Análise experimental e simulação do comportamento de sistemas fotovoltaicos de abastecimento de água

En este trabajo analizamos el comportamiento dinámico de un sistema de abastecimiento de agua. Registros del caudal de agua consumida, del caudal bombeado y de radiación solar colectada fueron obtenidos para un sistema instalado en la región semiárida del estado de Pernambuco (ciudad de Inajá), Brasil, durante dos períodos, a lo largo de los meses de marzo-abril y del mes de julio. La potencia nominal del generador fotovoltaico es 1,1 kW y el nivel estático del pozo es 23,7m. Un sistema de almacenamiento, de 14 m3 de capacidad, permite adaptar el suministro de agua al consumo. El trabajo presenta herramientas metodológicas útiles para estudiar el desempeño del sistema: a) Curva característica del sistema de bombeo; b) Estimativa de la capacidad de bombeo; c) Balance entre consumo y oferta de agua o, su equivalente, variación de la cantidad de agua acumulada en el reservatorio y d) Determinación de parámetros relativos a la capacidad de bombeo y a la capacidad de almacenamiento, que puedem ser utilizados para predecir el comportamiento a largo plazo del sistema. Estimativas realizadas a partir dos valores registrados muestran que el sistema tiene capacidad para bombear 15% más de agua que la cantidad efectivamente bombeada durante el mes de menor radiación solar a lo largo del año (julio). El volumen del tanque de agua es 22% mayor que la demanda. A pesar de que la capacidad de bombeo durante ese mes es mayor que la demanda, y no fue observado deficit durante el periodo analisado, los resultados de una simulación a largo plazo muestran que sistemas con esas características habrán de experimentar déficit en el suministro de agua durante su funcionamiento.In this paper we analyze the dynamic behavior of a photovoltaic water supply system. Records of the consumed water flow, pumped water flow and collected solar radiation were obtained for a system installed in the semiarid region of the state of Pernambuco (city of Inajá), Brazil, during two periods, along the months of March-April and the month of July. The nominal power of the photovoltaic generator is 1,1 kW and the static level of the well is 23,7m. A storage water tank, of 14 m3 of capacity, enables to match water supply and consumption. The paper presents useful methodological tools to study the performance of the system: a) Characteristic curve of the pumping system; b) Calculation of the water pumping capacity; c) Balance between demand and water supply or, its equivalent, variation of the water volume stored in the water tank and d) Determination of parameters relative to pumping and storage capacity, which allow to predict the long term behavior of the water supply system. Estimates using the measured data show that the system can pump 15% more water than the volume effectively pumped during the month of lowest solar radiation along the year (July). The volume of the water tank is 22% larger than the demand of the same period. Although the pumping capacity during that month is larger than demand, and no water deficit have been observed, results of a simulation show that systems with those characteristics will experience, in the long term, deficit in water supply.Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES

Análise experimental e simulação do comportamento de sistemas fotovoltaicos de abastecimento de água

En este trabajo analizamos el comportamiento dinámico de un sistema de abastecimiento de agua. Registros del caudal de agua consumida, del caudal bombeado y de radiación solar colectada fueron obtenidos para un sistema instalado en la región semiárida del estado de Pernambuco (ciudad de Inajá), Brasil, durante dos períodos, a lo largo de los meses de marzo-abril y del mes de julio. La potencia nominal del generador fotovoltaico es 1,1 kW y el nivel estático del pozo es 23,7m. Un sistema de almacenamiento, de 14 m3 de capacidad, permite adaptar el suministro de agua al consumo. El trabajo presenta herramientas metodológicas útiles para estudiar el desempeño del sistema: a) Curva característica del sistema de bombeo; b) Estimativa de la capacidad de bombeo; c) Balance entre consumo y oferta de agua o, su equivalente, variación de la cantidad de agua acumulada en el reservatorio y d) Determinación de parámetros relativos a la capacidad de bombeo y a la capacidad de almacenamiento, que puedem ser utilizados para predecir el comportamiento a largo plazo del sistema. Estimativas realizadas a partir dos valores registrados muestran que el sistema tiene capacidad para bombear 15% más de agua que la cantidad efectivamente bombeada durante el mes de menor radiación solar a lo largo del año (julio). El volumen del tanque de agua es 22% mayor que la demanda. A pesar de que la capacidad de bombeo durante ese mes es mayor que la demanda, y no fue observado deficit durante el periodo analisado, los resultados de una simulación a largo plazo muestran que sistemas con esas características habrán de experimentar déficit en el suministro de agua durante su funcionamiento.In this paper we analyze the dynamic behavior of a photovoltaic water supply system. Records of the consumed water flow, pumped water flow and collected solar radiation were obtained for a system installed in the semiarid region of the state of Pernambuco (city of Inajá), Brazil, during two periods, along the months of March-April and the month of July. The nominal power of the photovoltaic generator is 1,1 kW and the static level of the well is 23,7m. A storage water tank, of 14 m3 of capacity, enables to match water supply and consumption. The paper presents useful methodological tools to study the performance of the system: a) Characteristic curve of the pumping system; b) Calculation of the water pumping capacity; c) Balance between demand and water supply or, its equivalent, variation of the water volume stored in the water tank and d) Determination of parameters relative to pumping and storage capacity, which allow to predict the long term behavior of the water supply system. Estimates using the measured data show that the system can pump 15% more water than the volume effectively pumped during the month of lowest solar radiation along the year (July). The volume of the water tank is 22% larger than the demand of the same period. Although the pumping capacity during that month is larger than demand, and no water deficit have been observed, results of a simulation show that systems with those characteristics will experience, in the long term, deficit in water supply.Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES

Performance analysis of a multijunction solar cell operating under natural conditions and various concentration rates

El desempeño de una celda fotovoltaica multiunión con 1,0 cm2 es evaluado para varias tasas de concentración. Parámetros que caracterizan la celda son extraídos de curvas características obtenidas experimentalmente con base en el modelo de un diodo. Especial atención es dedicada a resistencia serie de la celda. Resultados demuestran que el procedimiento es consistente, permitiendo obtener una visión general del comportamiento de las celdas multiunión, a pesar de grandes variaciones experimentales de temperatura y radiación. Se observa una alta resistencia serie (3,8 Ω) para baja concentración. Esta resistencia disminuye, alcanzando un valor estable para altas concentraciones (0,024 Ω). Se han medido eficiencias promedio de conversión del 35% cuando se convierte la temperatura de referencia. La resistencia serie obtenida para altas concentraciones limita el índice de concentración que corresponde a máxima eficiencia entre 243 y 278. Mayores índices de concentración y probablemente eficiencias superiores requieren mayor reducción de la resistencia serie.The performance of a CPV multijunction (MJ) cell of 1.0 cm2 was evaluated for various concentration ratios. Parameters which characterize the cell were extracted from experimental characteristic curves using the one diode model. Special attention was given to series resistance which effects can change significantly the cell performance. Results obtained show that the procedure adopted is considerably consistent, enabling to obtain a general picture of solar cell behavior in spite of large temperature and irradiance experimental variations. A large series resistance (3.8 Ω) is observed for low concentration values. This resistance decays rapidly, attaining a stable value for high concentrations (0.024 Ω). Average conversion efficiency of 35% have been measured when converted to temperatures of 47 ºC. Series resistance obtained for high concentrations limits concentration ratio corresponding to maximum efficiency to values between 243 and 278. Higher concentration ratios and probably higher efficiencies require further reduction of series resistance.Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES

Performance analysis of a multijunction solar cell operating under natural conditions and various concentration rates

El desempeño de una celda fotovoltaica multiunión con 1,0 cm2 es evaluado para varias tasas de concentración. Parámetros que caracterizan la celda son extraídos de curvas características obtenidas experimentalmente con base en el modelo de un diodo. Especial atención es dedicada a resistencia serie de la celda. Resultados demuestran que el procedimiento es consistente, permitiendo obtener una visión general del comportamiento de las celdas multiunión, a pesar de grandes variaciones experimentales de temperatura y radiación. Se observa una alta resistencia serie (3,8 Ω) para baja concentración. Esta resistencia disminuye, alcanzando un valor estable para altas concentraciones (0,024 Ω). Se han medido eficiencias promedio de conversión del 35% cuando se convierte la temperatura de referencia. La resistencia serie obtenida para altas concentraciones limita el índice de concentración que corresponde a máxima eficiencia entre 243 y 278. Mayores índices de concentración y probablemente eficiencias superiores requieren mayor reducción de la resistencia serie.The performance of a CPV multijunction (MJ) cell of 1.0 cm2 was evaluated for various concentration ratios. Parameters which characterize the cell were extracted from experimental characteristic curves using the one diode model. Special attention was given to series resistance which effects can change significantly the cell performance. Results obtained show that the procedure adopted is considerably consistent, enabling to obtain a general picture of solar cell behavior in spite of large temperature and irradiance experimental variations. A large series resistance (3.8 Ω) is observed for low concentration values. This resistance decays rapidly, attaining a stable value for high concentrations (0.024 Ω). Average conversion efficiency of 35% have been measured when converted to temperatures of 47 ºC. Series resistance obtained for high concentrations limits concentration ratio corresponding to maximum efficiency to values between 243 and 278. Higher concentration ratios and probably higher efficiencies require further reduction of series resistance.Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES

Análise experimental e simulação do comportamento de sistemas fotovoltaicos de abastecimento de água

En este trabajo analizamos el comportamiento dinámico de un sistema de abastecimiento de agua. Registros del caudal de agua consumida, del caudal bombeado y de radiación solar colectada fueron obtenidos para un sistema instalado en la región semiárida del estado de Pernambuco (ciudad de Inajá), Brasil, durante dos períodos, a lo largo de los meses de marzo-abril y del mes de julio. La potencia nominal del generador fotovoltaico es 1,1 kW y el nivel estático del pozo es 23,7m. Un sistema de almacenamiento, de 14 m3 de capacidad, permite adaptar el suministro de agua al consumo. El trabajo presenta herramientas metodológicas útiles para estudiar el desempeño del sistema: a) Curva característica del sistema de bombeo; b) Estimativa de la capacidad de bombeo; c) Balance entre consumo y oferta de agua o, su equivalente, variación de la cantidad de agua acumulada en el reservatorio y d) Determinación de parámetros relativos a la capacidad de bombeo y a la capacidad de almacenamiento, que puedem ser utilizados para predecir el comportamiento a largo plazo del sistema. Estimativas realizadas a partir dos valores registrados muestran que el sistema tiene capacidad para bombear 15% más de agua que la cantidad efectivamente bombeada durante el mes de menor radiación solar a lo largo del año (julio). El volumen del tanque de agua es 22% mayor que la demanda. A pesar de que la capacidad de bombeo durante ese mes es mayor que la demanda, y no fue observado deficit durante el periodo analisado, los resultados de una simulación a largo plazo muestran que sistemas con esas características habrán de experimentar déficit en el suministro de agua durante su funcionamiento.In this paper we analyze the dynamic behavior of a photovoltaic water supply system. Records of the consumed water flow, pumped water flow and collected solar radiation were obtained for a system installed in the semiarid region of the state of Pernambuco (city of Inajá), Brazil, during two periods, along the months of March-April and the month of July. The nominal power of the photovoltaic generator is 1,1 kW and the static level of the well is 23,7m. A storage water tank, of 14 m3 of capacity, enables to match water supply and consumption. The paper presents useful methodological tools to study the performance of the system: a) Characteristic curve of the pumping system; b) Calculation of the water pumping capacity; c) Balance between demand and water supply or, its equivalent, variation of the water volume stored in the water tank and d) Determination of parameters relative to pumping and storage capacity, which allow to predict the long term behavior of the water supply system. Estimates using the measured data show that the system can pump 15% more water than the volume effectively pumped during the month of lowest solar radiation along the year (July). The volume of the water tank is 22% larger than the demand of the same period. Although the pumping capacity during that month is larger than demand, and no water deficit have been observed, results of a simulation show that systems with those characteristics will experience, in the long term, deficit in water supply.Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES

Simulación del desempeño de una central solar térmica CSP a partir de valores diarios medios mensuales de irradiación directa

