Análise e proposta de aprimoramento do modelo de um diodo para módulos fotovoltaicos

O modelo de um diodo é o mais utilizado na simulação de sistemas fotovoltaicos. Contudo, é reconhecido que este possui desempenho inferior em certas situações operativas, em especial na modelagem de condições de baixas irradiâncias, inferiores a 300 W/m². Assim, este trabalho se propõe a estudar o modelo de um diodo, compreendendo as funções de cada um dos parâmetros e avaliando seus comportamentos nas diferentes condições de temperatura e irradiância, a fim de propor aprimoramentos. Primeiramente, são analisados os trabalhos experimentais e os modelos da literatura, a fim de compreender as abordagens tradicionalmente utilizadas. A seguir, com a realização de dois conjuntos de ensaios experimentais em simulador solar com condições controladas, utilizando uma amostra de módulos fotovoltaicos de silício cristalino, extrai-se os parâmetros da curva I-V de cada uma das condições de estudo, e, desses dados, avalia-se possíveis ajustes no modelo de um diodo. Na primeira etapa, a temperatura constante, são propostas equações de variação das resistências série e paralela com a irradiância, e demonstra-se que estas levam a curvas mais adequadas a baixas irradiâncias que o modelo tradicional. Posteriormente, com os dados a diferentes temperaturas, na irradiância de referência avalia-se que o recálculo de I0 a cada condição é a opção mais adequada para esses casos. Na sequência, nas medições com temperaturas e irradiâncias distintas das condições de referências, conclui-se que um ajuste no coeficiente de temperatura da tensão de circuito aberto, β, com a irradiância leva a uma melhora notável nas curvas I-V, especialmente a baixas irradiâncias e altas temperaturas. Por fim, em um ensaio em condições externas, são comparados os resultados de um modelo de um diodo mais simplificado com outro que utiliza as alterações propostas. Os resultados confirmam a tendência verificada nas medições do simulador, de maior adequação às curvas I-V medidas quando aplicados os aprimoramentos propostos.The single diode model is the most used for the photovoltaic systems modeling. However, it is a known fact that the model presents lower performance in certain conditions, as in the modeling of low irradiance operation, especially for those lower than 300 W/m². So, this work aims to study the single diode model, understanding the function of each parameter and evaluating its behavior on different irradiance and temperature conditions, so that adjustments can be proposed. First, experimental works and proposed models on the literature are analyzed, in order to understand the traditional approaches. Next, two sets of experiments are performed on a solar simulator, with controlled conditions, on a sample of PV crystalline silicon modules. The I-V curves of each studied condition are extracted, and from these data, possible improvements to the single diode model are evaluated. On the first step, using constant temperature, equations for the variation of the series and the parallel resistances are proposed, and it is demonstrated that these lead to more adequate I-V curves than the traditional model. Later, concerning temperature variations, at reference irradiance, it is shown that the recalculation of I0 at each condition is the most adequate option. Following, on measurements with distinct temperature and irradiance conditions, it is concluded that an adjustment on the open circuit thermal coefficient, β, leads to a noticeable improvement of the I-V curves, specially under low irradiance and high temperatures. Finally, on an outdoor test, the results of a simple single diode model are compared with the ones obtained with the improved model. The results confirm the trend seen on the solar simulator measurements, showing better adequacy to the measured I-V curves when the proposed improvements are applied

