Integración de sistemas fotovoltaicos en edificios de oficinas en bajas latitudes: estudio del balance energético aplicado a Brasil

La hipótesis que inspiró esta tesis sostiene que la integración de componentes fotovoltaicos en los cerramientos opacos y sombreamientos de huecos acristalados de edificios de oficinas en sitios ubicados en bajas latitudes, tomando como el ejemplo el caso concreto de Brasil, podría incrementar su eficiencia energética. Esta posibilidad se basa en el bloqueo de una parte significativa de la irradiación solar incidente en estos edificios, reduciendo así las cargas térmicas para la climatización y a la vez transformándola en energía eléctrica, a tal punto que se amortizan los costes de inversión en plazos aceptables a través de los ahorros en la demanda de energía. Para verificar esta hipótesis de partida se ha propuesto como objetivo general analizar la integración de elementos fotovoltaicos en cubiertas, muros opacos y sombreamiento de huecos acristalados desde la óptica del balance energético térmico y eléctrico. Inicialmente se presenta y analiza el estado del arte en los temas estudiados y la metodología de investigación, de carácter teórico basada en cálculos y simulaciones. A partir de un modelo tipo de edificio de oficinas situado en Brasil, se definen cuatro casos de estudio y una serie de parámetros, los cuales se analizan para siete latitudes ubicadas entre -1,4° y -30°, separadas las unas de las otras por aproximadamente 5°. Se presentan y discuten los resultados de más de 500 simulaciones para los siguientes conceptos: - recurso solar, desde la perspectiva de la disponibilidad de irradiación solar en distintas superficies de captación apropiadas para la integración de sistemas solares fotovoltaicos en edificaciones en bajas latitudes; - análisis de sombras, con objetivo de identificar los ángulos de sombras vertical (AVS) para protección de huecos acristalados en edificios de oficinas; - balance energético térmico, para identificar el efecto térmico del apantallamiento provocado por componentes fotovoltaicos en cubiertas, muros opacos y parasoles en ventanas en las cargas de refrigeración y consecuentemente en las demandas de energía eléctrica; - balance energético eléctrico, contrastando los resultados del balance térmico con la energía potencialmente generada en las envolventes arquitectónicas bajo estudio; - análisis económico, basado en un escenario de precios de la tecnología fotovoltaica de un mercado maduro y en la política de inyección a la red marcada por la actual normativa brasileña. Se han verificado los potenciales de ahorro económico que los sistemas activos fotovoltaicos podrían aportar, y asimismo se calculan diversos indicadores de rentabilidad financiera. En suma, esta investigación ha permitido extraer conclusiones que contribuyen al avance de la investigación y entender las condiciones que propician la viabilidad de la aplicación de componentes fotovoltaicas en las envolventes de edificios en Brasil, y hasta un cierto punto en otros países en latitudes equivalentes. ABSTRACT The hypothesis that inspired this thesis sustains that integration of photovoltaic components in the opaque envelope and shading elements of office buildings placed at low-latitude countries, using the specific case of Brazil, could increase its energy efficiency. This is possible because those components block a significant part of the incident solar irradiation, reducing its heating effect on the building and transforming its energy into electricity in such a way that the extra investments needed can be paid back in acceptable periods given the electricity bill savings they produce. In order to check this hypothesis, the main goal was to analyze the thermal and electrical performance of photovoltaic components integrated into roofs, opaque façades and window shadings. The first step is an introduction and discussion of the state of the art in the studied subjects, as well as the chosen methodology (which is theoretical), based on calculations and simulations. Starting from an office building located in Brazil, four case studies and their parameters are defined, and then analyzed, for seven cities located between latitudes -1.4° and -30°, with an approximate distance of 5° separating each one. Results of more than 500 simulations are presented and discussed for the following concepts: - Solar resource, from the perspective of irradiation availability on different surfaces for the integration of photovoltaic systems in buildings located at low latitudes; - Shading analysis, in order to determine the vertical shading angles (VSA) for protection of the glazed surfaces on office buildings; - Thermal energy balance, to identify the screening effect caused by photovoltaic components on roofs, opaque façades and window shadings on the cooling loads, and hence electricity demands; - Electric energy balance, comparing thermal energy balance with the energy potentially generated using the active skin of the buildings; - Economic analysis, based on a mature-market scenario and the current net metering rules established by the Brazilian government, to identify the potential savings these photovoltaic systems could deliver, as well as several indicators related to the return on the investment. In short, this research has led to conclusions that contribute to the further development of knowledge in this area and understanding of the conditions that favor the application of photovoltaic components in the envelope of office buildings in Brazil and, to a certain extent, in other countries at similar latitudes.

Contributions to uncertainty reduction in the estimation of PV plants performance

