Metaheuristic Algorithm for Photovoltaic Parameters: Comparative Study and Prediction with a Firefly Algorithm

In this paper, a Firefly algorithm is proposed for identification and comparative study of five, seven and eight parameters of a single and double diode solar cell and photovoltaic module under different solar irradiation and temperature. Further, a metaheuristic algorithm is proposed in order to predict the electrical parameters of three different solar cell technologies. The first is a commercial RTC mono-crystalline silicon solar cell with single and double diodes at 33 °C and 1000 W/m2. The second, is a flexible hydrogenated amorphous silicon a-Si:H solar cell single diode. The third is a commercial photovoltaic module (Photowatt-PWP 201) in which 36 polycrystalline silicon cells are connected in series, single diode, at 25 °C and 1000 W/m2 from experimental current-voltage. The proposed constrained objective function is adapted to minimize the absolute errors between experimental and predicted values of voltage and current in two zones. Finally, for performance validation, the parameters obtained through the Firefly algorithm are compared with recent research papers reporting metaheuristic optimization algorithms and analytical methods. The presented results confirm the validity and reliability of the Firefly algorithm in extracting the optimal parameters of the photovoltaic solar cell

Análise e comparação de modelos matemáticos per-unit na estimação de parâmetros fotovoltaicos

A produção de energia amiga do ambiente é um dos principais desafios deste século para alcançar a sustentabilidade energética. Assim, o incremento da produção de energia por fontes renováveis é essencial para cumprir as metas climáticas sem desacelerar o crescimento económico e reduzir o bem-estar. Particularmente, a redução dos custos das tecnologias de produção fotovoltaica está a permitir o aumento da capacidade instalada, contribuindo para uma transição energética menos dispendiosa. Portanto, utilizar ferramentas que permitam monitorizar e controlar continuamente os sistemas fotovoltaicos é uma tarefa crucial que assume uma importância cada vez maior. Esta dissertação, avalia o desempenho de modelos matemáticos clássicos e per-unit ao estimar a curva caraterística corrente-tensão que descreve o comportamento de células ou módulos fotovoltaicos. Concretamente, é realizado um estudo comparativo que considera os modelos comummente usados na literatura (modelos de um, dois e três díodos), na sua formulação clássica e per-unit, na estimação dos parâmetros fotovoltaicos. Para avaliar adequadamente a precisão e fiabilidade dos diferentes modelos clássicos e per-unit foram desenvolvidos algoritmos de otimização que utilizam métodos metaheurísticos em combinação com o método de Newton-Raphson. O problema de estimação dos parâmetros fotovoltaicos considerou dados experimentais de dois casos de estudo, sendo que o primeiro se refere a uma célula fotovoltaica e o segundo a um módulo fotovoltaico ambos amplamente usados na literatura. Os resultados revelaram que a precisão, fiabilidade e custo computacional com ambas as abordagens de modelação formam muito similares. Assim, a utilização de modelos per-unit na resolução do problema de estimação dos parâmetros fotovoltaicos através de métodos metaheurísticos, pode ser uma alternativa válida aos modelos clássicos.Environmentally friendly energy production is one of this century’s main challenges to achieve energy sustainability. Increasing energy production from renewable sources is essential to meet climate goals without slowing down economic growth and reducing well-being. Particularly, cost reduction in photovoltaic production technologies allows increases in installed capacity, contributing to a less expensive energy transition. Therefore, using tools to continuously monitor and control photovoltaic systems is a crucial task of increasing importance. This dissertation evaluates the performance of classical and per-unit mathematical models to estimate the current-voltage characteristic curve describing the behaviour of photovoltaic cells or modules. Concretely, we compare photovoltaic parameter estimation using the classic models commonly used in the literature (single-, double- and three-diode models) with their perunit variants. To properly assess the accuracy and reliability of the different classical and per-unit models, we developed optimization algorithms that use metaheuristic methods combined with the Newton-Raphson method. We used data from two case studies, referring to a photovoltaic cell and a photovoltaic module, both widely used in the literature. The results revealed that the accuracy, reliability and computational cost with both modelling approaches were very similar. Thus, the use of per-unit models to solve the photovoltaic parameter estimation problem through metaheuristic methods can be a valid alternative to classical models

Uma breve revisão sobre métodos Meta-Heurísticos para a extração dos parâmetros Fotovoltaicos