En este trabajo se simula el desempeño de una central solar térmica de concentración cilindro-parabólica de foco lineal, utilizando datos de irradiancia solar directa normal horarios medios mensuales, medidos durante 4 años en Petrolina (Pernambuco, Brasil). Los datos de radiación solar son tratados para generar una base de datos estadísticamente representativa para Petrolina, sitio donde se instalará una central solar de concentración. El valor diario medio anual de irradiancia solar directa normal calculado es de 4.8 KWh/m². La producción de energía eléctrica diaria media mensual es de aproximadamente 6 MWh, durante gran parte del año. Las eficiencias térmicas y eléctricas de la central se compararon con valores reales, resultando muy próximos a ellos, indicando que el modelo es una herramienta válida de simulación de generación eléctrica utilizando concentradores de energía solar, por lo que puede ser usada para hacer estimaciones regionales.In this work the electric energy production performance of a parabolic trough solar power plant using daily mean monthly direct beam solar irradiance measured in Petrolina (Pernambuco, Brazil) was simulated. The solar radiation data were treated to generate a statistically representative database for Petrolina, which is a place where a concentrating solar plant will be installed. The daily mean annual value of solar irradiance calculated for that site was 4.8 KWh/m². It was estimated that the daily mean monthly production will be approximately 6 MWh, for much part of the year. The thermal and electrical efficiencies of the plant were compared against actual values, being they very close to the real ones, indicating that the model results a valid tool for simulate concentrating solar plant power generation, allowing to used it to make regional estimatesAsociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES

Simulación del desempeño de una central solar térmica CSP a partir de valores diarios medios mensuales de irradiación directa

En este trabajo se simula el desempeño de una central solar térmica de concentración cilindro-parabólica de foco lineal, utilizando datos de irradiancia solar directa normal horarios medios mensuales, medidos durante 4 años en Petrolina (Pernambuco, Brasil). Los datos de radiación solar son tratados para generar una base de datos estadísticamente representativa para Petrolina, sitio donde se instalará una central solar de concentración. El valor diario medio anual de irradiancia solar directa normal calculado es de 4.8 KWh/m². La producción de energía eléctrica diaria media mensual es de aproximadamente 6 MWh, durante gran parte del año. Las eficiencias térmicas y eléctricas de la central se compararon con valores reales, resultando muy próximos a ellos, indicando que el modelo es una herramienta válida de simulación de generación eléctrica utilizando concentradores de energía solar, por lo que puede ser usada para hacer estimaciones regionales.In this work the electric energy production performance of a parabolic trough solar power plant using daily mean monthly direct beam solar irradiance measured in Petrolina (Pernambuco, Brazil) was simulated. The solar radiation data were treated to generate a statistically representative database for Petrolina, which is a place where a concentrating solar plant will be installed. The daily mean annual value of solar irradiance calculated for that site was 4.8 KWh/m². It was estimated that the daily mean monthly production will be approximately 6 MWh, for much part of the year. The thermal and electrical efficiencies of the plant were compared against actual values, being they very close to the real ones, indicating that the model results a valid tool for simulate concentrating solar plant power generation, allowing to used it to make regional estimatesAsociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES

Analytical modeling of DSG in parabolic trough solar collectors

Direct steam generation (DSG) in the absorber pipes of parabolic trough solar collectors is a promising procedure since the thermal fluid is water instead of thermal oil, as conventional solar concentrating systems use. It enables higher cycle temperatures and efficiencies, reducing the cost of the system. This paper presents an analytical model of (DSG) process in parabolic trough collectors. A collector row was divided in three sections and for each section a system of differential equations was derived. The model was implemented and simulations performed using a configuration and parameters similar to works published in the technical literature. Results of simulation have shown good agreement with them and allow obtaining many important parameters of the (DSG) process along the collector row: external and internal absorber temperature, fluid flow and temperature, vapor title and useful energy. A linear relationship between useful energy and collected irradiance has been obtained. Using the utilizability method, this result enables to make long term predictions about the system’s performance.Generación directa de vapor (GDV) en los tubos absorbedores de colectores solares cilindro parabólicos es un procedimiento promisorio ya que utiliza agua como fluido térmico en lugar de aceite (utilizado en los procedimientos convencionales). Permite temperaturas y por tanto eficiencias más elevadas del ciclo Rankine, reduciendo el costo del sistema. Este trabajo presenta un modelo analítico del proceso GDV en colectores solares cilindro-parabólicos. La columna de colectores fue dividida en tres secciones y se obtuvo un sistema de ecuaciones diferenciales para cada una de ellas. El modelo fue implementado y las simulaciones se realizaron con una configuración y parámetros similares a los trabajos publicados en la literatura técnica. Los resultados muestran un buen acuerdo con ellos y permiten la obtención de muchos parámetros importantes del proceso GDV a lo largo de la columna de colectores: temperatura interna y externa del tubo absorbedor, caudal y temperatura del fluido térmico, título de vapor y energía útil. Se ha obtenido una relación lineal entre la energía útil y la irradiación solar colectada. Por medio del método de utilizabilidad, este resultado permite hacer predicciones a largo plazo sobre el rendimiento del sistema.Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES

Analytical modeling of DSG in parabolic trough solar collectors

Direct steam generation (DSG) in the absorber pipes of parabolic trough solar collectors is a promising procedure since the thermal fluid is water instead of thermal oil, as conventional solar concentrating systems use. It enables higher cycle temperatures and efficiencies, reducing the cost of the system. This paper presents an analytical model of (DSG) process in parabolic trough collectors. A collector row was divided in three sections and for each section a system of differential equations was derived. The model was implemented and simulations performed using a configuration and parameters similar to works published in the technical literature. Results of simulation have shown good agreement with them and allow obtaining many important parameters of the (DSG) process along the collector row: external and internal absorber temperature, fluid flow and temperature, vapor title and useful energy. A linear relationship between useful energy and collected irradiance has been obtained. Using the utilizability method, this result enables to make long term predictions about the system’s performance.Generación directa de vapor (GDV) en los tubos absorbedores de colectores solares cilindro parabólicos es un procedimiento promisorio ya que utiliza agua como fluido térmico en lugar de aceite (utilizado en los procedimientos convencionales). Permite temperaturas y por tanto eficiencias más elevadas del ciclo Rankine, reduciendo el costo del sistema. Este trabajo presenta un modelo analítico del proceso GDV en colectores solares cilindro-parabólicos. La columna de colectores fue dividida en tres secciones y se obtuvo un sistema de ecuaciones diferenciales para cada una de ellas. El modelo fue implementado y las simulaciones se realizaron con una configuración y parámetros similares a los trabajos publicados en la literatura técnica. Los resultados muestran un buen acuerdo con ellos y permiten la obtención de muchos parámetros importantes del proceso GDV a lo largo de la columna de colectores: temperatura interna y externa del tubo absorbedor, caudal y temperatura del fluido térmico, título de vapor y energía útil. Se ha obtenido una relación lineal entre la energía útil y la irradiación solar colectada. Por medio del método de utilizabilidad, este resultado permite hacer predicciones a largo plazo sobre el rendimiento del sistema.Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES

Dimensionamento e simulação de uma central solar de 1MWe com concentradores cilindro parabólicos

Este trabalho faz parte do processo de implantação de uma primeira central solar experimental no Brasil. Seu objetivo é estimar os principais parâmetros operacionais de uma planta solar termoelétrica com potência nominal de 1MWe. A planta é formada por um campo de concentradores solares, trocadores de calor e um bloco de potência. Um modelo analítico recente, que possibilita simular grandes e pequenos campos solares, é utilizado para dimensionar e simular a central. Utiliza-se um ciclo convencional, trabalhando com um fluido térmico intermediário, trocadores de calor para gerar o vapor e um ciclo Rankine para a conversão da energia térmica em mecânica. Os principais parâmetros estimados para uma planta localizada na cidade de Petrolina-PE, Brasil, são: 40 coletores que somam 9.420m² de área e campo solar com 33.912m² de área total. As simulações mostraram uma produção anual de energia elétrica de 1,63GWh, com um fator de capacidade 18,6% e uma eficiência solar-elétrica média de 12,5%.This work is part of the process of deploying a first experimental solar plant in Brazil. Your goal is to estimate the main operational parameters of a solar thermal power plant with a nominal power of 1MWe. The plant consists of a solar concentrator field, heat exchangers and a power block. A recent analytical model, which enables to simulate large and small solar fields, is used to measure and simulate the plant. A conventional cycle is used, working with an intermediate heat transfer fluid, heat exchangers to generate steam, and a Rankine cycle to convert thermal into mechanical energy. The main parameters for a plant located in the city of Petrolina-PE, Brazil, are 40 collectors totaling 9.420m² and solar field with 33.912m² of total area. The simulations showed an annual production of 1.63GWh of electricity, with a capacity factor of 18.6% and a solar-electric efficiency average of 12.5%.Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES