Modelling of an efficient dynamic smart solar photovoltaic power grid system

A smart solar photovoltaic grid system is an advent of innovation coherence of information and communications technology (ICT) with power systems control engineering via the internet [1]. This thesis designs and demonstrates a smart solar photovoltaic grid system that is selfhealing, environmental and consumer friendly, but also with the ability to accommodate other renewable sources of energy generation seamlessly, creating a healthy competitive energy industry and optimising energy assets efficiency. This thesis also presents the modelling of an efficient dynamic smart solar photovoltaic power grid system by exploring the maximum power point tracking efficiency, optimisation of the smart solar photovoltaic array through modelling and simulation to improve the quality of design for the solar photovoltaic module. In contrast, over the past decade quite promising results have been published in literature, most of which have not addressed the basis of the research questions in this thesis. The Levenberg-Marquardt and sparse based algorithms have proven to be very effective tools in helping to improve the quality of design for solar photovoltaic modules, minimising the possible relative errors in this thesis. Guided by theoretical and analytical reviews in literature, this research has carefully chosen the MatLab/Simulink software toolbox for modelling and simulation experiments performed on the static smart solar grid system. The auto-correlation coefficient results obtained from the modelling experiments give an accuracy of 99% with negligible mean square error (MSE), root mean square error (RMSE) and standard deviation. This thesis further explores the design and implementation of a robust real-time online solar photovoltaic monitoring system, establishing a comparative study of two solar photovoltaic tracking systems which provide remote access to the harvested energy data. This research made a landmark innovation in designing and implementing a unique approach for online remote access solar photovoltaic monitoring systems providing updated information of the energy produced by the solar photovoltaic module at the site location. In addressing the challenge of online solar photovoltaic monitoring systems, Darfon online data logger device has been systematically integrated into the design for a comparative study of the two solar photovoltaic tracking systems examined in this thesis. The site location for the comparative study of the solar photovoltaic tracking systems is at the National Kaohsiung University of Applied Sciences, Taiwan, R.O.C. The overall comparative energy output efficiency of the azimuthal-altitude dual-axis over the 450 stationary solar photovoltaic monitoring system as observed at the research location site is about 72% based on the total energy produced, estimated money saved and the amount of CO2 reduction achieved. Similarly, in comparing the total amount of energy produced by the two solar photovoltaic tracking systems, the overall daily generated energy for the month of July shows the effectiveness of the azimuthal-altitude tracking systems over the 450 stationary solar photovoltaic system. It was found that the azimuthal-altitude dual-axis tracking systems were about 68.43% efficient compared to the 450 stationary solar photovoltaic systems. Lastly, the overall comparative hourly energy efficiency of the azimuthal-altitude dual-axis over the 450 stationary solar photovoltaic energy system was found to be 74.2% efficient. Results from this research are quite promising and significant in satisfying the purpose of the research objectives and questions posed in the thesis. The new algorithms introduced in this research and the statistical measures applied to the modelling and simulation of a smart static solar photovoltaic grid system performance outperformed other previous works in reviewed literature. Based on this new implementation design of the online data logging systems for solar photovoltaic monitoring, it is possible for the first time to have online on-site information of the energy produced remotely, fault identification and rectification, maintenance and recovery time deployed as fast as possible. The results presented in this research as Internet of things (IoT) on smart solar grid systems are likely to offer real-life experiences especially both to the existing body of knowledge and the future solar photovoltaic energy industry irrespective of the study site location for the comparative solar photovoltaic tracking systems. While the thesis has contributed to the smart solar photovoltaic grid system, it has also highlighted areas of further research and the need to investigate more on improving the choice and quality design for solar photovoltaic modules. Finally, it has also made recommendations for further research in the minimization of the absolute or relative errors in the quality and design of the smart static solar photovoltaic module.

Assessment of PV Systems Performance in the Madeira Island Using Typical Meteorological Year Data

This paper focus on the development of an algorithm using Matlab to generate Typical Meteorological Years from weather data of eight locations in the Madeira Island and to predict the energy generation of photovoltaic systems based on solar cells modelling. Solar cells model includes the effect of ambient temperature and wind speed. The analysis of the PV system performance is carried out through the Weather Corrected Performance Ratio and the PV system yield for the entire island is estimated using spatial interpolation tools.

Power Quality Evaluation of a Photovoltaic System on an Electric Grid

This paper focuses on tests of photovoltaic systems in order to address two case studies with silicon monocrystalline and silicon polycrystalline panels, respectively. The first case is an identification of the three parameters of the single-diode equivalent circuit for modelling photovoltaic systems with conclusion about the inevitably age degradation. A comparison between experimental observed and computed I-V and V-P characteristics curves is carried out at standard test conditions. The second case is an experimental observation on a photovoltaic system connected to an electric grid in what regards the quality of the energy injected into the grid. A measuring of the harmonic content in the voltage and in the current waveforms at the terminals of the photovoltaic system is carried out in order to conclude about the conformity with the Standard EN 50160 and the IEEE 519-1992, respectively.