As mudanças climáticas, o aumento da poluição e as crescentes preocupações ambientais colocam a humanidade diante de um problema energético. É nesse contexto que as energias renováveis assumem um papel fundamental para alcançar a neutralidade carbónica. Assim, para reduzir a utilização dos combustíveis fosseis é indispensável que as fontes de energia renovável se afirmem como uma solução vantajosa e viável para a produção de energia elétrica. Este aumento de produção de energia elétrica a partir de fontes renováveis é vital para se cumprirem os vários acordos mundiais e europeus que foram assinados com o propósito de atingir os desígnios assinados. A fonte de energia renovável com o maior potencial no futuro é a energia solar. No entanto, para esta energia se consolidar é necessário que as tecnologias fotovoltaicas sejam mais eficientes. A presente dissertação tem como objetivo analisar uma série de fatores que influenciam a determinação dos parâmetros e que caraterizam os respetivos modelos matemáticos. Concretamente, os fatores determinantes que foram analisados foram: os modelos matemáticos, as tecnologias PV, os métodos/algoritmos de otimização que foram utilizados para simular o comportamento de uma célula ou módulo fotovoltaico e, por último, a técnica aplicada para contornar a natureza implícita das equações que caraterizam o respetivo modelo fotovoltaico.Climate change, the increasing pollution, and growing environmental concerns place humanity in the face of an energetic problem. In this context, renewable energies play a key role in achieving carbon neutrality. Thus, in order to reduce the use of fossil fuels it is essential that renewable energy sources establish themselves as an advantageous and viable solution for the production of electricity. Increasing the production of electrical energy from renewable sources is crucial to meet the various global and European agreements that have been signed aiming the achievement of the proposed objectives. The renewable energy source with the highest potential for the future is solar energy. However, to consolidate this energy, photovoltaic technologies must be more efficient. The present dissertation aims to analyse a series of factors that influence the determination of the parameters that characterize the respective mathematical models. Specifically, the determining factors that have been analysed are: the mathematical models, the PV technologies, the optimization methods/algorithms that were used to simulate the behavior of a photovoltaic cell or module, and the technique applied to avoid the implicit nature of the equations that characterize the respective photovoltaic model

Modelação e Análise de Sistemas de Geração Fotovoltaica

A procura de novos recursos energéticos é uma tarefa crucial hoje em dia, já que o mundo está em constante mudança e as sociedades exigem energia para continuar a crescer e a viver. Nesse sentido, a investigação sobre o uso da energia solar tem crescido a cada ano, uma vez que se trata de uma fonte renovável. Particularmente, a produção de energia elétrica através de sistemas solares fotovoltaicos tem aumentado rapidamente na presente década. O que leva à necessidade de prever e analisar o comportamento real dos sistemas solares fotovoltaicos quando em funcionamento. Sendo, para isso necessário, enfrentar o problema desafiador de determinar os parâmetros dos modelos matemáticos das células e módulos fotovoltaicos. O objetivo desta dissertação consiste em determinar os parâmetros fotovoltaicos ótimos através de algoritmos de otimização bio inspirados. Assim como, caraterizar o comportamento das células e módulos fotovoltaicos em diferentes condições de funcionamento. Deste modo, é apresentada uma visão geral da energia solar fotovoltaica e dos seus sistemas de aproveitamento, bem como dos aspetos relacionados com a modelação matemática que permite caraterizar esses sistemas. Particularmente, na modelação matemática são abordados os vários modelos matemáticos e ainda os vários métodos para determinar os parâmetros fotovoltaicos, quer seja a partir da informação disponibilizada pelos fabricantes ou a partir de dados experimentais. No entanto, essa caraterização depende fortemente do valor dos parâmetros fotovoltaicos ótimos, os quais por sua vez dependem das condições de funcionamento. No sentido, de analisar a influência dos parâmetros, é realizada uma variação quantitativa dos parâmetros. Assim como, para analisar a sua dependência (em relação a irradiância e temperatura) é realizado um estudo da variação dos parâmetros fotovoltaicos com as condições de funcionamento. Neste seguimento, e com o objetivo de determinar os parâmetros ótimos dos modelos matemáticos, que caraterizam as células e módulos fotovoltaicos, são propostos novos métodos para determinar os respetivos parâmetros com base em algoritmos de otimização bio inspirados. Por último, é apresentado um novo modelo matemático que permite determinar os parâmetros fotovoltaicos em várias condições de funcionamento e tecnologias fotovoltaicas.The search for new energy resources is a crucial task nowadays, since the world is constantly changing and society’s energy demand to continue to grow and live. In this sense, research on the use of solar energy has been growing each year, since it is a renewable energy source. Particularly, the production of electric energy through photovoltaic solar systems has increased rapidly in this present decade. Which leads to the need to analyze and predict the real operating behavior of photovoltaic solar systems. Being for this purpose necessary, to deal with the challenging problem of determining the mathematical models parameters both for cells and PV modules. The goal of this dissertation is to determine the optimal photovoltaic parameters through optimization bio-inspired algorithms. As well as the cells and photovoltaic modules behavior characterization under different operating conditions. Therefore, it is presented a background overview of photovoltaic solar energy and its utility systems, as well as aspects related to mathematical modeling that allow the characterization of these systems. In particular, regarding mathematical modeling are addressed the various mathematical models and also the existent methods to determine the photovoltaic parameters, either from the information provided by manufacturers or from experimental data. However, this characterization is heavily dependent on the photovoltaic parameters values, which in turn depend on the operating conditions. In order to examine the influence of these parameters, a quantitative variation of those is performed. Furthermore, to analyze its dependency (in relation to irradiance and temperature), a study of the variation of the photovoltaic parameters within operating conditions is conducted. As a follow-up, and with the purpose to determine the optimum parameters of the mathematical models that characterize the cells and photovoltaic modules, new methods based on bio-inspired optimization algorithms are proposed. Finally, a new mathematical model that allows to determines the photovoltaic parameters in several operating conditions and photovoltaic technologies