Desenvolvimento de software para supervisão de usinas solares fotovoltaicas

A potência produzida por um sistema fotovoltaico é altamente variável, pois depende das condições ambientais às quais o mesmo está submetido. Conhecendo-se os dados meteorológicos locais, em especial temperatura e irradiância, além de características dos componentes da instalação, é possível, a partir de modelos matemáticos, estimar a potência instantânea esperada do sistema. O objetivo desta dissertação é desenvolver um software que possua essa funcionalidade, a fim de supervisionar a operação de uma usina solar fotovoltaica que será instalada no âmbito do projeto “Inserção da Geração Solar Fotovoltaica Urbana Conectada à Rede em Porto Alegre”. Comparando-se os resultados calculados pelo software em tempo real com as condições medidas, será mais rápido identificar eventuais defeitos no sistema, e mais fácil seu diagnóstico. Para o desenvolvimento do programa, é alterado o software FVCONECT, que trabalha com dados climáticos médios de uma região para simular o funcionamento típico de um sistema naquele local, dando origem ao programa SPV - SuPerVisor, que, a partir da entrada das condições meteorológicas instantâneas, fornece diversos dados sobre as condições de operação que deveriam estar ocorrendo, tais como tensão elétrica, corrente elétrica e potência, em corrente contínua e em corrente alternada. Esse software é, então, validado a partir de comparações entre dados experimentais medidos em um sistema fotovoltaico conectado à rede instalado no LABSOL e uma simulação desse sistema realizada pelo SPV utilizando as mesmas condições de temperatura e irradiância verificadas no sistema real. Os resultados em geral apresentam concordância, tendo a comparação da potência produzida maior conformidade que as de tensão e corrente. Os pontos de maior dificuldade do programa são analisados e suas causas discutidas, sugerindose possíveis soluções. A usina solar fotovoltaica que será monitorada é apresentada, caracterizando-se seus componentes e a compatibilidade entre os mesmos. O espaço disponível para a instalação é examinado de forma a melhor acomodar os módulos fotovoltaicos, evitando ao máximo a ocorrência de sombreamentos, e os inversores, de maneira a facilitar sua conexão. O efeito do sombreamento no sistema é analisado, primeiro com uma estimativa em média anual, depois com a criação de uma rotina no programa SPV que possibilita considerar parte dos módulos da usina com sua radiação direta bloqueada. Com essa funcionalidade, é estudado um caso limite dos efeitos desse sombreamento, no qual é visto que a perda de potência em alguns casos pode ser significativa, sendo, portanto, fundamental sua consideração. Por fim, é discutido o sistema de medição necessário tanto para o monitoramento da usina quanto para o correto funcionamento do software SPV.The power generated by a photovoltaic system is highly variable, since it depends on the ambient conditions to which it is submitted. Knowing the local meteorological data, especially temperature and irradiance, in addition to characteristics of the plant’s components, it is possible to estimate, using mathematical models, the expected instant power for the system. The aim for this master’s thesis is to develop a software with this functionality, in order to supervise the operation of a photovoltaic power plant to be built within the project “Inserção da Geração Solar Fotovoltaica Urbana Conectada à Rede em Porto Alegre”. By comparing the real time results simulated by the software with the measured conditions, it will be faster to identify eventual system defects, and easier their diagnosis. For the program’s development, it is modified another software called FVCONECT, which works with mean climatic data from a specific region to simulate the typical behaviour of a system on that place; originating the so-called SPV - SuPerVisor, which, from the input of instant meteorological conditions, provides several data about the operating conditions that should be occurring, such as voltage, current and power, in direct current and in alternate current. This software is, then, validated with comparisons between experimental data measured from a grid-connected photovoltaic system operating at LABSOL and a simulation of this system using the same temperature and irradiance conditions verified on the real plant. The results generally demonstrate agreement, with the produced power comparison having a greater accordance than the current and voltage ones. Situations in which the software presents greater difficulties are analyzed and its causes are discussed, and possible solutions are proposed. The photovoltaic power station which will be supervised is presented, with its components and the compatibility between each other studied. The available area for the setup of the plant is examined in order to better accommodate the photovoltaic modules avoiding as much as possible the occurrence of shading; and the inverters, in order to facilitate their connection. The effect of shading on the system is analyzed, first by an annual mean estimation, and later using the creation of a routine on SPV which enables to consider some of the modules on the plant with their direct solar radiation blocked. With this functionality, it is studied a case which represents the maximum effect from shading on the system, and it is seen that the power loss can be significant, being therefore essential its consideration. At last, it is discussed the measurement system necessary both for the power plant monitoring and for the correct operation of the SPV software

