Computing tools applied to the analysis of performance and sustainability of photovoltaic systems

Mención Europeo / Mención Internacional: Concedido[SPA] Esta tesis doctoral se centra en la evaluación del impacto ambiental de las diferentes tecnologías fotovoltaicas, con especial énfasis en los beneficios de la sustitución de los combustibles fósiles convencionales, con la producción de electricidad limpia a partir de los sistemas fotovoltaicos. Las emisiones de CO2 se destacan como la principal razón para el cambio climático. Estilo de vida humana (transporte, industria, etc) tiene que ser cambiado con el fin de seguir las directrices de la AIE. La energía sostenible tiene un papel importante para reducir el uso de combustibles fósiles como fuente de energía. Las economías en crecimiento dependen en gran medida de los combustibles fósiles y, por tanto, el cambio de su política energética son la clave para frenar el calentamiento global. El estudio sigue una metodología detallada basada en "Life Cycle Analysis" en combinación con enfoques técnicos para supervisar las instalaciones fotovoltaicas de trabajo y por lo tanto ofrece resultados cuantitativos en términos de emisiones evitadas y el potencial de mitigación del cambio climático de la energía fotovoltaica en diferentes contextos, que van desde la construcción de la integración de los sistemas conectados a la red de electrificación de los medios de vida rurales. La producción de electricidad es responsable de 32% del consumo mundial total de combustible fósil. Con el fin de mitigar el cambio climático, varios países ya han establecido protocolos orientados a la reducción de las emisiones de efecto invernadero de gases fluorados (protocolo de Kyoto) y promovió el aumento de la contribución de las energías renovables en el mix energético. Desarrollo de las energías renovables ha sido continua creciendo a pesar de la crisis económica en los últimos años. Tecnologías eólicas y fotovoltaicas sobresalen en progreso y se consideran como una futura fuente sostenible de electricidad fiable. Esta tesis es una contribución a la mejora del rendimiento y la sostenibilidad a largo plazo de los sistemas fotovoltaicos que ofrece el uso de las herramientas informáticas y de varias metodologías que se han aplicado a diferentes estudios de casos, que van desde el seguimiento y la evaluación experimental de un sistema conectado rejilla fotovoltaica la electrificación de un medio de vida rural. Estandarizada Valoración del Ciclo de Vida (ACV) se aplica durante esta tesis para medir el impacto ambiental de un generador fotovoltaico conectado a la red 222kWp CdTe ubicado en la Universidad de Murcia. Se identificaron los beneficios ambientales de la construcción de la integración (en el techo de un estacionamiento). El monitoreo constante del sistema nos permitió obtener información real sobre su rendimiento. El período de recuperación de energía del sistema se encontró que era 2,06 años y 1,69 cuando se asume un escenario de reciclaje. Tener un factor de emisión de CO2 es de 6.33 y 5.38 gCO2/kWh gCO2/kWh respectivamente. LCA también se aplica para medir las emisiones evitadas de 1kWp de tres tecnologías fotovoltaicas: de película delgada (CdTe), tecnologías de polímeros c-silicio y orgánicos, modelando dieciséis combinaciones diferentes de ubicaciones geográficas en los módulos podrían ser fabricados y / o instalados, respectivamente. La óptima geográfica. combinación, la relación fabricante-installer, es decir, se propone una "asignación" geográfica que proporciona las emisiones de CO2 evitadas por mayor kWp de capacidad fotovoltaica instalada: África Brasil-Sudáfrica, Colombia y Sudáfrica. Brasil-Australia, Colombia, Australia, etc Por último, con el fin de decidir qué tecnología de energía puede suministrar electricidad a las zonas rurales aisladas de países en desarrollo, un software de decisión multicriterio existente (SUREDSS) que tiene en cuenta los impactos sobre el medio ambiente, financiero , los activos físicos y humanos, la naturaleza y ha sido empleado. El impacto ambiental global de la tecnología fotovoltaica esta en este programa, por lo tanto, la ampliación de la información suministrada a la toma de decisiones. El software se aplicó a un caso de estudio en Cuba, y los resultados mostraron que las tecnologías fotovoltaicas que se consideran son la mejor alternativa energética que maximice los beneficios en las cinco capitales o activos de la comunidad rural, siendo mejor solución que el generador diesel. Esta tesis doctoral se basa en la importancia de las tecnologías fotovoltaicas en nuestra sociedad como la solución para frenar el efecto invernadero. Proporciona una evaluación cuantitativa mediante la evaluación de sus impactos ambientales y las ventajas de sustituir el consumo de combustibles fósiles por electricidad limpia a partir del recurso solar. Los resultados se basan en estudios de casos reales y recogida de datos experimentales que nos permitió calcular el rendimiento de los sistemas y su potencial para la mitigación del cambio climático.[ENG] This PhD dissertation focuses on the evaluation of the environmental impact of different photovoltaic technologies, with special focus on the benefits of replacing conventional fossil fuels with clean electricity production from photovoltaic systems. Emissions of CO2 are highlighted as the main reason of climate change. Human life style (transport, industry, etc.) has to be changed in order to follow the IEA directives. Sustainable energy has an important role to reduce the use of fossil fuels as energy source. Growing economies depend strongly on fossil fuels, and therefore, changing its energy policy are key to slow down global warming. The study follows a detailed methodology based on "Life Cycle Analysis" in combination with technical approaches to monitor working PV facilities and therefore provides quantitative results in term of avoided emissions and the potential for climate change mitigation of PV in different context, ranging from building integration of grid-connected systems to electrification of rural livelihoods. Electricity production is responsible for 32% of total global fossil fuel consumption. In order to mitigate climate change, several countries have already established protocols aimed at the reduction of green-house-gases emissions (Kyoto protocol) and promoted the increase of renewable energy contribution into the energy mix. Development of renewable energies has been continuously growing despite the economic crisis in recent years. Wind and photovoltaic technologies excel in progress and are considered as a reliable future sustainable source of electricity. This thesis is a contribution to the improvement of performance and long term sustainability of photovoltaic systems provided by the use of computing tools and several methodologies which have been applied to different case studies, ranging from the monitoring and experimental evaluation of a photovoltaic grid connected system to the electrification of a rural livelihood. Standardised Life Cycle Assessment (LCA) methodology is applied during this dissertation to measure the environmental impact of a 222kWp CdTe grid-connected photovoltaic generator located at University of Murcia. Environmental benefits of building integration (in the roof of a parking lot) were identified. Constant monitoring of the system allowed us to get real information about its performance. The Energy Pay Back Time of the system was found to be 2.06 years and 1.69 when a recycling scenario is assumed. Having a CO2 emission factor is 6.33 gCO2/kWh and 5.38 gCO2/kWh respectively. LCA is also applied to measure avoided emissions of 1kWp of three photovoltaic technologies: thin-film (CdTe), c-Silicon and Organic polymeric technologies, modelling sixteen different combinations of geographical locations where the modules could be manufactured and/or installed, respectively. The optimum geographical. combination, manufacturer-installer relationship, that is, a geographical “allocation” that provides the higher avoided CO2 emissions per kWp of installed PV capacity is proposed: Brazil-South Africa, Colombia-South Africa. Brazil-Australia, Colombia-Australia, etc. Finally, in order to decide which energy technology can supply electricity to isolated rural areas in developing countries, an existing multi-criteria decision software (SUREDSS) which takes into account the impacts on environmental, financial, human, nature and physical assets has been employed. The global environmental impact of photovoltaic technology was added to this software, therefore extending the information provided to the decision maker. The software was applied to a case study in Cuba, and the results showed that the considered photovoltaic technologies are the best energy alternative that maximizes the benefits on the five capitals or assets of the rural community, being better solution than diesel generator. This PhD dissertation draws on the importance of PV technologies in our society as solution to slow down the greenhouse gas effect. It provides quantitative assessment by evaluating its environmental impacts and the benefits of replacing fossil fuel consumption by clean electricity from the solar resource. The results are based in real case studies and collection of experimental data which allowed us to calculate the performance of the systems and its potential for climate change mitigation.Universidad Politécnica de CartagenaPrograma de doctorado en Energías renovable

Técnicas de aprendizaje computacional aplicadas a la fotovoltaica

[ESP] En este artículo mostramos los resultados de la aplicación de varios métodos de aprendizaje computacional sobre datos procedentes de una instalación fotovoltaica de 222kWp de CdTe. Los datos de uno de los 30 grupos de módulos han sido estudiados en profundidad para predecir el estado en que se encuentra cuando el rendimiento es bajo: afectado por sombra fija, por sombra variable, los módulos están sucios, error ajeno a dichas circunstancias, etc. o bien identificar que está generando electricidad de forma adecuada.Asociación de Jóvenes Investigadores de Cartagena, (AJICT). Universidad Politécnica de Cartagena. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial UPCT, (ETSII). Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronónica, (ETSIA), Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación (ETSIT). Escuela de Ingeniería de Caminos, Canales, y Puertos y de Ingeniería de Minas, (EICM). Fundación Séneca, Agencia Regional de Ciencia y Tecnología. Parque Tecnológico de Fuente Álamo. Grupo Aquiline

Professional and Academic Digital Identity Workshop for Higher Education Students

Public virtual profiles arose with the evolution of the web and its related technologies. The individual virtual profiles leave a digital footprint that serves as a showcase of the individual. The analysis and management of what is known as digital identity should be an element to be mastered within the digital competencies of future professionals and current university students. This work describes the research carried out over four years through the Digital Identity Workshop, whose public is higher education students. The research has a double objective; first, to study the student’s self-analysis and self-reflection based on his presence on the web; second, to learn strategies for correctly managing his digital identity from the professional and academic point of view. The result has been a success in meeting these objectives after the various editions of the workshop. Pre and post-tests show a significant increase in the students’ digital skills in this field of personal branding

Análisis del ciclo de vida de un generador fotovoltaico de 1kWpy dependencia geográfica de su impacto medioambiental

En este artículo mostramos los resultados de la aplicación de la metodología de Análisis de Ciclo de Vida en una instalación fotovoltaica de 1kWp de capacidad, con módulos fabricados con tecnología de Teluro de Cadmio. Se ha metido su impacto en términos de kilos de CO2 que se podrían evitar emitir a la atmósfera con su funcionamiento, y cómo varían estos valores en función del lugar donde se fabrique y donde finalmente se instale el sistema para su funcionamiento, es decir, la dependencia geográfica del impacto, incluyendo el transporte de los componentes.Centro Universitario de la Defensa. Escuela de Turismo de Cartagena. Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial UPCT. Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación (ETSIT). Escuela de Ingeniería de Caminos y Minas (EICM). Escuela de Arquitectura e Ingeniería de Edificación (ARQ&IDE). Parque Tecnológico de Fuente Álamo. Navantia. Campus Mare Nostrum. Estación Experimental Agroalimentaria Tomás Ferro

Measurement of thermal and electrical parameters in photovoltaic systems for predictive and cross-correlated monitorization

Photovoltaic electricity generation is growing at an almost exponential rate worldwide, reaching 400 GW(p) of installed capacity in 2018. Different types of installations, ranging from small building integrated systems to large plants, require different maintenance strategies, including strategies for monitorization and data processing. In this article, we present three case studies at different scales (from hundreds of W-p to a 2.1 MWp plant), where automated parameter monitorization and data analysis has been carried out, aiming to detect failures and provide recommendations for optimum maintenance procedures. For larger systems, the data collected by the inverters provides the best source of information, and the cross-correlated analysis which uses these data is the best strategy to detect failures in module strings and failures in the inverters themselves (an average of 32.2% of inverters with failures was found after ten years of operation). In regards to determining which module is failing, the analysis of thermographic images is reliable and allows the detection of the failed module within the string (up to 1.5% for grave failures and 9.1% of medium failures for the solar plant after eleven years of activity). Photovoltaic (PV) systems at different scales require different methods for monitorization: Medium and large systems depend on inverter automated data acquisition, which can be complemented with thermographic images. Nevertheless, if the purpose of the monitorization is to obtain detailed information about the degradation processes of the solar cells, it becomes necessary to measure the environmental (irradiance and ambient temperature), thermal and electrical parameters (I-V characterization) of the modules and compare the experimental data with the modelling results. This is only achievable in small systems.C.T. is grateful to Fundación Séneca-CARM for grant (Exp. 19768/FPI/15). The authors want to acknowledge Pedro García Trenza (from company Drónica) and Emilio Ballester (from company CRES) for sharing data and for their helpful comments. This research was funded by MINECO-Spain (including FEDER funds): Project ENE2016-79282-C5-5-R and Fundación Séneca (Región de Murcia, Spain): Project 19882-GERM-15