Esta tesis doctoral presenta un procedimiento integral de control de calidad en centrales fotovoltaicas, que comprende desde la fase inicial de estimación de las expectativas de producción hasta la vigilancia del funcionamiento de la instalación una vez en operación, y que permite reducir la incertidumbre asociada su comportamiento y aumentar su fiabilidad a largo plazo, optimizando su funcionamiento. La coyuntura de la tecnología fotovoltaica ha evolucionado enormemente en los últimos años, haciendo que las centrales fotovoltaicas sean capaces de producir energía a unos precios totalmente competitivos en relación con otras fuentes de energía. Esto hace que aumente la exigencia sobre el funcionamiento y la fiabilidad de estas instalaciones. Para cumplir con dicha exigencia, es necesaria la adecuación de los procedimientos de control de calidad aplicados, así como el desarrollo de nuevos métodos que deriven en un conocimiento más completo del estado de las centrales, y que permitan mantener la vigilancia sobre las mismas a lo largo del tiempo. Además, los ajustados márgenes de explotación actuales requieren que durante la fase de diseño se disponga de métodos de estimación de la producción que comporten la menor incertidumbre posible. La propuesta de control de calidad presentada en este trabajo parte de protocolos anteriores orientados a la fase de puesta en marcha de una instalación fotovoltaica, y las complementa con métodos aplicables a la fase de operación, prestando especial atención a los principales problemas que aparecen en las centrales a lo largo de su vida útil (puntos calientes, impacto de la suciedad, envejecimiento…). Además, incorpora un protocolo de vigilancia y análisis del funcionamiento de las instalaciones a partir de sus datos de monitorización, que incluye desde la comprobación de la validez de los propios datos registrados hasta la detección y el diagnóstico de fallos, y que permite un conocimiento automatizado y detallado de las plantas. Dicho procedimiento está orientado a facilitar las tareas de operación y mantenimiento, de manera que se garantice una alta disponibilidad de funcionamiento de la instalación. De vuelta a la fase inicial de cálculo de las expectativas de producción, se utilizan los datos registrados en las centrales para llevar a cabo una mejora de los métodos de estimación de la radiación, que es la componente que más incertidumbre añade al proceso de modelado. El desarrollo y la aplicación de este procedimiento de control de calidad se han llevado a cabo en 39 grandes centrales fotovoltaicas, que totalizan una potencia de 250 MW, distribuidas por varios países de Europa y América Latina. ABSTRACT This thesis presents a comprehensive quality control procedure to be applied in photovoltaic plants, which covers from the initial phase of energy production estimation to the monitoring of the installation performance, once it is in operation. This protocol allows reducing the uncertainty associated to the photovoltaic plants behaviour and increases their long term reliability, therefore optimizing their performance. The situation of photovoltaic technology has drastically evolved in recent years, making photovoltaic plants capable of producing energy at fully competitive prices, in relation to other energy sources. This fact increases the requirements on the performance and reliability of these facilities. To meet this demand, it is necessary to adapt the quality control procedures and to develop new methods able to provide a more complete knowledge of the state of health of the plants, and able to maintain surveillance on them over time. In addition, the current meagre margins in which these installations operate require procedures capable of estimating energy production with the lower possible uncertainty during the design phase. The quality control procedure presented in this work starts from previous protocols oriented to the commissioning phase of a photovoltaic system, and complete them with procedures for the operation phase, paying particular attention to the major problems that arise in photovoltaic plants during their lifetime (hot spots, dust impact, ageing...). It also incorporates a protocol to control and analyse the installation performance directly from its monitoring data, which comprises from checking the validity of the recorded data itself to the detection and diagnosis of failures, and which allows an automated and detailed knowledge of the PV plant performance that can be oriented to facilitate the operation and maintenance of the installation, so as to ensure a high operation availability of the system. Back to the initial stage of calculating production expectations, the data recorded in the photovoltaic plants is used to improved methods for estimating the incident irradiation, which is the component that adds more uncertainty to the modelling process. The development and implementation of the presented quality control procedure has been carried out in 39 large photovoltaic plants, with a total power of 250 MW, located in different European and Latin-American countries.

