Self-Consumption Evaluation for Grid-Connected Photovoltaic Systems Considering Ramp Rate Limit

Grid-connected rooftop photovoltaic (PV) systems are a promising solution to reduce electricity bills and support sustainable development in residential areas. Although excess PV power can be sold to the grid at attractive tariffs, premium feed - in tariffs have been discouraged in many countries. Instead, self-consumption policies have been encouraged to promote local generation and consumption. Rooftop PV systems are connected to the grid; thus, local grid codes are applied to maintain a stable and reliable system operation. A high PV power ramp rate (fluctuation) typically imposes several difficulties: voltage fluctuation problems and shorter electric appliance lifetimes. However, previous studies have failed to consider the PV power ramp rate limit when evaluating self-consumption. In addition, neglecting the ramp rate limit leads to a PV system with a lower self-consumption rate in practical implementation due to ramp rate limitations. Therefore, this study focuses on a self-consumption evaluation in grid-connected PV systems considering the ramp rate limit. A modified inverter-based ramp rate control method is considered to maintain PV power fluctuations within ramp rate limits. Several ramp rate limits are assigned to the ramp rate control method in a comparative study, where two scenarios are considered: low and high PV power fluctuations. The comparative results reveal that PV ramp rate limits positively affect the self-consumption rate but negatively affect the self-sufficiency rate

Modeling of Photovoltaic System with Modified Incremental Conductance Algorithm for Fast Changes of Irradiance

International audienceThe first objective of this work is to determine some of the performance parameters characterizing the behavior of a particular photovoltaic (PV) panels that are not normally provided in the manufacturers' specifications. These provide the basis for developing a simple model for the electrical behavior of the PV panel. Next, using this model, the effects of varying solar irradiation, temperature, series and shunt resistances, and partial shading on the output of the PV panel are presented. In addition, the PV panel model is used to configure a large photovoltaic array. Next, a boost converter for the PV panel is designed. This converter is put between the panel and the load in order to control it by means of a maximum power point tracking (MPPT) controller. The MPPT used is based on incremental conductance (INC), and it is demonstrated here that this technique does not respond accurately when solar irradiation is increased. To investigate this, a modified incremental conductance technique is presented in this paper. It is shown that this system does respond accurately and reduces the steady-state oscillations when solar irradiation is increased. Finally, simulations of the conventional and modified algorithm are compared, and the results show that the modified algorithm provides an accurate response to a sudden increase in solar irradiation

Optimization of photovoltaic energy by a microcontroller: Arduino Solar Tracker

International audienceOne of the major challenges of all nations today is to find new energy sources to meet the needs for continued growth in Energy Term. The conversion of sunlight into electricity via photovoltaic solar cells is becoming a necessity in particular through the observation of a global evolution in clean energy that respects the environment. The main challenge is to optimize as much as possible the cost / energy ($/watt) ratio thus boosting both energy performance and at the same time take full advantage of the sun's rays throughout the day.In this context the sun trackers are such devices for efficiency improvemen

Une ressource pédagogique pour l'enseignement par simulation : cas des panneaux photovoltaïques

International audienceThe aim of this paper is to present an educational approach in order to teach photovoltaic (PV) panels at different levels of education (high school, bac + 2, bac + 3, bac + 5), that for institutions that have a problem of didactic benches unavailability or who cannot afford to buy them, this using low cost prototyping and modeling / simulation tool (PSIM and MATLAB / SIMULINK). In addition, this paper shows how to use these tools in order to approximate the purpose of the training for each level. This work could also be a tutorial on which young researchers in the field of PV panels can rely to simulate a PV panel in different ways.L'objectif de cet article est de présenter une approche pédagogique dédiée à l'enseignement des panneaux photovoltaïques (PV) aux différents niveaux d'études (lycée, bac+2, bac+3, bac+5), ça pour les écoles qui ont un problème de manque de matériels ou qui n'ont pas les moyens pour les acheter, ceci en utilisant des logiciels de prototypage et de modélisation/simulation à coût réduit (PSIM et MATLAB/SIMULINK), en plus cet article montre aussi comment utiliser ces logiciels afin d'atteindre approximativement l'objectif de la formation pour chaque niveau d'étude. Cet article pourra être aussi un tutorial sur lequel les chercheurs débutants dans le domaine des panneaux photovoltaïques peuvent se baser pour simuler un panneau PV avec différentes façons. Mots-clés—Approche pédagogique; tutoriel; Panneaux PV; Psim; Matlab/Simulin

