Determination of a Mean Solar Radiation Year and of a Typical Meteorological Year for the region of Funchal in the Madeira Island

This paper presents the determination of a mean solar radiation year and of a typical meteorological year for the region of Funchal in the Madeira Island, Portugal. The data set includes hourly mean and extreme values for air temperature, relative humidity and wind speed and hourly mean values for solar global and diffuse radiation for the period 2004-2014, with maximum data coverage of 99.7%. The determination of the mean solar radiation year consisted, in a first step, in the average of all values for each pair hour/day and, in a second step, in the application of a five days centred moving average of hourly values. The determination of the typical meteorological year was based on Finkelstein-Schafer statistics, which allows to obtain a complete year of real measurements through the selection and combination of typical months, preserving the long term averages while still allowing the analysis of short term events. The typical meteorological year validation was carried out through the comparison of the monthly averages for the typical year with the long term monthly averages. The values obtained were very close, so that the typical meteorological year can accurately represent the long term data series. The typical meteorological year can be used in the simulation of renewable energy systems, namely solar energy systems, and for predicting the energy performance of buildings.

Spatial and temporal downscaling of solar global radiation and mean air temperature from weather forecast data - an introductory numerical study and validation

This short paper presents a numerical method for spatial and temporal downscaling of solar global radiation and mean air temperature data from global weather forecast models and its validation. The final objective is to develop a prediction algorithm to be integrated in energy management models and forecast of energy harvesting in solar thermal systems of medium/low temperature. Initially, hourly prediction and measurement data of solar global radiation and mean air temperature were obtained, being then numerically downscaled to half-hourly prediction values for the location where measurements were taken. The differences between predictions and measurements were analyzed for more than one year of data of mean air temperature and solar global radiation on clear sky days, resulting in relative daily deviations of around -0.9±3.8% and 0.02±3.92%, respectively.

Armazenamento sazonal de energia solar térmica de baixa temperatura para climatização de edifícios

Face aos padrões atuais de vida, em que despendemos a maior parte do nosso tempo no interior de edifícios, com um nível de conforto que ninguém quer abdicar, urge o desenvolvimento de tecnologias de climatização sustentáveis. Devido a uma combinação única de fatores, casas de baixo consumo de energia (e também casas passivas) em Portugal, são particularmente adequadas de explorar as vantagens da energia solar térmica, especialmente quando combinado com armazenamento sazonal de energia. No entanto nenhum exemplo documentado existe de como esta sinergia pode ser explorada com sucesso em Portugal, ilustrando assim o modo em que a necessidade de aquecimento pode ser colmatada de uma forma sustentável sem o uso de combustíveis fósseis. A energia solar é uma excelente alternativa de fonte de energia para aquecimento de edifícios. Um principal fator que limita a sua aplicação é que é uma fonte de energia com uma disponibilidade média de variação cíclica. O uso de armazenamento sazonal de energia pode reduzir substancialmente o custo do sistema solar que é capaz de fornecer até 100% das necessidades energéticas dos edifícios. Estes sistemas são projetados para armazenar a energia solar durante o verão e reter o calor armazenado para posterior utilização durante o inverno; Abstract: SEASONAL SOLAR THERMAL ENERGY STORAGE FOR LOW TEMPERATURE HEATING BUILDINGS. Given the current standards of living, where we spent most of our time inside buildings, with a level of Comfort that no one wants to give up, urges the development of sustainable climate control technologies. Due to a unique combination of factors, low energy (and also passive) houses in Portugal are particularly well suited to exploiting the advantages of solar thermal energy especially when combined with seasonal energy storage. However no documented example there of how this synergy can be exploited successfully in Portugal, illustrating the way in which the need for heating can be addressed in a sustainable manner without the use of fossil fuels. Solar energy is an important alternative energy source for heating applications. One main factor that limits its application is that it is an energy source with an average availability of cyclical variation. The use of seasonal thermal energy storage can substantially reduce the cost of solar energy systems that can supply up to 100% of buildings energy needs. Such systems are designed to collect solar energy during the summer and retain the stored heat for use during the winter.

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.

Análise dos sistemas termo-solares de produção de energia eléctrica

Actualmente a humanidade depara-se com um dos grandes desafios que é o de efectivar a transição para um futuro sustentável. Logo, o sector da energia tem um papel chave neste processo de transição, com principal destaque para a energia solar, tendo em conta que é uma das fontes de energias renováveis mais promissoras, podendo no médiolongo prazo, tornar-se uma das principais fontes de energia no panorama energético dos países. A energia solar térmica de concentração (CSP), apesar não ser ainda conhecida em Portugal, possui um potencial relevante em regiões específicas do nosso território. Logo, o objectivo deste trabalho é efectuar uma análise detalhada dos sistemas solares de concentração para produção de energia eléctrica, abordando temas, tais como, o potencial da energia solar, a definição do processo de concentração solar, a descrição das tecnologias existentes, o estado da arte do CSP, mercado CSP no mundo, e por último, a análise da viabilidade técnico-económica da instalação de uma central tipo torre solar de 20 MW, em Portugal. Para que este objectivo fosse exequível, recorreu-se à utilização de um software de simulação termodinâmica de centrais CSP, denominado por Solar Advisor Model (SAM). O caso prático foi desenvolvido para a cidade de Faro, onde foram simuladas quatro configurações distintas para uma central do tipo torre solar de 20 MW. Foram apresentados resultados, focando a desempenho diário e anual da central. Foi efectuada uma análise para avaliação da influência da variabilidade dos parâmetros, localização geográfica, múltiplo solar, capacidade de armazenamento de calor e fracção de hibridização sobre o custo nivelado da energia (LCOE), o factor de capacidade e a produção anual de energia. Conjuntamente, é apresentada uma análise de sensibilidade, com a finalidade de averiguar quais os parâmetros que influenciam de forma mais predominante o valor do LCOE. Por último, é apresentada uma análise de viabilidade económica de um investimento deste tipo.

Sistemas solares e arquitetura: uma relação holística

Dissertação de mestrado integrado em Arquitectura

Análise custo-benefício da integração de painéis solares térmicos na reabilitação de um edifício

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Aurinkosähköjärjestelmien vieminen Afrikan kehittyviin maihin

Aurinkosähköjärjestelmien käyttäminen sähkön tuotannossa on kasvanut viime vuosina teknologian hinnan laskun ja tiukentuvien ympäristömääräyksien seurauksena. Monet aurinkosähköön keskittyvät yritykset etsivät uusia markkinoita Afrikan kehittyvistä maista. Aurinkosähkön avulla voidaan vastata kehittyvien maiden kasvavaan sähköntarpeeseen ja samalla vähentää maiden hiilidioksidipäästöjä sekä nostaa maiden kehittyvää elintasoa. Tässä työssä tutkitaan aurinkosähköjärjestelmien viemistä kahteen Afrikan kehittyvään maahan Tansaniaan ja Etelä-Afrikkaan. Työn tavoitteena on kohdemaiden liiketoimintaympäristöjen tutkiminen ja markkinapotentiaalin selvittäminen suomalaisen sähkö- ja automaatiotekniikkaan keskittyvän pk-yrityksen näkökulmasta. Työssä selvitetään Tansanian ja Etelä-Afrikan liiketoimintaympäristöjen ja aurinkosähkömarkkinoiden erityispiirteet. Tuloksissa käsitellään myös sopivinta kansainvälistymistapaa tutkitulle pk-yritykselle sekä haasteita, joita yritys kohtaa Afrikan markkinoilla. Kansainvälistymismalleista tutkimuksessa käsitellään Uppsala-mallia ja verkostomallia.

Aurinkosähkön taloudellinen kannattavuus erikoiskohteessa

Aurinkosähköjärjestelmät ovat yleistyneet viime vuosien aikana niin kotitalouksissa kuin julkisissa rakennuksissakin aurinkopaneeleiden suopean hintakehityksen myötä. Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan aurinkosähköjärjestelmän kannattavuutta erikoiskohteessa Lapissa Tervolan kunnan alueella sijaitsevalla huoltoasemalla. Työssä aurinkosähköntuotannon ajoittumista kulutuksen suhteen lähdetään selvittämään vertailemalla simuloinnin avulla saatuja tuotantoennusteita huoltoaseman sähkönkulutusprofiiliin. Sähkönkulutusprofiilin tiedot perustuvat etäluettavan mittarin tuntikulutus mittauksiin. Investoinnin kannattavuutta tarkastellaan takaisinmaksuajan mukaan simuloinnista saatujen tuotantoennusteiden ja muiden takaisinmaksuaikaan vaikuttavien parametrien avulla. Lopuksi takaisinmaksuaikaa tarkastellaan vielä herkkyysanalyysien avulla.

Aurinkosähköjärjestelmä pientaloon

Tässä kandidaatintyössä selvitetään aurinkosähköjärjestelmän rakentamisen kannattavuutta, teknisiä ratkaisuja sekä vaatimuksia pientaloon. Tutkimus suoritetaan tarkasteltavaan kiinteistöön aurinkosähköjärjestelmän teknisten ratkaisumahdollisuuksien sekä taloudellisesti kannattavimman mallin löytämiseksi. Työssä käydään läpi järjestelmän teknisten komponenttien rakennetta ja ominaisuuksia, niille määriteltyjä vaatimuksia sekä hintaa. Työssä myös simuloidaan eri voimalakokonaisuuksien tuotantoa voimalan koon optimoimiseksi kohteelle. Saatujen tulosten perusteella voimalan hankkiminen on vielä kallista ja takaisinmaksuajat pitkiä johtuen järjestelmän kalliista hinnasta. Tulevaisuudessa aurinkosähkö tulee olemaan kannattava investointi samalla, kun yhä enenevissä määrin energistyvässä maailmassa luovutaan fossiilisista polttoaineista niiden ympäristövaikutusten ja resurssien puutteen vuoksi. Aurinkosähkö on yksi potentiaalisista korvaajista tulevaisuudessa ja voimme odottaa järjestelmien hintojen laskevan kilpailun lisääntyessä. Myös valtion tuki tulevaisuudessa on mahdollinen pientuottajillekin.

Accelerated aging of thick glass second surface silvered reflectors under sandstorm conditions

Concentrated solar power systems are expected to be sited in desert locations where the direct normal irradiation is above 1800 kWh/m2.year. These systems include large solar collector assemblies, which account for a significant share of the investment cost. Solarreflectors are the main components of these solar collector assemblies and dust/sand storms may affect their reflectance properties, either by soiling or by surface abrasion. While soiling can be reverted by cleaning, surface abrasion is a non reversible degradation.The aim of this project was to study the accelerated aging of second surface silvered thickglass solar reflectors under simulated sandstorm conditions and develop a multi-parametric model which relates the specular reflectance loss to dust/sand storm parameters: wind velocity, dust concentration and time of exposure. This project focused on the degradation caused by surface abrasion.Sandstorm conditions were simulated in a prototype environmental test chamber. Material samples (6cm x 6cm) were exposed to Arizona coarse test dust. The dust stream impactedthese material samples at a perpendicular angle. Both wind velocity and dust concentrationwere maintained at a stable level for each accelerated aging test. The total exposure time in the test chamber was limited to 1 hour. Each accelerated aging test was interrupted every 4 minutes to measure the specular reflectance of the material sample after cleaning.The accelerated aging test campaign had to be aborted prematurely due to a contamination of the dust concentration sensor. A robust multi-parametric degradation model could thus not be derived. The experimental data showed that the specular reflectance loss decreasedeither linearly or exponentially with exposure time, so that a degradation rate could be defined as a single modeling parameter. A correlation should be derived to relate this degradation rate to control parameters such as wind velocity and dust/sand concentration.The sandstorm chamber design would have to be updated before performing further accelerated aging test campaigns. The design upgrade should improve both the reliability of the test equipment and the repeatability of accelerated aging tests. An outdoor exposure test campaign should be launched in deserts to learn more about the intensity, frequencyand duration of dust/sand storms. This campaign would also serve to correlate the results of outdoor exposure tests with accelerated exposure tests in order to develop a robust service lifetime prediction model for different types of solar reflector materials.

Variation of System Performance with Design and Climate for Combisystems in Sweden

In Sweden, 90% of the solar heating systems are solar domestic hot water and heating systems (SDHW&H), so called combisystems. These generally supply most of the domestic hot water needs during the summer and have enough capacity to supply some energy to the heating system during spring and autumn. This paper describes a standard Swedish combisystem and how the output from it varies with heating load, climate within Sweden, and how it can be increased with improved system design. A base case is defined using the standard combi- system, a modern Swedish single family house and the climate of Stockholm. Using the simulation program Trnsys, parametric studies have been performed on the base case and improved system designs. The solar fraction could be increased from 17.1% for the base case to 22.6% for the best system design, given the same system size, collector type and load. A short analysis of the costs of changed system design is given, showing that payback times for additional investment are from 5-8 years. Measurements on system components in the laboratory have been used to verify the simulation models used. More work is being carried out in order to find even better system designs, and further improvements in system performance are expected.

Provningsmetod för integrerade sol-biosystem : Årsverkningsgrad genom korttidsmätning

Test method for integrated solar- biomass systems - Long term prediction trough short term measurementsSP Technical Research Institute of Sweden and SERC, Dalarna University have in cooperation developed a test method for integrated solar and biomass systems. The test method is performed under six days including two summer days, two winter days and two spring/autumn days true to real weather conditions and loads for a single family house. The aim of the test method is to get information about a Combisystem’s annual performance and operation throughout a short term test. Seven different solar Combisystems have been tested within the project together with a pellet boiler without solar collectors. In addition to that a comparative testing has been performed at the two laboratories at SP and at SERC on the same Combisystem. The test method developed within the project has been proved to withstand the aim of the project, which is to be able to compare the performance between the systems. The test method is also suitable for identification of possible operation problems so they can be taken care of and consequently improves the system.The project and the system testing reveal that it is in general favorable to combine biomass pellets with solar heating. Pellet boilers has normally a low performance during the summer period but combined with a solar collector the boiler can be switch off during this period. There are however big differences in performance between the tested. The efficiency of the pellet boiler is highly dependent of the operating conditions and elements like heat losses from the system, system configuration and control strategy have great influence of the performance of the system and the emissions. On the other hand, the performance and the size of the solar collectors have a minor effect on the overall system performance. There is obviously a big potential for improvement of the system´s performance and the developed test method is an essential way to implement this perfection.