Multiphase Design and Control Techniques Applied to a Forward Micro-Inverter

En la última década la potencia instalada de energía solar fotovoltaica ha crecido una media de un 49% anual y se espera que alcance el 16%del consumo energético mundial en el año 2050. La mayor parte de estas instalaciones se corresponden con sistemas conectados a la red eléctrica y un amplio porcentaje de ellas son instalaciones domésticas o en edificios. En el mercado ya existen diferentes arquitecturas para este tipo de instalaciones, entre las que se encuentras los módulos AC. Un módulo AC consiste en un inversor, también conocido como micro-inversor, que se monta en la parte trasera de un panel o módulo fotovoltaico. Esta tecnología ofrece modularidad, redundancia y la extracción de la máxima potencia de cada panel solar de la instalación. Además, la expansión de esta tecnología posibilitará una reducción de costes asociados a las economías de escala y a la posibilidad de que el propio usuario pueda componer su propio sistema. Sin embargo, el micro-inversor debe ser capaz de proporcionar una ganancia de tensión adecuada para conectar el panel solar directamente a la red, mientras mantiene un rendimiento aceptable en un amplio rango de potencias. Asimismo, los estándares de conexión a red deber ser satisfechos y el tamaño y el tiempo de vida del micro-inversor son factores que han de tenerse siempre en cuenta. En esta tesis se propone un micro-inversor derivado de la topología “forward” controlado en el límite entre los modos de conducción continuo y discontinuo (BCM por sus siglas en inglés). El transformador de la topología propuesta mantiene la misma estructura que en el convertidor “forward” clásico y la utilización de interruptores bidireccionales en el secundario permite la conexión directa del inversor a la red. Asimismo el método de control elegido permite obtener factor de potencia cercano a la unidad con una implementación sencilla. En la tesis se presenta el principio de funcionamiento y los principales aspectos del diseño del micro-inversor propuesto. Con la idea de mantener una solución sencilla y de bajo coste, se ha seleccionado un controlador analógico que está originalmente pensado para controlar un corrector del factor de potencia en el mismo modo de conducción que el micro-inversor “forward”. La tesis presenta las principales modificaciones necesarias, con especial atención a la detección del cruce por cero de la corriente (ZCD por sus siglas en inglés) y la compatibilidad del controlador con la inclusión de un algoritmo de búsqueda del punto de máxima potencia (MPPT por sus siglas en inglés). Los resultados experimentales muestran las limitaciones de la implementación elegida e identifican al transformador como el principal contribuyente a las pérdidas del micro-inversor. El principal objetivo de esta tesis es contribuir a la aplicación de técnicas de control y diseño de sistemas multifase en micro-inversores fotovoltaicos. En esta tesis se van a considerar dos configuraciones multifase diferentes aplicadas al micro-inversor “forward” propuesto. La primera consiste en una variación con conexión paralelo-serie que permite la utilización de transformadores con una relación de vueltas baja, y por tanto bien acoplados, para conseguir una ganancia de tensión adecuada con un mejor rendimiento. Esta configuración emplea el mismo control BCM cuando la potencia extraída del panel solar es máxima. Este método de control implica que la frecuencia de conmutación se incrementa considerablemente cuando la potencia decrece, lo que compromete el rendimiento. Por lo tanto y con la intención de mantener unos bueno niveles de rendimiento ponderado, el micro-inversor funciona en modo de conducción discontinuo (DCM, por sus siglas en inglés) cuando la potencia extraía del panel solar es menor que la máxima. La segunda configuración multifase considerada en esta tesis es la aplicación de la técnica de paralelo con entrelazado. Además se han considerado dos técnicas diferentes para decidir el número de fases activas: dependiendo de la potencia continua extraída del panel solar y dependiendo de la potencia instantánea demandada por el micro-inversor. La aplicación de estas técnicas es interesante en los sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica por la posibilidad que brindan de obtener un rendimiento prácticamente plano en un amplio rango de potencia. Las configuraciones con entrelazado se controlan en DCM para evitar la necesidad de un control de corriente, lo que es importante cuando el número de fases es alto. Los núcleos adecuados para todas las configuraciones multifase consideradas se seleccionan usando el producto de áreas. Una vez seleccionados los núcleos se ha realizado un diseño detallado de cada uno de los transformadores. Con la información obtenida de los diseños y los resultados de simulación, se puede analizar el impacto que el número de transformadores utilizados tiene en el tamaño y el rendimiento de las distintas configuraciones. Los resultados de este análisis, presentado en esta tesis, se utilizan posteriormente para comparar las distintas configuraciones. Muchas otras topologías se han presentado en la literatura para abordar los diferentes aspectos a considerar en los micro-inversores, que han sido presentados anteriormente. La mayoría de estas topologías utilizan un transformador de alta frecuencia para solventar el salto de tensión y evitar problemas de seguridad y de puesta a tierra. En cualquier caso, es interesante evaluar si topologías sin aislamiento galvánico son aptas para su utilización como micro-inversores. En esta tesis se presenta una revisión de inversores con capacidad de elevar tensión, que se comparan bajo las mismas especificaciones. El objetivo es proporcionar la información necesaria para valorar si estas topologías son aplicables en los módulos AC. Las principales contribuciones de esta tesis son: • La aplicación del control BCM a un convertidor “forward” para obtener un micro-inversor de una etapa sencillo y de bajo coste. • La modificación de dicho micro-inversor con conexión paralelo-series de transformadores que permite reducir la corriente de los semiconductores y una ganancia de tensión adecuada con transformadores altamente acoplados. • La aplicación de técnicas de entrelazado y decisión de apagado de fases en la puesta en paralelo del micro-inversor “forward”. • El análisis y la comparación del efecto en el tamaño y el rendimiento del incremento del número de transformadores en las diferentes configuraciones multifase. • La eliminación de las medidas y los lazos de control de corriente en las topologías multifase con la utilización del modo de conducción discontinuo y un algoritmo MPPT sin necesidad de medida de corriente. • La recopilación y comparación bajo las mismas especificaciones de topologías inversoras con capacidad de elevar tensión, que pueden ser adecuadas para la utilización como micro-inversores. Esta tesis está estructurada en seis capítulos. El capítulo 1 presenta el marco en que se desarrolla la tesis así como el alcance de la misma. En el capítulo 2 se recopilan las topologías existentes de micro-invesores con aislamiento y aquellas sin aislamiento cuya implementación en un módulo AC es factible. Asimismo se presenta la comparación entre estas topologías bajo las mismas especificaciones. El capítulo 3 se centra en el micro-inversor “forward” que se propone originalmente en esta tesis. La aplicación de las técnicas multifase se aborda en los capítulos 4 y 5, en los que se presentan los análisis en función del número de transformadores. El capítulo está orientado a la propuesta paralelo-serie mientras que la configuración con entrelazado se analiza en el capítulo 5. Por último, en el capítulo 6 se presentan las contribuciones de esta tesis y los trabajos futuros. ABSTRACT In the last decade the photovoltaic (PV) installed power increased with an average growth of 49% per year and it is expected to cover the 16% of the global electricity consumption by 2050. Most of the installed PV power corresponds to grid-connected systems, with a significant percentage of residential installations. In these PV systems, the inverter is essential since it is the responsible of transferring into the grid the extracted power from the PV modules. Several architectures have been proposed for grid-connected residential PV systems, including the AC-module technology. An AC-module consists of an inverter, also known as micro-inverter, which is attached to a PV module. The AC-module technology offers modularity, redundancy and individual MPPT of each module. In addition, the expansion of this technology will enable the possibility of economies of scale of mass market and “plug and play” for the user, thus reducing the overall cost of the installation. However, the micro-inverter must be able to provide the required voltage boost to interface a low voltage PV module to the grid while keeping an acceptable efficiency in a wide power range. Furthermore, the quality standards must be satisfied and size and lifetime of the solutions must be always considered. In this thesis a single-stage forward micro-inverter with boundary mode operation is proposed to address the micro-inverter requirements. The transformer in the proposed topology remains as in the classic forward converter and bidirectional switches in the secondary side allows direct connection to the grid. In addition the selected control strategy allows high power factor current with a simple implementation. The operation of the topology is presented and the main design issues are introduced. With the intention to propose a simple and low-cost solution, an analog controller for a PFC operated in boundary mode is utilized. The main necessary modifications are discussed, with the focus on the zero current detection (ZCD) and the compatibility of the controller with a MPPT algorithm. The experimental results show the limitations of the selected analog controller implementation and the transformer is identified as a main losses contributor. The main objective of this thesis is to contribute in the application of control and design multiphase techniques to the PV micro-inverters. Two different multiphase configurations have been applied to the forward micro-inverter proposed in this thesis. The first one consists of a parallel-series connected variation which enables the use of low turns ratio, i.e. well coupled, transformers to achieve a proper voltage boost with an improved performance. This multiphase configuration implements BCM control at maximum load however. With this control method the switching frequency increases significantly for light load operation, thus jeopardizing the efficiency. Therefore, in order to keep acceptable weighted efficiency levels, DCM operation is selected for low power conditions. The second multiphase variation considered in this thesis is the interleaved configuration with two different phase shedding techniques: depending on the DC power extracted from the PV panel, and depending on the demanded instantaneous power. The application of interleaving techniques is interesting in PV grid-connected inverters for the possibility of flat efficiency behavior in a wide power range. The interleaved variations of the proposed forward micro-inverter are operated in DCM to avoid the current loop, which is important when the number of phases is large. The adequate transformer cores for all the multiphase configurations are selected according to the area product parameter and a detailed design of each required transformer is developed. With this information and simulation results, the impact in size and efficiency of the number of transformer used can be assessed. The considered multiphase topologies are compared in this thesis according to the results of the introduced analysis. Several other topological solutions have been proposed to solve the mentioned concerns in AC-module application. The most of these solutions use a high frequency transformer to boost the voltage and avoid grounding and safety issues. However, it is of interest to assess if the non-isolated topologies are suitable for AC-module application. In this thesis a review of transformerless step-up inverters is presented. The compiled topologies are compared using a set benchmark to provide the necessary information to assess whether non-isolated topologies are suitable for AC-module application. The main contributions of this thesis are: • The application of the boundary mode control with constant off-time to a forward converter, to obtain a simple and low-cost single-stage forward micro-inverter. • A modification of the forward micro-inverter with primary-parallel secondary-series connected transformers to reduce the current stress and improve the voltage gain with highly coupled transformers. •The application of the interleaved configuration with different phase shedding strategies to the proposed forward micro-inverter. • An analysis and comparison of the influence in size and efficiency of increasing the number of transformers in the parallel-series and interleaved multiphase configurations. • Elimination of the current loop and current measurements in the multiphase topologies by adopting DCM operation and a current sensorless MPPT. • A compilation and comparison with the same specifications of suitable non-isolated step-up inverters. This thesis is organized in six chapters. In Chapter 1 the background of single-phase PV-connected systems is discussed and the scope of the thesis is defined. Chapter 2 compiles the existing solutions for isolated micro-inverters and transformerless step-up inverters suitable for AC-module application. In addition, the most convenient non-isolated inverters are compared using a defined benchmark. Chapter 3 focuses on the originally proposed single-stage forward micro-inverter. The application of multiphase techniques is addressed in Chapter 4 and Chapter 5, and the impact in different parameters of increasing the number of phases is analyzed. In Chapter 4 an original primary-parallel secondary-series variation of the forward micro-inverter is presented, while Chapter 5 focuses on the application of the interleaved configuration. Finally, Chapter 6 discusses the contributions of the thesis and the future work.

