros dos municípios, o que aponta para a importância e valorização da gestão ambiental na administração pública, a fim de contribuir para a melhoria da qualidade de vida aos munícipes.