Optimum MPPT technique for reconfiguring the photovoltaic array under partial shading failure

Partial shading (PS) considerably restricts photovoltaic (PV) systems, requiring extraction of the global maximum power point (GMPP). This persistent challenge engenders continuous fluctuations in the maximum power point (MPP) and demands utmost attention. In this regard, this paper presents a novel hybrid scanning technique and a Perturb and Observe (P&O) algorithm meticulously designed to accurately track the PV array’s GMPP encountering PS, non-uniform dust deposition, or any common failures. Furthermore, it serves as an efficient tool that operates in tandem with the dynamic reconfiguration approaches. Extensive simulation tests were carried out using MATLAB Simulink software, while the validation and verification processes were conducted using an integrated Arduino board. Consequently, the simulation results exhibit outstanding accuracy and stabilit

Contribution à l’optimisation de l’énergie soutirée des panneaux photovoltaïques par un système embarqué

اليوم، أصبح من الضروري الانخراط في استخدام موارد الطاقة المتجددة لتغطية الطلب المتزايد على الطاقة وتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري. الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV) هي واحدة من مصادر الطاقة المتجددة الأكثر استعمالا في العالم، خالية من الضوضاء مع إنتاج ملوثات طفيفة لا تؤثر على البيئة. ومع ذلك، فالتكلفة الأولية للألواح الكهروضوئية التي تستعمل لتوليد الطاقة الكهربائية من الطاقة الشمسية تبقى مرتفعة، بالإضافة إلى كفاءة تحويلها المنخفضة. كما أن الطاقة المحصلة غير خطية والتي تقدم نقطة واحدة لاستخراج الطاقة القصوى. أمام هذه التحديات، من الضروري تشغيل النظام الكهروضوئي عند نقطة الطاقة القصوى (MPP). في هذا السياق، هدفنا في هذه الأطروحة هو تطوير وتحسين النظم الكهروضوئية، وذلك عن طريق المساهمة في تحسين الطاقة التي يتم سحبها من اللوحة الكهروضوئية باستخدام النظام المدمج (Embedded System). من أجل هذا الغرض، وجب أولا دراسة وإنجاز نموذج للوحة كهروضوئية من أجل محاكاة واختبار خوارزمية تتبع نقطة الاستطاعة العظمى (MPPT)، كما ينبغي أن يتوافق هذا النموذج مع السلوك الحقيقي الفعلي للوحة الكهروضوئية. ولذلك، فإن هذا العمل يهدف في المقام الأول إلى اقتراح نموذج للوحة الكهروضوئية في برنامج Proteus. وهكذا، تم إعداد اختبار تجريبي بمكونات حقيقية للتحقق من صحة هدا النموذج. من ناحية أخرى، يقترح هذا العمل خوارزمية زيادة الناقلية (INC) معدَّلة لتحسين قدرة تحكم المتتبع نقطة الاستطاعة العظمى عند التغيير المفاجئ لأشعة الشمس، حيث تم إجراء ثلاثة تعديلات في خوارزمية زيادة الناقلية على النحو التالي: (1) الكشف عن التغيير المفاجئ لأشعة الشمس واتخاد القرار الصحيح. في هذه الحالة (2) إلغاء جميع حسابات القسمة في خوارزمية زيادة الناقلية وتبسيط هيكلها لجعلها تبرمج بسهولة في المتحكمات الدقيقة (Microcontrollers) منخفضة التكلفة. وبالتالي، تقديم نظام كهروضوئي منخفض التكلفة. (3) اقتراح خطوة متغيرة جديدة لخوارزمية زيادة الناقلية من أجل الحد من التذبذبات في النظام المستقر وتحسين سرعة التتبع تحت التغيير المفاجئ لأشعة الشمس. بعد هدا، تم محاكاة التعديل الأول باستخدام برنامج PSIM، وتبين النتائج أن الخوارزمية المعدلة توفر استجابة دقيقة للتغير المفاجئ في الإشعاع الشمسي مع مردود يقارب ٪ 98.8. في حين تم محاكاة التعديل الثاني باستخدام النموذج المقترح للوحة الكهروضوئية في برنامج Proteus. من أجل التحقق العملي، تم إعداد الاختبار التجريبي باستخدام لوحة أردوينو1 (Arduino Uno) مع متحكم دقيق Atmega328 مدمج فيها. وبالتالي، تقديم نظام كهروضوئي منخفض التكلفة مع مردود يبلغ ٪ 98.5. بالنسبة للتعديل الثالث فتم تطويره كما يتم تطوير برمجيات السيارات والطيران، وهذا عن طريق اتباع نموذج V، مما يعني أنه تم التحقق من أداء وصحة متحكمنا باستخدام الاختبارات التالية:(Model in the Loop/Software in the Loop/Processor in the Loop). وذلك لتسهيل تطبيق النظام المدمج لمتتبع نقطة الاستطاعة العظمى في مجالات السيارات والطيران. وتجدر الإشارة إلى أنه تم استخدام برنامج Matlab/Simulink لإجراء الاختبارات MIL/SIL/PIL، وأيضا استخدمت لوحة STM32F4 للاختبار PIL. من ناحية أخرى، إذا كان خفض التكاليف ليس مهما أمام ضمان مستوى عال جدا من متانة وكفاءة النظام الكهروضوئي، فمن الضروري استخدام طريقة قوية وفعالة. لذلك في هذه الأطروحة، تم تصميم وتنفيذ خوارزمية متتبع نقطة الاستطاعة العظمى باستخدام مرشح كالمان (Kalman filtre)، وهي طريقة فعالة وذات مستوى عال من المتانة والدقة. النتائج التي تم الحصول عليها تظهر بوضوح تفوق الطريقة المقترحة، فإنها تعطي مردود يقدر ب ٪ 99.38، وهذا أعلى بنسبة ٪ 3 بالمقارنة مع الطريقة زيادة الناقلية التقليدية (INC). وبتالي في هذه الأطروحة تم اقتراح حلين، الأول هو للتطبيقات منخفضة التكلفة مع أداء جيد باستخدام خوارزمية زيادة الناقلية المعدلة التي اقترحناها، والثاني هو للتطبيقات الأكثر كفاءة ومتانة باستخدام مرشح كالمان.Considering the high initial capital cost of photovoltaic (PV) panels and their low conversion efficiency, it is imperative to operate the PV system at the maximum power point (MPP). In this context, our goal in this thesis is to develop and improve the PV system, by contributing to the optimization of energy withdrawn from PV panel using an embedded system. For this purpose, in order to simulate and test MPPT algorithm, the model of the PV panel should be first studied in accordance with the real behavior of the PV panel. Therefore, the single diode model of the PV panel is introduced in Matlab/Simulink and PSIM. Moreover, for the first time, the PV panel model is developed in Proteus; an experimental test bench was built to validate the developed model. On the other hand, this work proposes a modified incremental conductance (INC) algorithm to improve the MPP tracker (MPPT) capability for PV system when the irradiation is suddenly modified. Three modifications are made in the INC algorithm, which are described as follows: (1) A check to identify the increase in irradiation and make a correct decision. (2) Eliminate the all-division computations in the INC algorithm and make the algorithm structure simpler allowing the algorithm to be easily implemented by a low-cost embedded system. (3) A modified variable step INC algorithm is used, which can reduce the steady-state oscillations and improve the tracking speed under sudden irradiance variation. The first modification is simulated using PSIM through “Software in the Loop” test and the results show that the modified algorithm provides an accurate response to a sudden variation of solar irradiation with an efficiency of 98.8 %. The second modification is simulated using the PV panel model proposed in Proteus. For verification, a hardware test bench is implemented by using Arduino Uno board in which the low-cost Atmega328 microcontroller is integrated. This has led to a low-cost PV system with an efficiency of 98.5 %. The third modification is developed following the techniques employed in the automotive and aeronautical embedded system. This is done by following the V-cycle development process, which means that our controller will be validated using “Model in the Loop/Software in the Loop/Processor in the Loop” tests. In this sense, integrating the MPPT embedded system in the automotive or the aeronautical area will be possible. It should be mentioned that Matlab/Simulink is used for MIL/SIL/PIL tests, thus STM32F4 board is used for PIL test. On the other side, if minimizing the cost of the PV system is not important than guarantying a very high level of robustness and efficiency, it is required to use a more powerful method. Therefore in this thesis, we design and implement MPPT based on Kalman Filter. The expected outcome of this proposal is an efficient MPPT method which presents a very high level of robustness, reliability and accuracy. The obtained results clearly highlight the superiority of the proposed method; it yields an efficiency of 99.38 %, which is almost 3 % higher than the conventional INC method. In a nutshell, this thesis proposed two solutions, the first one is for low-cost applications with a good performance using the modified INC, and the second is for higher performance and critical applications by using Kalman filter.Vu la forte sensibilité des panneaux photovoltaïques (PV) aux l’irradiation solaire et à la température, leur faible rendement et leur coût élevé, il est impératif de les faire fonctionner au point de puissance maximale (MPP). Dans ce contexte, l’objectif de ce travail est de développer, améliorer et optimiser l'énergie soutirée du panneau PV en utilisant les techniques des systèmes embarqués. Il s’agit donc, dans une première étape d’étudier et de simuler le modèle du panneau PV dans le but d’avoir un modèle fiable décrivant correctement le comportement réel de ce dernier qui sera utilisé par la suite pour simuler et tester les algorithmes MPPT. Dans cette thèse le modèle du panneau PV à une seule diode a été retenu et simulé dans deux environnements connus, Matlab/Simulink et PSIM. De plus, une procédure de simulation d’un panneau PV a été réalisée dans l’environnement Proteus. Les résultats de simulation et expérimentaux ont été confrontés. Dans une deuxième étape de ce travail des modifications à l’algorithme d’incrémentation de la conductance (INC) classique ont été apporté afin d’améliorer la capacité du contrôleur MPPT pendant les variations brusque de l'irradiation solaire. Trois modifications proposées et exécutées pour cet algorithme à savoir : (1) L’ajout d’une condition permettant de détecter cette variation de l’irradiation solaire et par conséquent d’assurer un suivi MPP correct. (2) L’élimination de tous calculs de divisions dans l'algorithme (INC) afin de simplifier sa structure et facilité son implémentation et par conséquent réduire le temps de réponse et le cout du système photovoltaïque. (3) Adopté un pas variable pour réduire les oscillations en régime permanent et améliorer la vitesse de poursuite sous des variations soudaines d’irradiations solaires.La première modification a été simulée avec le logiciel PSIM en utilisant le test “Software in the Loop”, les résultats ont montré que l'algorithme modifié fournit une réponse précise avec un rendement de 98,8 %. La deuxième modification a été simulée à l'aide du modèle du panneau photovoltaïque élaboré sous Proteus et validée au laboratoire au moyen d’un émulateur solaire et une carte Arduino (Uno intégrant un microcontrôleur Atmega328) justifiant ainsi le faible coût du système avec une efficacité de 98,5 %. La troisième modification a été développée en guise de la manière adoptée par l’industrie automobile et aéronautique dans le but d’une éventuelle intégration dans ces domaines. Le cycle de développement en V sera donc suivi, et notre contrôleur MPPT va se soumettre aux trois tests à savoir les tests : Model In the Loop, Software In the Loop et Processor In the Loop. Ces trois tests du cycle ont été exécutés et testés avec Matlab/Simulink, et la carte STM32F4 a été utilisée pour le test PIL. Par ailleurs, nous avons aussi envisagé d’implémenter un algorithme MPPT très puissant basé sur le filtre de Kalman dans le cas où la précision, la robustesse et l’efficacité du système priment sur son prix. Les résultats de simulation de cet algorithme montrent clairement sa supériorité par rapport aux algorithmes classiques. Le rendement obtenu avoisine 100% (99,38).En résumé de ce travail, nous pouvons dégagés deux idées majeures : La première, pour des applications à faible coût avec des bonnes performances nous proposons l’utilisation de l’algorithme INC modifié. La seconde, pour des applications plus performantes et critiques nous proposons l’algorithme basé sur le filtre de Kalman

Rideaux avec des barres solaires lumineuses autonomes, mobiles et modulables

Une barre solaire qui combine un panneau solaire et qui fournit de la lumière et qui joue le rôle de rideaux ordinaires , à l'intérieur de la barre nous intégrons une batterie pour emmagasiner l’énergie solaire convertie en électricité , les barres solaires sont branchées à un dispositif intègre un moteur pas à pas, pour permettre à la barre de se déplacer entre les fenêtres et le plafond, chaque barre est autonome et modulable, la barre fournira de l'énergie à la led quand elle est allumée, sinon, elle stockera l'énergie dans la batterie interne et si la batterie interne est complètement chargée, l'énergie excédentaire sera transmise à une autre batterie non chargée par les fils conducteurs sur les rails