Diseño de sistema de orientación automática para energía solar

El sistema energético mundial actual es insostenible a largo plazo debido a la fuerte presencia de los combustibles fósiles. Es por ello que se está llevando a cabo gradualmente un proceso de cambio de modelo energético, teniendo como base la incorporación de las energías renovables. Dentro de este tipo de energías la energía solar, tanto fotovoltaica como de concentración, es una de las tecnologías con más crecimiento y potencial en el futuro. Las mejoras en materiales y dispositivos en energía solar permiten la reducción de costes y la mejora de la eficiencia causando un aumento en la competitividad de esta tecnología. El objetivo de este proyecto es el de diseñar y construir un sistema de orientación solar electrónico. Para ello será necesario la utilización de sensores de luminosidad, un controlador y un motor eléctrico. El sistema detectará el punto de mayor intensidad lumínica y orientará la superficie de una placa hacia este punto. El proyecto se desarrollará empleando la plataforma Arduino, una serie de micro procesadores de libre acceso destinados al uso en aplicaciones de electrónica general en el ámbito educativo y de bajo coste. Todo el sistema estará dirigido por un programa que controlará las lecturas de luz y el movimiento del motor.

Diseño y síntesis de semiconductores orgánicos con capacidad de organización, alta movilidad de portadores de carga y bajo band gap

Desde hace ya algunos años la búsqueda de energías alternativas a los combustibles fósiles es uno de los grandes retos a nivel mundial. Según los datos de la Agencia Estadounidense de Información sobre la Energía (EIA), el consumo energético en el mundo fue de 18 TW en 2015 y se espera que este consumo se dispare hasta alcanzar los 25 TW en 2035 y los 30 TW en 2050. Parece, por tanto, necesario dar respuesta a esta demanda creciente, y no solo considerar de dónde va a proceder esta energía sino también cuáles van a ser las consecuencias derivadas de este aumento en el consumo energético. Ya en el año 2007 la Academia Sueca reconoció, con la concesión del Premio Nobel de la Paz al ex vicepresidente de Estados Unidos Al Gore y al Grupo Intergubernamental de expertos sobre Cambio Climático (IPCC) de Naciones Unidas, la necesidad de concienciación de que el modelo de desarrollo que tenemos es ecológicamente insostenible. En este contexto, las energías renovables en general y, la energía solar en particular, tienen mucho que ofrecer. Una de las mayores ventajas de la energía solar respecto a las otras fuentes de energía es su enorme potencial, que los investigadores que trabajan en este campo resumen con la siguiente afirmación: la cantidad de energía solar que la Tierra recibe en una hora es mayor que el consumo mundial en el planeta durante todo un año. Al hablar de energía solar se suele distinguir entre energía solar térmica y energía solar fotovoltaica; la primera consiste en aprovechar la energía del sol para convertirla en calor, mientras que la segunda pretende transformar la radiación solar en electricidad por medio de unos dispositivos llamados células fotovoltaicas. Y es precisamente en este campo donde se centra este proyecto. El fundamento científico en el que se basan las células fotovoltaicas es el efecto fotoeléctrico, descubierto por Becquerel en 1839. No obstante, tendrían que pasar más de cien años hasta que investigadores de los laboratorios Bell en 1954 desarrollaran una célula de silicio monocristalino con un rendimiento del 6%. Y en 1958, con el lanzamiento del satélite Vangard I equipado con paneles solares se pudo demostrar la viabilidad de esta tecnología. Desde entonces, la investigación en esta área ha permitido desarrollar dispositivos con eficiencias superiores al 20%. No obstante, la fotovoltaica tradicional basada en elementos semiconductores tipo silicio presenta algunos inconvenientes como el impacto visual de los parques solares, los costes elevados o los rendimientos no muy altos. El descubrimiento de materiales orgánicos semiconductores, reconocido con el Premio Nobel de Química a Heeger, MacDiarmid y Shirakawa en 1976, ha permitido ampliar el campo de la fotovoltaica, ofreciendo la posibilidad de desarrollar células solares orgánicas frente a las células tradicionales inorgánicas. Las células fotovoltaicas orgánicas resultan atractivas ya que, en principio, presentan ventajas como reducción de costes y facilidad de procesado: los materiales orgánicos se pueden elaborar mediante procesos de impresión y recubrimiento de alta velocidad, aerosoles o impresión por inyección y se podrían aplicar como una pintura sobre superficies, tejados o edificios. La transformación de la energía solar en corriente eléctrica es un proceso que transcurre en varias etapas: 1. Absorción del fotón por parte del material orgánico. 2. Formación de un excitón (par electrón-hueco), donde el electrón, al absorber el fotón, es promovido a un nivel energético superior dejando un hueco en el nivel energético en el que se encontraba inicialmente. 3. Difusión del excitón, siendo muy decisiva la morfología del dispositivo. 4. Disociación del excitón y transporte de cargas, lo que requiere movilidades altas de los portadores de cargas. 5. Recolección de cargas en los electrodos. En el diseño de las células solares orgánicas, análogamente a los semiconductores tipo p y tipo n inorgánicos, se suelen combinar dos tipos de materiales orgánicos: un material orgánico denominado dador, que absorbe el fotón y que a continuación deberá ceder el electrón a un segundo material orgánico, denominado aceptor. Para que la célula resulte eficaz es necesario que se cumplan simultáneamente varios requisitos: 1. La energía del fotón incidente debe ser superior a la diferencia de energía entre los orbitales frontera del material orgánico, el HOMO (orbital molecular ocupado de más alta energía) y el LUMO (orbital desocupado de menor energía). Para ello, se necesitan materiales orgánicos semiconductores que presenten una diferencia de energía entre los orbitales frontera (ELUMO-EHOMO= band gap) menor de 2 eV. Materiales orgánicos con estas características son los polímeros conjugados, donde alternan dobles enlaces carbono-carbono con enlaces sencillos carbono-carbono. Uno de los polímeros orgánicos más utilizados como material dador es el P3HT (poli-3-hexiltiofeno). 2. Tanto el material orgánico aceptor como el material orgánico dador deben presentar movilidades altas para los portadores de carga, ya sean electrones o huecos. Este es uno de los campos en los que los materiales orgánicos se encuentran en clara desventaja frente a los materiales inorgánicos: la movilidad de electrones en el silicio monocristalino es 1500 cm2V-1s-1 y en el politiofeno tan solo 10-5 cm2V-1s-1. La movilidad de los portadores de carga aparece muy relacionada con la estructura del material, cuanto más cristalino sea el material, es decir, cuanto mayor sea su grado de organización, mejor será la movilidad. Este proyecto se centra en la búsqueda de materiales orgánicos que puedan funcionar como dadores en el dispositivo fotovoltaico. Y en lugar de centrarse en materiales de tipo polimérico, se ha preferido explorar otra vía: materiales orgánicos semiconductores pero con estructura de moléculas pequeñas. Hay varias razones para intentar sustituir los materiales poliméricos por moléculas pequeñas como, por ejemplo, la difícil reproducibilidad de resultados que se encuentra con los materiales poliméricos y su baja cristalinidad, en general. Entre las moléculas orgánicas sencillas que pudieran ser utilizadas como el material dador en una célula fotovoltaica orgánica llama la atención el atractivo de las moléculas de epindolidiona y quinacridona. En los dos casos se trata de moléculas planas, con enlaces conjugados y que presentan anillos condensados, cuatro en el caso de la epindolidiona y cinco en el caso de la quinacridona. Además ambos compuestos aparecen doblemente funcionalizados con grupos dadores de enlace de hidrógeno (NH) y aceptores (grupos carbonilo C=O). Por su estructura, estas moléculas podrían organizarse tanto en el plano, mediante la formación de varios enlaces de hidrógeno intermoleculares, como en apilamientos verticales tipo columnar, por las interacciones entre las superficies de los anillos aromáticos que forman parte de su estructura (tres en el caso de la quinacridona) y dos (en el caso de la epindolidiona). Esta organización debería traducirse en una mayor movilidad de portadores de carga, cumpliendo así con uno de los requisitos de un material orgánico para su aplicación en fotovoltaica. De estas dos moléculas, en este trabajo se profundiza en las moléculas tipo quinacridona, ya que el desarrollo de las moléculas tipo epindolidiona se llevó a cabo en un proyecto de investigación financiado por una beca Repsol y concedida a Guillermo Menéndez, alumno del Grado en Tecnologías Industriales de esta escuela. La quinacridona es uno de los pigmentos más utilizados y se estima que la venta anual de los mismos alcanza las 4.000 toneladas por año. Son compuestos muy estables tanto desde el punto de vista térmico como fotoquímico y su síntesis no resulta excesivamente compleja. Son además compuestos no tóxicos y la legislación autoriza su empleo en cosméticos y juguetes para niños. El inconveniente principal de la quinacridona es su elevada insolubilidad (soluble en ácido sulfúrico concentrado), por lo que aunque resulta un material muy atractivo para su aplicación en fotovoltaica, resulta difícil su implementación. De hecho, solo es posible su incorporación en dispositivos fotovoltaicos funcionalizando la quinacridona con algún grupo lábil que le proporcione la suficiente solubilidad para poder ser aplicado y posteriormente eliminar dicho grupo lábil. La propuesta inicial de este proyecto es intentar desarrollar quinacridonas que sean solubles en los disolventes orgánicos más habituales tipo cloruro de metileno o cloroformo, para de este modo poder cumplir con una de las ventajas que, a priori, ofrecen las células fotovoltaicas orgánicas frente a las inorgánicas, como es la facilidad de su procesado. El objetivo se centra, por lo tanto, en la preparación de quinacridonas solubles pero sin renunciar a su capacidad para formar enlaces de hidrógeno ni a su capacidad de apilamiento π-π, ya que se quiere mantener los valores de movilidad de portadores para la quinacridona (movilidad de huecos 0,2 cm2V-1s-1). En primer lugar se intenta la preparación de una quinacridona que presenta la ventaja de que los materiales de partida para su síntesis son comerciales: a partir del succinato de dimetilo y de 4-tetradecilanilina se podía acceder, en una síntesis de cuatro etapas, a la molécula deseada. La elección de la amina aromática con la sustitución en posición 4 presenta la ventaja de que en la etapa de doble ciclación necesaria en la síntesis, solo se forma uno de los regioisómeros posibles; este hecho es de gran relevancia para conseguir compuestos con altas movilidades, ya que la presencia de mezcla de regioisómeros, como se ha demostrado con otros compuestos como el P3HT, reduce considerablemente la movilidad de los portadores. Se obtiene así una quinacridona funcionalizada con dos cadenas lineales de 14 carbonos cada una en posiciones simétricas sobre los anillos aromáticos de los extremos. Se espera que la presencia de la superficie aromática plana y las dos cadenas lineales largas pueda conducir a una organización del material similar a la de un cristal líquido discótico. Sin embargo, el producto obtenido resulta ser tremendamente insoluble, no siendo suficiente las dos cadenas de 14 carbonos para aumentar su solubilidad respecto a la quinacridona sin funcionalizar. Se prepara entonces un derivado de esta quinacridona por alquilación de los nitrógenos. Este derivado, incapaz de formar enlaces de hidrógeno, resulta ser fácilmente soluble lo que proporciona una idea de la importancia de los enlaces de hidrógeno en la organización del compuesto. La idea inicial es conseguir, con una síntesis lo más sencilla posible, una quinacridona soluble, por lo que se decide utilizar la 4-t-butilanilina, también comercial, en lugar de la 4-tetradecilanilina. La cadena de t-butilo solo aporta cuatro átomos de carbono, pero su disposición (tres grupos metilo sobre un mismo átomo de carbono) suele conducir a resultados muy buenos en términos de solubilidad. Otra vez, la incorporación de los dos grupos t-butilo resulta insuficiente en términos de solubilidad del material. En estos momentos, y antes de explorar otro tipo de modificaciones sobre el esqueleto de quinacridona, en principio más complejos, se piensa en utilizar una amina aromática funcionalizada en la posición adyacente a la amina, de manera que el grupo funcional cumpliera una doble misión: por una parte, proporcionar solubilidad y por otra parte, perturbar ligeramente la formación de enlaces de hidrógeno, que han evidenciado ser una de las causas fundamentales para la insolubilidad del compuesto. Se realiza un análisis sobre cuáles podrían ser los grupos funcionales más idóneos en esta posición, valorando dos aspectos: el impedimento estérico que dificultaría la formación de enlaces de hidrógeno y la facilidad en su preparación. Ello conduce a optar por un grupo tioéter como candidato, ya que el 2-aminobencenotiol es un compuesto comercial y su adecuada funcionalización conduciría a una anilina con las propiedades deseadas. Se realiza simultáneamente la preparación de una quinacridona con una cadena de 18 átomos de carbono y otra quinacridona de cadena corta pero ramificada. Y finalmente, con estas quinacridonas se logra obtener compuestos solubles. Por último, se realiza el estudio de sus propiedades ópticas, mediante espectroscopia UV-Visible y fluorescencia, y se determinan experimentalmente los band gap, que se aproximan bastante a los resultados teóricos, en torno a 2,2 eV en disolución. No obstante, y aun cuando el band gap pueda parecer algo elevado, se sabe que en disolución las barreras energéticas son más elevadas que cuando el material se deposita en film. Por otra parte, todas las quinacridonas sintetizadas han demostrado una elevada estabilidad térmica. Como resumen final, el trabajo que aquí se presenta, ha permitido desarrollar una ruta sintética hacia derivados de quinacridona solubles con buenas perspectivas para su aplicación en dispositivos fotovoltaicos.

Diseño y construcción de un sistema de medida para la caracterización de lentes Fresnel

El proyecto que se va a implementar es el diseño, construcción y puesta en marcha de un instrumento de medida del comportamiento de las lentes de Fresnel a distintas temperaturas. Dicho proyecto se desarrollará en el grupo de Integración de Sistemas e Instrumentos (ISI) del Instituto de Energía Solar. Las lentes de Fresnel se emplean en la tecnología de concentración fotovoltaica (CPV), siendo una parte imprescindible en este campo. La necesidad de este instrumento se justifica ya que al variar la temperatura de estas lentes, estando fabricadas con Silicona Sobre Vidrio (SOG), varía su distancia focal y por ello baja considerablemente la eficiencia de las células de concentración. La parte a implementar físicamente en este proyecto es una cámara térmica en la que se puedan introducir estas lentes primarias con el objetivo de ponerlas a una determinada temperatura. Para poder mantener un rango de temperaturas entre 5ºC y 60ºC se van a utilizar dos módulos peltier. Por lo tanto, es necesario que dicha cámara térmica tenga tanto en la parte frontal como en la trasera, unas ventanas de vidrio de alta transmitancia que permitan el máximo paso de luz, afectando lo menos posible a la medida. El diseño de la cámara térmica incluye unas cámaras en cada pared en las que se introducirá un aislante térmico para minimizar las pérdidas mencionadas anteriormente. Con este objetivo, las ventanas admiten la opción de un doble acristalado, adquiriendo un compromiso entre aislamiento térmico y transmisión de luz. La caja estará formada por tres cámaras, una central en la que se va a colocar la lente que se quiere medir y dos cámaras laterales en las que se van a introducir ambos peltier respectivamente. El objetivo de estas cámaras laterales es que, al estar comunicadas con la central a través de pequeñas rendijas, el aire a una cierta temperatura llegue de la forma más uniforme posible a la lente. En cuanto a la cámara central, tiene varios carriles en los cuales se pondrá la lente que se quiere medir, permitiendo de esta forma medir lentes de distancias focales muy diferentes además de poder fijar con la menor incertidumbre posible la posición de dicha lente. En este proyecto se procederá también a realizar el diseño teórico de una parte móvil posterior en la que habrá una célula de concentración sobre la que se realizarán las medidas.

Optimização de um sistema híbrido off-grid PV, Gerador Diesel e Baterias

Tese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016

Avaliação do desempenho do sistema de mini-geração fotovoltaico na Faculdade de Ciências

Tese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016

Projeto de um sistema de conversor multinível para painéis fotovoltaicos

A produção de energia elétrica a partir de fontes de energia renovável está gradualmente a ser uma alternativa à energia produzida a partir de combustíveis fósseis. A técnica de conversão dessas mesmas energias para energia elétrica, para entrega na Rede de Energia Elétrica (REE), é cada vez mais estudada para que se obtenha uma maior eficiência assim como qualidade. Neste trabalho desenvolve-se um projeto de conversão de energia fotovoltaica, para produção de energia elétrica para a rede utilizando um conversor multinível, otimizando a transferência de potência assim como melhorando a forma da corrente AC. A conversão multinível é uma topologia que tem algumas vantagens relativamente à topologia de 2 níveis, permitindo trabalhar com níveis de tensão mais elevados, melhorando a qualidade de energia. O conversor multinível de díodos ligados ao ponto neutro utiliza condensadores para criar os níveis de tensão, que neste trabalho vão ser usados para ligar os painéis, otimizando a transferência de potência. Aplica-se um método de controlo das correntes AC para terem a forma a alternada e sinusoidal e em fase com a tensão da rede. Os resultados experimentais mostram que a utilização do algoritmo de procura do ponto de máxima potência dos painéis permitem a extrair a máxima potência, de acordo com as condições de irradiação solar e temperatura dos painéis.

Progetto di un convertitore full-bridge phase-shifted isolato a commutazione risonante

L'evoluzione della tecnologia allo stato solido e il fiorire di nuove applicazioni determinano una forte spinta verso la miniaturizzazione dei convertitori elettronici di potenza. Questa riduzione di pesi ed ingombri è particolarmente sentita anche in quei convertitori di media potenza che necessitano di un trasformatore d'isolamento. In quest'ambito assume importante rilievo l'utilizzo di una architettura circuitale a ponte intero e di tecniche in grado di spingere la frequenza di commutazione il più in alto possibile. Questa tesi si propone quindi di studiare a fondo il funzionamento dei convertitori DC/DC isolati di tipo Full-Bridge e pilotati con la tecnica di modulazione Phase-Shifted che ben si presta all'impiego di commutazioni risonanti del tipo Zero-Voltage-Switching. L'analisi teorica sarà corroborata da simulazioni condotte su LTspice e sarà orientata all'individuazione di una metodologia di progetto generale per questo tipo di convertitori. Al fine di formalizzare meglio il progetto si è individuata una possibile applicazione nell'alimentazione di un DC-bus per telecomunicazioni (48 Volt DC sostenuti da batterie) a partire da una fonte di energia fotovoltaica quale una stringa di pannelli operanti con tensioni variabili da 120 a 180 Volt DC. Per questo particolare tipo di applicazione in discesa può avere senso l'impiego di un rettificatore del tipo a duplicazione di corrente, che quindi si provvederà a studiare e ad implementare a secondario del trasformatore d'isolamento. Infine particolare cura sarà dedicata alla parte di controllo che si ha intenzione di integrare all'interno di LTspice così da riuscire a simulare il comportamento dinamico del convertitore e verificare quanto predetto in via teorica mediante l'impiego della procedura che utilizza il K-Factor per la realizzazione della rete compensatrice.

Sviluppo e validazione sperimentale di modelli per la simulazione di una microrete di generazione e di accumulo

Nel corso degli anni le fonti rinnovabili e in particolare il fotovoltaico hanno assunto un ruolo sempre più importante nel panorama energetico italiano. Si è effettuata un’analisi della tecnologia fotovoltaica illustrandone il funzionamento, le tipologie di pannelli, il calcolo dell’energia elettrica producibile e le curve caratteristiche. Dal momento che la maggior parte delle rinnovabili presenta il problema della non programmabilità dovuta alla produzione intermittente, è necessario adottare dei sistemi di accumulo. Tali sistemi vengono mostrati, con particolare riguardo per le batterie al piombo acido e per l’idrogeno immagazzinato in idruri metallici, spiegando nel dettaglio l’elettrolisi e gli elettrolizzatori PEM. Dopo questa panoramica iniziale, si è illustrato l’impianto oggetto di questa tesi, composto principalmente da due pannelli fotovoltaici, un simulatore solare, due batterie al Piombo, un elettrolizzatore, un carico e un alimentatore. In seguito viene spiegata l’attività sperimentale, svolta sulle prove di laboratorio ai fini di ottenere le curve di funzionamento dei vari componenti, tramite due approcci diversi: per il sistema atto all’elettrolisi e per tutti i suoi componenti si è usato un modello black-box, per i pannelli fotovoltaici si è usato un approccio fisico-matematico partendo dalle equazioni del simulatore solare applicandovi i dati dei pannelli del laboratorio. Una volta ottenute queste curve, si è creato un modello completo del laboratorio per simularne il funzionamento al variare dell’irraggiamento. Si è testato prima il modello su un’utenza da 3 kW, poi, dopo aver confrontato gli andamenti reali con quelli ottenuti, si sono simulate varie configurazioni per trovare quella che permette al sistema di produrre idrogeno alla potenza nominale di 250 W in una giornata senza supplemento della rete elettrica.

Prospecção tecnológica de células fotovoltaicas para energia solar

Solar energy presents itself as an excellent alternative for the generation of clean, renewable energy. This work aims to identify technological trends of photovoltaic cells for solar energy. The research is characterized, in relation to nature, to be applied; regarding the approach is qualitative and quantitative; with respect to the objectives, it is exploratory and descriptive; concerning the methodological procedure is considered a bibliographic research with a case study in the case of solar photovoltaic sector. The development of this research began with a literature review on photovoltaic solar energy and technology foresight. Then it led to the technology mapping of photovoltaic solar cells through the analysis of articles and patents. It was later performed the technological prospecting of photovoltaic cells for solar energy through the Delphi method, as well as the construction of the current plan and future technology of photovoltaic cells for the current scenario, 2020 and 2025. The results of this research show that the considered mature technologies (silicon mono and multicrystalline) will continue to be commercially viable within the prospected period (2020-2025). Other technologies that are currently viable (amorphous silicon, cadmium telluride and copper indium selenide / Copper indium gallium diselenide-), may not submit the same condition in 2025. Since the cells of silicon nanowires, dye-sensitized and based on carbon nanostructure, which nowadays are not commercially viable, may be part of the future map of photovoltaic technologies for solar energy.

Aplicação dos Sistemas de Informação Geográfica nas energias renováveis: o potencial da energia solar na ilha de São Vicente – Cabo Verde

Informação Geográfica (SIG) ao estudo das energias renováveis, tendo como caso avaliar o potencial solar na ilha de São Vicente do arquipélago de Cabo Verde. A energia do sol é a principal fonte de energia renovável, e está disponível em quase todas as regiões do planeta. Quantificar o potencial energético solar de um lugar ou região é indispensável, para avaliar as potencialidades de produção de energia fotovoltaica. Outro fator importante prende-se com ordenamento territorial associado à exploração desses recursos energéticos, pelo que devem ser avaliadas as condições técnicas, ambientais e económicas, quando se pretende instalar parques para a produção de energia fotovoltaica. Assim, neste trabalho foram aplicadas as ferramentas SIG, para quantificar a radiação solar mensal e anual da ilha de São Vicente, arquipélago de Cabo Verde, através do modelo Solar Analyst. Numa segunda fase, aplicou-se a técnica de análise multicritério em combinação com os SIGs para definir as áreas mais favoráveis para a instalação de parques de produção de energia elétrica a partir da energia solar. Para o cálculo da radiação solar na ilha de São de Vicente, utilizou-se o modelo digital de terreno (MDT) e a latitude da ilha como parâmetros de entrada ao modelo. Para a análise multicritério definiram-se um conjunto de critérios que devem ser considerados na implementação de parques solares, nomeadamente, a disponibilidade de radiação solar existente na área, a distância à rede de transporte de energia elétrica e à rede viária, o declive do terreno, o uso e ocupação do solo e a proximidade às linhas de água. Para auxiliar na atribuição dos pesos aos critérios utilizados na análise aplicou-se a método Analytic Hierarchy Process (AHP). As áreas resultantes do processo da análise multicritério, foram confrontadas com a Carta de Condicionantes do esquema regional de ordenamento da ilha de São Vicente, aferindo a conformidade das propostas e reajustes subsequentes, de modo a obter os resultados finais.

Diseño y modelación de un sistema domótico para una finca vacacional como suministro de energía solar

Tesis (Ingeniero(a) en Automaziación).--Universidad de La Salle. Facultad de Ingeniería. Programa de Ingeniería en Automatización, 2014

Afectación de los ingresos operacionales de empresa distribuidora de energía eléctrica por penetración de energía solar en su área de influencia

Los anuncios de impacto por cambio climático han llevado a los países a crear estrategias de mitigación y adaptación, dentro de las cuales se considera la promoción de generación de electricidad a través de fuentes renovables no convencionales -- El avance logrado ha incentivado a los usuarios del servicio de energía eléctrica a invertir en plantas de generación, eliminando la necesidad parcial de utilizar las redes de transmisión y distribución del sistema eléctrico, de tal forma que las redes eléctricas presentan una holgura gradual en cuanto a la energía que se transporta a través de ellas -- Este artículo presenta un análisis del impacto sobre los ingresos operacionales de una empresa distribuidora de energía por efecto de la entrada de soluciones de energía solar fotovoltaica en el segmento residencial de su área de influencia, encontrando que se generarían diferentes escalas de afectación, con valores de hasta el 3%