Numerical simulation of natural gas combustion in cylindrical combustion chamber using new correlations for the weighted-sum-of-gray-gases model

Este trabalho consiste em simulações numéricas de uma câmara de combustão cilíndrica que utiliza gás natural como combustível empregando o Software Ansys CFX v13. Um tratamento especial é dado à modelagem da radiação térmica, utilizando-se novas correlações da literatura para o modelo da soma-ponderada-de-gases-cinza, comparando-as com correlações antigas, bem como com trabalhos numéricos e experimentais encontrados na literatura. Os resultados atingiram um bom grau de concordância com os dados experimentais disponíveis, e indicaram que as novas correlações testadas trazem resultados superiores em relação aos obtidos com as tradicionalmente utilizadas.This work consists of numerical simulations of a cylindrical combustion chamber that uses natural gas as combustible employing Ansys CFX v13 software. A special treatment is given to the thermal radiation modeling, using new correlations from the literature for the weighted-sum-of-the-gray-gases model, comparing with old correlations, as well as with numerical and experimental works found in the literature. The results reached a good level of agreement with the available experimental data, and indicated that the new tested correlations lead to superior results relatively to those obtained with the traditionally used ones

Numerical simulation of natural gas combustion in cylindrical combustion chamber using new correlations for the weighted-sum-of-gray-gases model

Este trabalho consiste em simulações numéricas de uma câmara de combustão cilíndrica que utiliza gás natural como combustível empregando o Software Ansys CFX v13. Um tratamento especial é dado à modelagem da radiação térmica, utilizando-se novas correlações da literatura para o modelo da soma-ponderada-de-gases-cinza, comparando-as com correlações antigas, bem como com trabalhos numéricos e experimentais encontrados na literatura. Os resultados atingiram um bom grau de concordância com os dados experimentais disponíveis, e indicaram que as novas correlações testadas trazem resultados superiores em relação aos obtidos com as tradicionalmente utilizadas.This work consists of numerical simulations of a cylindrical combustion chamber that uses natural gas as combustible employing Ansys CFX v13 software. A special treatment is given to the thermal radiation modeling, using new correlations from the literature for the weighted-sum-of-the-gray-gases model, comparing with old correlations, as well as with numerical and experimental works found in the literature. The results reached a good level of agreement with the available experimental data, and indicated that the new tested correlations lead to superior results relatively to those obtained with the traditionally used ones