Educational Hall Escape: Increasing Motivation and Raising Emotions in Higher Education Students

Educational Escape Room is an innovative method used in classrooms to motivate students. This article describes a version of Educational Escape Room applied to undergraduate students. Specifically, this work presents an adaptation of the method called Educational Hall Escape, characterized by the resolution of challenges in a game-adapted room in which several student groups compete to finish the activity in the least amount of time. To date, the Educational Hall Escape method applied to the field of business economy has not been reported in the literature. The objective of the study is to analyze the influence of the Educational Hall Escape method on the learning processes and emotions of students during the activity and its impact on their motivation and the reinforcement their competences and knowledge. An experiment was designed in which the class was divided into a control group and an experimental group. To measure the impact of the experience in the students, two tools were used: an exam and the Gamefulquest survey. Despite the fact that the results obtained show that the students perceived the experience as a game, it improved their motivation and increased their proclivity to have an emotional bond with the subject, the academic results remained steady

Aplicaciones del análisis del ciclo de vida en el software SURE

SURE es una herramienta de evaluación de viabilidad de proyectos de desarrollo energético en poblaciones aisladas. Este software implementa algoritmos para evaluar las alternativas tecnológicas que podrían suministrar la electricidad que necesita la comunidad, atendiendo a criterios tanto tecnológicos como socio-económicos y medio ambientales. El resultado del software es un factor numérico aplicado a cinco capitales: natural, físico, humano, social y financiero. En este artículo proponemos un agregado y mejora con respecto a los criterios que inciden en el impacto sobre el capital físico. Se trata de un criterio extraído de la metodología de Análisis de Ciclo de Vida, en concreto el tiempo de retorno energético de la tecnología que se está evaluando en SURE.Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Telecomunicación, (ETSIT). Escuela Técnica Superior de Ingeniería Agronómica, (ETSIA). Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial (ETSII). Escuela de Arquitectura e Ingeniería de Edificación (ARQ&IDE). Escuela de Ingeniería de Caminos y de Minas, (EICM). Centro Universitario de la Defensa, CUD. Parque Tecnológico de Fuente Álamo Campus Mare Nostrum

Life Cycle Assessment of graphene production routes for its use as electrode in organic solar cells

1 figure.-- Work presented at the NanoteC19 conference, International Conference on Carbon Nanosciene and Nanotechnology, 27th-30th august 2019, Zaragoza (Spain).Graphene production may reach very soon an industrial level depending on the application in which it will be used. In order to evaluate the sustainability of this massive production, a Life Cycle Assessment (LCA) methodology has been applied to obtain the environmental impact of graphene production by different routes [1,2]. A detailed material inventory is compiled, the cumulative energy demand is calculated and the environmental impact is evaluated for several categories, such as resources depletion, climate change (via Green-House Gases emissions), ocean acidification, or human health risks. The cumulative energy demand is found to have a cap value between 20.7 and 68.5 GJ/Kg (Figure 1, left), a relatively high value, while impact in other categories is lower, and materials inventory does not include critical or strategic materials other than graphite itself [3]. The LCA methodology is applied in this work with special focus on chemical exfoliation/reduction from graphite oxide and its use as electrode in organic solar cells [4]. Then, the relatively large cumulative energy demand of graphene within the device is balanced by the extension of operative lifetime of the solar cells which incorporate some variations of the graphene-based electrode (Figure 1, right).Peer reviewe