Sistematização do dimensionamento técnico e econômico de sistemas fotovoltaicos isolados por meio de programa computacional

One of the main referring subjects to the solar energy is how to compare it economically with other sources of energy, as much alternatives as with conventionals (like the electric grid). The purpose of this work was to develop a software which congregates the technical and economic main data to identify, through methods of microeconomic analysis, the commercial viability in the sizing of photovoltaic systems, besides considering the benefits proceeding from the proper energy generation. Considering the period of useful life of the components of the generation system of photovoltaic electricity, the costs of the energy proceeding from the conventional grid had been identified. For the comparison of the conventional sources, electric grid and diesel generation, three scenes of costs of photovoltaic panels and two for the factor of availability of diesel generation had been used. The results have shown that if the cost of the panels is low and the place of installation is more distant of the electric grid, the photovoltaic system becomes the best option.

Modelação e simulação de sistemas fotovoltaicos

Os sistemas fotovoltaicos produzem energia eléctrica limpa, e inesgotável na nossa escala temporal. A Agência Internacional de Energia encara a tecnologia fotovoltaica como uma das mais promissoras, esperando nas suas previsões mais optimistas, que em 2050 possa representar 20% da produção eléctrica mundial, o equivalente a 18000 TWh. No entanto, e apesar do desenvolvimento notável nas últimas décadas, a principal condicionante a uma maior proliferação destes sistemas é o ainda elevado custo, aliado ao seu fraco desempenho global. Apesar do custo e ineficiência dos módulos fotovoltaicos ter vindo a diminuir, o rendimento dos sistemas contínua dependente de factores externos sujeitos a grande variabilidade, como a temperatura e a irradiância, e às limitações tecnológicas e falta de sinergia dos seus equipamentos constituintes. Neste sentido procurou-se como objectivo na elaboração desta dissertação, avaliar o potencial de optimização dos sistemas fotovoltaicos recorrendo a técnicas de modelação e simulação. Para o efeito, em primeiro lugar foram identificados os principais factores que condicionam o desempenho destes sistemas. Em segundo lugar, e como caso prático de estudo, procedeu-se à modelação de algumas configurações de sistemas fotovoltaicos, e respectivos componentes em ambiente MatlabTM/SimulinkTM. Em seguida procedeu-se à análise das principais vantagens e desvantagens da utilização de diversas ferramentas de modelação na optimização destes sistemas, assim como da incorporação de técnicas de inteligência artificial para responder aos novos desafios que esta tecnologia enfrentará no futuro. Através deste estudo, conclui-se que a modelação é não só um instrumento útil para a optimização dos actuais sistemas PV, como será, certamente uma ferramenta imprescindível para responder aos desafios das novas aplicações desta tecnologia. Neste último ponto as técnicas de modelação com recurso a inteligência artificial (IA) terão seguramente um papel preponderante. O caso prático de modelação realizado permitiu concluir que esta é igualmente uma ferramenta útil no apoio ao ensino e investigação. Contudo, convém não esquecer que um modelo é apenas uma aproximação à realidade, devendo recorrer-se sempre ao sentido crítico na interpretação dos seus resultados.

Avaliação da rentabilidade económica dos sistemas de microgeração fotovoltaica em Portugal (1990-2010)

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica - ramo de Energia

Estudo da eficiência de sistemas fotovoltaicos

Mestrado em Engenharia Química. Ramo optimização energética na indústria química

Efeito do sombreamento nos painéis fotovoltaicos

Trabalho Final para obtenção do grau Mestre em Engenharia Electrotécnica

Avaliação económica de sistemas solares fotovoltaicos residenciais

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica no Ramo de Energia

Micro-generation Evaluation of the Zero Emissions Technologies in the Portuguese Market

Micro-generation is the small scale production of heat and/or electricity from a low carbon source and can be a powerful driver for carbon reduction, behavior change, security of supply and economic value. The energy conversion technologies can include photovoltaic panels, micro combined heat and power, micro wind, heat pumps, solar thermal systems, fuel cells and micro hydro schemes. In this paper, a small research of the availability of the conversion apparatus and the prices for the micro wind turbines and photovoltaic systems is made and a comparison between these two technologies is performed in terms of the availability of the resource and costs. An analysis of the new legal framework published in Portugal is done to realize if the incentives to individualspsila investment in sustainable and local energy production is worth for their point of view. An economic evaluation for these alternatives, accounting with the governmentpsilas incentives should lead, in most cases, into attractive return rates for the investment. Apart from the attractiveness of the investment there are though other aspects that should be taken into account and those are the benefits that these choices have to us all. The idea is that micro-generation will not only make a significant direct contribution to carbon reduction targets, it will also trigger a multiplier effect in behavior change by engaging hearts and minds, and providing more efficient use of energy by householders. The diversified profile of power generation by micro-generators, both in terms of location and timing, should reduce the impact of intermittency or plant failures with significant gains for security of supply.

Dimensionamento de uma central de miniprodução fotovoltaica para uma exploração agrícola direcionada à indústria de laticínios

Este documento apresenta o trabalho desenvolvido no âmbito da disciplina de “Dissertação/Projeto/Estágio”, do 2º ano do Mestrado em Energias Sustentáveis. O crescente consumo energético das sociedades desenvolvidas e emergentes, associado ao consequente aumento dos custos de energia e dos danos ambientais resultantes, promove o desenvolvimento de novas formas de produção de energia, as quais têm como prioridade a sua obtenção ao menor custo possível e com reduzidos impactos ambientais. De modo a poupar os recursos naturais e reduzir a emissão com gases de efeito de estufa, é necessária a diminuição do consumo de energia produzida a partir de combustíveis fósseis. Assim, devem ser criadas alternativas para um futuro sustentável, onde as fontes renováveis de energia assumam um papel fundamental. Neste sentido, a produção de energia elétrica, através de sistemas solares fotovoltaicos, surge como uma das soluções. A presente dissertação tem como principal objetivo a realização do dimensionamento de uma central de miniprodução fotovoltaica, com ligação à rede elétrica, em uma exploração agrícola direcionada à indústria de laticínios, e o seu respetivo estudo de viabilidade económica. A exploração agrícola, que serve de objeto de estudo, está localizada na Ilha Graciosa, Açores, sendo a potência máxima a injetar na Rede Elétrica de Serviço Público, pela central de miniprodução, de 10 kW. Para o dimensionamento foi utilizado um software apropriado e reconhecido na área da produção de energia elétrica através de sistemas fotovoltaicos – o PVsyst –, compreendendo as seguintes etapas: a) definição das caraterísticas do local e do projeto; b) seleção dos módulos fotovoltaicos; c) seleção do inversor; d) definição da potência de ligação à rede elétrica da unidade de miniprodução. Posteriormente, foram estudadas diferentes hipóteses de sistemas fotovoltaicos, que se distinguem na opção de estrutura de fixação utilizada: dois sistemas fixos e dois com eixo incorporado. No estudo de viabilidade económica foram realizadas duas análises distintas a cada um dos sistemas fotovoltaicos considerados no dimensionamento, nomeadamente: uma análise em regime remuneratório bonificado e uma análise em regime remuneratório geral. Os resultados obtidos nos indicadores económicos do estudo de viabilidade económica realizado, serviram de apoio à decisão pelo sistema fotovoltaico mais favorável ao investimento. Conclui-se que o sistema fotovoltaico com inclinação adicional é a opção mais vantajosa em ambos os regimes remuneratórios analisados. Comprova-se, assim, que o sistema fotovoltaico com maior valor de produção de energia elétrica anual, que corresponde ao sistema fotovoltaico de dois eixos, não é a opção com maior rentabilidade em termos económicos, isto porque a remuneração proveniente da sua produção excedente não é suficiente para colmatar o valor do investimento mais acentuado de modo a obter indicadores económicos mais favoráveis, que os do sistema fotovoltaico com inclinação adicional. De acordo com o estudo de viabilidade económica efetuado independentemente do sistema fotovoltaico que seja adotado, é recuperado o investimento realizado, sendo a remuneração efetiva superior à que foi exigida. Assim, mesmo tendo em consideração o risco associado, comprova-se que todos os sistemas fotovoltaicos, em qualquer dos regimes remuneratórios, correspondem a investimentos rentáveis.

Autoconsumo fotovoltaico, um elemento de eficiência energética. Caso de estudo: ISEP

Mestrado em Energias Sustentáveis

Elaboração de um projeto de uma central fotovoltaica de miniprodução e estudo de viabilidade técnica, económica e financeira

Desde o final do século XVIII, quando se iniciou a revolução industrial, o crescimento económico tem sido assente num consumo elevado de combustíveis fósseis que libertam gases com efeito de estufa. A emissão destes gases e a escassez dos combustíveis fósseis são temas que, desde as últimas duas décadas do século XX, ocupam um lugar de destaque nas agendas de política mundial. A produção de energia através de fontes renováveis surge como alternativa e poderá ser a solução para países com escassos recursos de origem fóssil, como é o caso de Portugal, minimizando também a sua dependência energética do exterior. Uma das medidas de incentivo lançada pelo Governo Português em 2007, foi a criação de um regime simplificado aplicável à microprodução descentralizada de eletricidade através de fontes de energia renováveis e de cogeração. À semelhança da maioria dos países europeus, o principal meio de promoção destes sistemas em Portugal foram as Feed-in-Tariffs, que consistem numa tarifa de venda de energia elétrica de origem renovável acima da tarifa de mercado. Estas tarifas permitiram, sobretudo, o crescimento do setor fotovoltaico em Portugal. Atualmente, o amadurecimento da tecnologia fotovoltaica, associado ao constante aumento das tarifas de energia elétrica, permite que se torne vantajosa a instalação de sistemas fotovoltaicos para autoconsumo. Neste contexto, o atual Governo Português, criou recentemente um regime jurídico aplicável à produção de eletricidade para autoconsumo. O objetivo deste trabalho é demonstrar, com base na minha experiência profissional, a metodologia de dimensionamento de uma central fotovoltaica ligada à Rede Elétrica de Serviço Público. Será utilizado como objeto de estudo um projeto constituído por 28 centrais fotovoltaicas de Miniprodução de 100 kW, dispersas por Portugal Continental, para o qual será efetuada a análise financeira do investimento. Pretende-se ainda apresentar o novo enquadramento legislativo para o Autoconsumo e Pequena Produção distribuída, detalhar as suas principais caraterísticas e efetuar um estudo económico para cada um destes regimes.

Projeto de Sistema Fotovoltaico Para as Naves Industriais da Zona Econômica Especial de Luanda-Bengo

Com os preços do barril de petróleo a atingir níveis nunca antes atingidos, cada vez mais há uma maior sensibilização para a importância das fontes renováveis de energia, não só pelo seu baixo custo de exploração, mas também pela ausência de poluição ambiental. A integração de sistemas fotovoltaicos nas edificações, começa a ter uma expressão significativa especialmente por ser uma forma de produção renovável. Pelo seu carácter renovável, vai ao encontro de objetivos ambientais, e é também desejável pelo seu carácter distribuído, produção próxima do consumo, evitando perdas de transporte e utilizando o recurso disponível no consumidor. No presente projeto é feita uma breve descrição do atual sistema elétrico angolano, nomeadamente o seu potencial, capacidade instalada, e perspetivas futuras de desenvolvimento do mesmo. Com uma perspetiva introdutória são abordadas as energias renováveis especialmente a energia fotovoltaica, terminando com as diferentes formas de produção e tecnologias existentes. São apresentados diferentes equipamentos, que, com as inúmeras combinações poderão vir a constituir um sistema técnico e financeiramente viável. Devido aos vários cenários possíveis (combinações entre equipamentos), foram usadas como instrumentos de apoio ferramentas informáticas que permitem o dimensionamento de sistemas fotovoltaicos, análise de compatibilidades, e simulação do seu funcionamento. Foram dimensionadas quatro opções de sistemas fotovoltaicos, a instalar nas naves industriais da Zona Económica Especial Luanda-Bengo, para uma mesma área de cobertura, seguido de um estudo económico, onde é feito uma comparação custo/benefício dos vários sistemas.

Energia Solar Fotovoltaica como Fonte Alternativa de Produção de Energia Elétrica em Angola

Neste trabalho é efetuado o dimensionamento de sistemas fotovoltaicos para serem instalados em edificações localizadas em Angola com o objetivo de analisar a produção de energia elétrica através de sistemas fotovoltaicos. Utilizando o software PVsyst na versão 6.3.2 foram dimensionados três sistemas fotovoltaicos, dois sistemas destinados a ser instalados numa residência, um ligado à rede e o outro autónomo e por fim um sistema fotovoltaico ligado à rede para uma instalação industrial. A determinação dos custos de investimento nos três sistemas foi obtida de forma aproximada, tendo como base preços dos equipamentos no mercado Português e considerando os custos de importação de mercadorias no mercado Angolano. Para os sistemas ligados à rede é analisada a rentabilidade financeira do investimento durante o período de vida útil dos módulos fotovoltaicos considerando três cenários distintos. No primeiro cenário o valor da remuneração pela energia vendida pelo produtor é igual ao valor pago pela energia comprada. No segundo e terceiros cenário de análise económica pretende-se encontrar uma tarifa de energia que torne o investimento rentável com um período de amortização de 7 e 12 anos respetivamente.