Desenvolvimento de software para supervisão de usinas solares fotovoltaicas

A potência produzida por um sistema fotovoltaico é altamente variável, pois depende das condições ambientais às quais o mesmo está submetido. Conhecendo-se os dados meteorológicos locais, em especial temperatura e irradiância, além de características dos componentes da instalação, é possível, a partir de modelos matemáticos, estimar a potência instantânea esperada do sistema. O objetivo desta dissertação é desenvolver um software que possua essa funcionalidade, a fim de supervisionar a operação de uma usina solar fotovoltaica que será instalada no âmbito do projeto “Inserção da Geração Solar Fotovoltaica Urbana Conectada à Rede em Porto Alegre”. Comparando-se os resultados calculados pelo software em tempo real com as condições medidas, será mais rápido identificar eventuais defeitos no sistema, e mais fácil seu diagnóstico. Para o desenvolvimento do programa, é alterado o software FVCONECT, que trabalha com dados climáticos médios de uma região para simular o funcionamento típico de um sistema naquele local, dando origem ao programa SPV - SuPerVisor, que, a partir da entrada das condições meteorológicas instantâneas, fornece diversos dados sobre as condições de operação que deveriam estar ocorrendo, tais como tensão elétrica, corrente elétrica e potência, em corrente contínua e em corrente alternada. Esse software é, então, validado a partir de comparações entre dados experimentais medidos em um sistema fotovoltaico conectado à rede instalado no LABSOL e uma simulação desse sistema realizada pelo SPV utilizando as mesmas condições de temperatura e irradiância verificadas no sistema real. Os resultados em geral apresentam concordância, tendo a comparação da potência produzida maior conformidade que as de tensão e corrente. Os pontos de maior dificuldade do programa são analisados e suas causas discutidas, sugerindose possíveis soluções. A usina solar fotovoltaica que será monitorada é apresentada, caracterizando-se seus componentes e a compatibilidade entre os mesmos. O espaço disponível para a instalação é examinado de forma a melhor acomodar os módulos fotovoltaicos, evitando ao máximo a ocorrência de sombreamentos, e os inversores, de maneira a facilitar sua conexão. O efeito do sombreamento no sistema é analisado, primeiro com uma estimativa em média anual, depois com a criação de uma rotina no programa SPV que possibilita considerar parte dos módulos da usina com sua radiação direta bloqueada. Com essa funcionalidade, é estudado um caso limite dos efeitos desse sombreamento, no qual é visto que a perda de potência em alguns casos pode ser significativa, sendo, portanto, fundamental sua consideração. Por fim, é discutido o sistema de medição necessário tanto para o monitoramento da usina quanto para o correto funcionamento do software SPV.The power generated by a photovoltaic system is highly variable, since it depends on the ambient conditions to which it is submitted. Knowing the local meteorological data, especially temperature and irradiance, in addition to characteristics of the plant’s components, it is possible to estimate, using mathematical models, the expected instant power for the system. The aim for this master’s thesis is to develop a software with this functionality, in order to supervise the operation of a photovoltaic power plant to be built within the project “Inserção da Geração Solar Fotovoltaica Urbana Conectada à Rede em Porto Alegre”. By comparing the real time results simulated by the software with the measured conditions, it will be faster to identify eventual system defects, and easier their diagnosis. For the program’s development, it is modified another software called FVCONECT, which works with mean climatic data from a specific region to simulate the typical behaviour of a system on that place; originating the so-called SPV - SuPerVisor, which, from the input of instant meteorological conditions, provides several data about the operating conditions that should be occurring, such as voltage, current and power, in direct current and in alternate current. This software is, then, validated with comparisons between experimental data measured from a grid-connected photovoltaic system operating at LABSOL and a simulation of this system using the same temperature and irradiance conditions verified on the real plant. The results generally demonstrate agreement, with the produced power comparison having a greater accordance than the current and voltage ones. Situations in which the software presents greater difficulties are analyzed and its causes are discussed, and possible solutions are proposed. The photovoltaic power station which will be supervised is presented, with its components and the compatibility between each other studied. The available area for the setup of the plant is examined in order to better accommodate the photovoltaic modules avoiding as much as possible the occurrence of shading; and the inverters, in order to facilitate their connection. The effect of shading on the system is analyzed, first by an annual mean estimation, and later using the creation of a routine on SPV which enables to consider some of the modules on the plant with their direct solar radiation blocked. With this functionality, it is studied a case which represents the maximum effect from shading on the system, and it is seen that the power loss can be significant, being therefore essential its consideration. At last, it is discussed the measurement system necessary both for the power plant monitoring and for the correct operation of the SPV software

Experimental analysis of the single diode model parameters dependence on irradiance and temperature

Five-parameter single diode models are the most used for photovoltaic modeling, and although they usually apply the same basic equation, there are several variations in terms of parameter dependences on irradiance and temperature. Different methods with variations on the resistances’ values with the temperature or irradiance have been proposed, and there is also discussion on the treatment of the dark reverse saturation current with the temperature level. On experimental works, there is even more controversy. Several authors reach distinct conclusions about the behavior of almost every parameter of the single diode model when extracting them at each irradiance or temperature levels. For instance, in accordance to different publications, series resistance may either increase, decrease or remain constant under irradiance variations. In this paper, we review previous studies and their proposals, discussing also the possible influence of the extraction method on these results. Later, two experiments are performed in a solar simulator to extract all the parameters on a broad range of irradiance and temperature levels with an analytical extraction method for crystalline silicon modules. The results show that the thermal coefficient used to correct the open-circuit voltage for different temperatures may depend on the irradiance level, a finding that is not present in the single diode models found in the literature. The most common approaches for the diode ideality factor and the diode reverse current, constant ideality factor and a temperature variation for reverse saturation current are seen to fit with the experimental data, while the parasitic resistances both presented a significant increase for low irradiance levels and no significant dependence on the temperature. These experimental findings, reached using a set of 27 commercial PV modules, may help improve the development of methods for solving the single-diode model and improving its accuracy at different operating conditions

Testing of photovoltaic modules for analysis of series and shunt resistance variation with temperature

O modelo de um diodo é bastante difundido para simular o desempenho de dispositivos fotovoltaicos. Neste trabalho, quatro módulos fotovoltaicos de silício cristalino foram caracterizados em simulador solar em diversas condições de irradiância e temperatura. A resistência em série (RS) e a resistência em paralelo (RP) foram extraídas das curvas I-V por um método analítico com objetivo de se obter expressões que modelem sua dependência com a irradiância e temperatura. Os módulos fotovoltaicos foram ensaiados em irradiâncias de 75 a 1000 W/m² e temperaturas de 25 a 65 °C. Não foi obtido uma relação clara da variação de RP com a temperatura, enquanto que RS apresentou um aumento linear com a temperatura. A modelagem proposta da dependência de RS com a temperatura e irradiância pode ser inserida no modelo de um diodo a fim de aumentar a precisão do cálculo das curvas I-V em ampla faixa de operação.The single diode model is quite widespread to simulate the performance of photovoltaic devices. In this work, four crystalline silicon photovoltaic modules were characterized in solar simulator under various conditions of irradiance and temperature. The series resistance (RS) and the shunt resistance (RP) were extracted from the I-V curves by analytical methods in order to obtain expressions that model their behavior with the irradiance and temperature. The photovoltaic modules were tested at irradiances of 75 to 1000 W / m² and at temperatures of 25 to 65 ° C. A clear behavior of the variation of RP with temperature was not identified, while RS presented a linear behavior with temperature. The proposed model considering the dependence of RS with temperature and irradiance can be inserted into the single diode model in order to increase the precision of the calculation of the I-V curves over a wide operation range.Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES

Testing of photovoltaic modules for analysis of series and shunt resistance variation with temperature

O modelo de um diodo é bastante difundido para simular o desempenho de dispositivos fotovoltaicos. Neste trabalho, quatro módulos fotovoltaicos de silício cristalino foram caracterizados em simulador solar em diversas condições de irradiância e temperatura. A resistência em série (RS) e a resistência em paralelo (RP) foram extraídas das curvas I-V por um método analítico com objetivo de se obter expressões que modelem sua dependência com a irradiância e temperatura. Os módulos fotovoltaicos foram ensaiados em irradiâncias de 75 a 1000 W/m² e temperaturas de 25 a 65 °C. Não foi obtido uma relação clara da variação de RP com a temperatura, enquanto que RS apresentou um aumento linear com a temperatura. A modelagem proposta da dependência de RS com a temperatura e irradiância pode ser inserida no modelo de um diodo a fim de aumentar a precisão do cálculo das curvas I-V em ampla faixa de operação.The single diode model is quite widespread to simulate the performance of photovoltaic devices. In this work, four crystalline silicon photovoltaic modules were characterized in solar simulator under various conditions of irradiance and temperature. The series resistance (RS) and the shunt resistance (RP) were extracted from the I-V curves by analytical methods in order to obtain expressions that model their behavior with the irradiance and temperature. The photovoltaic modules were tested at irradiances of 75 to 1000 W / m² and at temperatures of 25 to 65 ° C. A clear behavior of the variation of RP with temperature was not identified, while RS presented a linear behavior with temperature. The proposed model considering the dependence of RS with temperature and irradiance can be inserted into the single diode model in order to increase the precision of the calculation of the I-V curves over a wide operation range.Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES