Publicação
Study and characterization of the impacts of soiling on the performance of photovoltaic systems
| Resumo: | A acumulação de partículas na superfície de painéis solares é um fenómeno transversal a todas as tecnologias fotovoltaicas. Este fenómeno é designado por Soiling, e têm como principal consequência a redução da eficiência fotovoltaica dos painéis. Esta tese tem como por objetivo a caracterização e quantificação das perdas causadas pelo efeito do soiling em painéis solares. Para tal, serão estudados cinco módulos instalados nos arredores de Paris com o intuito de obter uma taxa de degradação da potência para cada painel. O impacto do Soiling será estudado através da análise da eficiência dos painéis durante períodos secos, com um foco especial no maior período seco de que existem registos, durante o qual todos os módulos sofreram um decréscimo de eficiência para um intervalo de confiança superior a noventa por cento. Os painéis encontram-se no Observatório SIRTA [1], orientados a Sul a uma inclinação fixa de vinte e sete graus. Situados em terreno aberto, a cerca de vinte centímetros do solo, os painéis estão inseridos numa área rodeada por extensos relvados, caracterizada por uma fraca intensidade rodoviária. Para a realização deste estudo, foi disponibilizada uma ampla gama de dados amostrados em intervalos de dez minutos, permitindo uma precisa análise intra-diária da eficiência fotovoltaica. Dados como a temperatura, potência, corrente e tensão dos painéis, irradiância, temperatura ambiente, pluviosidade, velocidade do vento, humidade relativa, entre muitos outros, possibilitaram não só o estudo do impacto do soiling na performance dos painéis, como também várias outras análises acessórias relevantes. A tese inicia-se por uma abordagem aos principais fatores que afectam a taxa de deposição de partículas nos módulos, assim como os seus variados impactos na eficiência dos painéis. Esta secção visa introduzir o leitor aos conceitos básicos indispensáveis à compreensão da tese, e igualmente fornecer uma contextualização alargada de modo a facilitar a interpretação dos resultados apresentados. Seguem-se depois os métodos e objetivos, o capítulo central desta tese, o qual explica em detalhe todo o processo que culminou na quantificação do impacto do soiling na performance dos painéis estudados. Este capítulo encontra-se dividido em aproximadamente três partes. A primeira, relativa ao processamento inicial dos dados, envolve o cálculo da temperatura dos módulos, a sua eficiência de conversão e subsequente correção térmica. Grande parte desta seção é dedicada estimação das temperaturas dos módulos, as quais serão necessárias para preencher eventuais lacunas devido a falhas dos sensores térmicos. Estas temperaturas serão obtidas através da implementação de dois modelos térmicos capazes de simular a temperatura dos módulos. O primeiro, já existente na literatura, requer apenas a introdução da temperatura ambiente, irradiância, e a temperatura nominal de operação das células solares. Embora este valor seja geralmente fornecido pelo fabricante, este último foi calculado experimentalmente, assegurando que o modelo fosse fornecido com temperaturas nominais de operação de células reais, medidas nas suas verdadeiras condições de operação. O segundo modelo, baseado na modelação /dos fluxos de calor entre o painel e o ambiente, foi criado de raiz com o intuito de aumentar a precisão das estimativas. A estabilidade e desempenho destes modelos será avaliada, comparando a sua precisão e fiabilidade sob diferentes condições. De seguida, a eficiência dos painéis será calculada e corrigida para uma temperatura base de vinte e cinco graus Celcius. Esta correção é indispensável à análise da degradação do desempenho dos painéis, uma vez que remove o efeito da temperatura na eficiência, permitindo o cálculo das taxas de degradação de potência normalizadas. A qualidade desta correção será também estudada de modo a garantir a validade dos resultados. O segundo passo centra-se no reprocessamento dos valores de eficiência por forma a facilitar a deteção de eventuais perdas, permitindo obter uma taxa de degradação da potência fiável. Para tal, a eficiência diária acumulada dos painéis será calculada, com o objetivo de simplificar a análise através da redução das variações intra-diárias, obtendo uma série mais representativa das variações de eficiência. Nesta fase serão também filtrados valores anormais de eficiência, resultantes de erros de medição ou condições de fraca iluminação, detrimentais ao estudo em curso. Será ainda feita uma análise da relação entre a dispersão dos valores diários de eficiência e as condições climatéricas, uma vez que estas podem dificultar a análise dos impactos do soiling, afetando a extração e significância estatística das taxas de degradação de eficiência. O terceiro e último passo consiste na identificação dos períodos secos, ou intervalos durante os quais a chuva não foi suficientemente forte por forma a interferir com a acumulação de partículas nos painéis, e portanto ideais para o cálculo das taxas de degradação da eficiência. Estas serão baseadas no declive da recta resultante de uma regressão linear das eficiências durante estes períodos. O uso de uma regressão linear na previsão de perdas pelo efeito do soiling é baseado em estudos de natureza semelhante, os quais concluíram que o declínio do desempenho fotovoltaico observado durante períodos secos é aproximadamente linear, decrescendo continuamento durante períodos sem chuva e regressando a níveis normais após um episódio de precipitação [2]. Estes factos sugerem que os efeitos do soiling no desempenho de um Sistema PV podem ser estimados adotando um modelo linear de perdas de eficiência entre eventos significativos de precipitação. A quantificação destas perdas foi feita para dois tipos de períodos. Inicialmente, apenas períodos durante os quais a precipitação diária não excedeu os cinco milímetros foram estudados. Isto consistiu no cálculo das taxas de degradação da eficiência para estes intervalos. De seguida, este limiar foi fixado num valor mais conservador, assegurando que nenhum processo de limpeza possa ter acontecido, e as taxas de degradação recalculadas. Uma ênfase especial foi dada ao mais longo período seco de que existem registos, durante o qual todos os painéis registaram uma diminuição inequívoca de eficiência. A taxa de degradação média de potência durante este intervalo foi de -0.042 %/Dia, um valor que se encontra de acordo com vários outros estudos semelhantes [2,3]. Devido à sua incomparável duração, estendendo-se por trinta e sete dias, uma especial atenção foi dada a este intervalo, uma vez que este foi o mais longo período de acumulação ininterrupta de partículas. Por fim, foi feita uma breve análise estatística das regressões lineares, visando validar os resultados. As regressões lineares foram testadas unidireccionalmente, de modo a determinar a probabilidade de um painel registar um decréscimo de eficiência durante este período. Para tal, foram calculados os intervalos de confiança de cada regressão baseados na distribuição t de student, focando-se exclusivamente no intervalo superior, revelando o revelando o nível de confiança com o qual se pode afirmar que perdas devidas ao efeito do soiling estão presentes em cada painel. Os resultados indicaram que todos os painéis sofreram uma queda de eficiência para um intervalo de confiança superior a noventa porcento durante este período mais longo, e de noventa e cinco por cento para quatro dos painéis. |
|---|---|
| Autores principais: | Pinto, Francisco Pile Mendes |
| Assunto: | Soiling Perdas Fotovoltaicas Acumulação de Poeiras Performance PV Partículas Teses de mestrado - 2019 |
| Ano: | 2019 |
| País: | Portugal |
| Tipo de documento: | dissertação de mestrado |
| Tipo de acesso: | acesso aberto |
| Instituição associada: | Universidade de Lisboa |
| Idioma: | inglês |
| Origem: | Repositório da Universidade de Lisboa |
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| author | Pinto, Francisco Pile Mendes |
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Situados em terreno aberto, a cerca de vinte centímetros do solo, os painéis estão inseridos numa área rodeada por extensos relvados, caracterizada por uma fraca intensidade rodoviária. Para a realização deste estudo, foi disponibilizada uma ampla gama de dados amostrados em intervalos de dez minutos, permitindo uma precisa análise intra-diária da eficiência fotovoltaica. Dados como a temperatura, potência, corrente e tensão dos painéis, irradiância, temperatura ambiente, pluviosidade, velocidade do vento, humidade relativa, entre muitos outros, possibilitaram não só o estudo do impacto do soiling na performance dos painéis, como também várias outras análises acessórias relevantes. A tese inicia-se por uma abordagem aos principais fatores que afectam a taxa de deposição de partículas nos módulos, assim como os seus variados impactos na eficiência dos painéis. Esta secção visa introduzir o leitor aos conceitos básicos indispensáveis à compreensão da tese, e igualmente fornecer uma contextualização alargada de modo a facilitar a interpretação dos resultados apresentados. Seguem-se depois os métodos e objetivos, o capítulo central desta tese, o qual explica em detalhe todo o processo que culminou na quantificação do impacto do soiling na performance dos painéis estudados. Este capítulo encontra-se dividido em aproximadamente três partes. A primeira, relativa ao processamento inicial dos dados, envolve o cálculo da temperatura dos módulos, a sua eficiência de conversão e subsequente correção térmica. Grande parte desta seção é dedicada estimação das temperaturas dos módulos, as quais serão necessárias para preencher eventuais lacunas devido a falhas dos sensores térmicos. Estas temperaturas serão obtidas através da implementação de dois modelos térmicos capazes de simular a temperatura dos módulos. O primeiro, já existente na literatura, requer apenas a introdução da temperatura ambiente, irradiância, e a temperatura nominal de operação das células solares. Embora este valor seja geralmente fornecido pelo fabricante, este último foi calculado experimentalmente, assegurando que o modelo fosse fornecido com temperaturas nominais de operação de células reais, medidas nas suas verdadeiras condições de operação. O segundo modelo, baseado na modelação /dos fluxos de calor entre o painel e o ambiente, foi criado de raiz com o intuito de aumentar a precisão das estimativas. A estabilidade e desempenho destes modelos será avaliada, comparando a sua precisão e fiabilidade sob diferentes condições. De seguida, a eficiência dos painéis será calculada e corrigida para uma temperatura base de vinte e cinco graus Celcius. Esta correção é indispensável à análise da degradação do desempenho dos painéis, uma vez que remove o efeito da temperatura na eficiência, permitindo o cálculo das taxas de degradação de potência normalizadas. A qualidade desta correção será também estudada de modo a garantir a validade dos resultados. O segundo passo centra-se no reprocessamento dos valores de eficiência por forma a facilitar a deteção de eventuais perdas, permitindo obter uma taxa de degradação da potência fiável. Para tal, a eficiência diária acumulada dos painéis será calculada, com o objetivo de simplificar a análise através da redução das variações intra-diárias, obtendo uma série mais representativa das variações de eficiência. Nesta fase serão também filtrados valores anormais de eficiência, resultantes de erros de medição ou condições de fraca iluminação, detrimentais ao estudo em curso. Será ainda feita uma análise da relação entre a dispersão dos valores diários de eficiência e as condições climatéricas, uma vez que estas podem dificultar a análise dos impactos do soiling, afetando a extração e significância estatística das taxas de degradação de eficiência. O terceiro e último passo consiste na identificação dos períodos secos, ou intervalos durante os quais a chuva não foi suficientemente forte por forma a interferir com a acumulação de partículas nos painéis, e portanto ideais para o cálculo das taxas de degradação da eficiência. Estas serão baseadas no declive da recta resultante de uma regressão linear das eficiências durante estes períodos. O uso de uma regressão linear na previsão de perdas pelo efeito do soiling é baseado em estudos de natureza semelhante, os quais concluíram que o declínio do desempenho fotovoltaico observado durante períodos secos é aproximadamente linear, decrescendo continuamento durante períodos sem chuva e regressando a níveis normais após um episódio de precipitação [2]. Estes factos sugerem que os efeitos do soiling no desempenho de um Sistema PV podem ser estimados adotando um modelo linear de perdas de eficiência entre eventos significativos de precipitação. A quantificação destas perdas foi feita para dois tipos de períodos. Inicialmente, apenas períodos durante os quais a precipitação diária não excedeu os cinco milímetros foram estudados. Isto consistiu no cálculo das taxas de degradação da eficiência para estes intervalos. De seguida, este limiar foi fixado num valor mais conservador, assegurando que nenhum processo de limpeza possa ter acontecido, e as taxas de degradação recalculadas. Uma ênfase especial foi dada ao mais longo período seco de que existem registos, durante o qual todos os painéis registaram uma diminuição inequívoca de eficiência. A taxa de degradação média de potência durante este intervalo foi de -0.042 %/Dia, um valor que se encontra de acordo com vários outros estudos semelhantes [2,3]. Devido à sua incomparável duração, estendendo-se por trinta e sete dias, uma especial atenção foi dada a este intervalo, uma vez que este foi o mais longo período de acumulação ininterrupta de partículas. Por fim, foi feita uma breve análise estatística das regressões lineares, visando validar os resultados. As regressões lineares foram testadas unidireccionalmente, de modo a determinar a probabilidade de um painel registar um decréscimo de eficiência durante este período. Para tal, foram calculados os intervalos de confiança de cada regressão baseados na distribuição t de student, focando-se exclusivamente no intervalo superior, revelando o revelando o nível de confiança com o qual se pode afirmar que perdas devidas ao efeito do soiling estão presentes em cada painel. Os resultados indicaram que todos os painéis sofreram uma queda de eficiência para um intervalo de confiança superior a noventa porcento durante este período mais longo, e de noventa e cinco por cento para quatro dos painéis. |
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Situados em terreno aberto, a cerca de vinte centímetros do solo, os painéis estão inseridos numa área rodeada por extensos relvados, caracterizada por uma fraca intensidade rodoviária. Para a realização deste estudo, foi disponibilizada uma ampla gama de dados amostrados em intervalos de dez minutos, permitindo uma precisa análise intra-diária da eficiência fotovoltaica. Dados como a temperatura, potência, corrente e tensão dos painéis, irradiância, temperatura ambiente, pluviosidade, velocidade do vento, humidade relativa, entre muitos outros, possibilitaram não só o estudo do impacto do soiling na performance dos painéis, como também várias outras análises acessórias relevantes. A tese inicia-se por uma abordagem aos principais fatores que afectam a taxa de deposição de partículas nos módulos, assim como os seus variados impactos na eficiência dos painéis. Esta secção visa introduzir o leitor aos conceitos básicos indispensáveis à compreensão da tese, e igualmente fornecer uma contextualização alargada de modo a facilitar a interpretação dos resultados apresentados. Seguem-se depois os métodos e objetivos, o capítulo central desta tese, o qual explica em detalhe todo o processo que culminou na quantificação do impacto do soiling na performance dos painéis estudados. Este capítulo encontra-se dividido em aproximadamente três partes. A primeira, relativa ao processamento inicial dos dados, envolve o cálculo da temperatura dos módulos, a sua eficiência de conversão e subsequente correção térmica. Grande parte desta seção é dedicada estimação das temperaturas dos módulos, as quais serão necessárias para preencher eventuais lacunas devido a falhas dos sensores térmicos. Estas temperaturas serão obtidas através da implementação de dois modelos térmicos capazes de simular a temperatura dos módulos. O primeiro, já existente na literatura, requer apenas a introdução da temperatura ambiente, irradiância, e a temperatura nominal de operação das células solares. Embora este valor seja geralmente fornecido pelo fabricante, este último foi calculado experimentalmente, assegurando que o modelo fosse fornecido com temperaturas nominais de operação de células reais, medidas nas suas verdadeiras condições de operação. O segundo modelo, baseado na modelação /dos fluxos de calor entre o painel e o ambiente, foi criado de raiz com o intuito de aumentar a precisão das estimativas. A estabilidade e desempenho destes modelos será avaliada, comparando a sua precisão e fiabilidade sob diferentes condições. De seguida, a eficiência dos painéis será calculada e corrigida para uma temperatura base de vinte e cinco graus Celcius. Esta correção é indispensável à análise da degradação do desempenho dos painéis, uma vez que remove o efeito da temperatura na eficiência, permitindo o cálculo das taxas de degradação de potência normalizadas. A qualidade desta correção será também estudada de modo a garantir a validade dos resultados. O segundo passo centra-se no reprocessamento dos valores de eficiência por forma a facilitar a deteção de eventuais perdas, permitindo obter uma taxa de degradação da potência fiável. Para tal, a eficiência diária acumulada dos painéis será calculada, com o objetivo de simplificar a análise através da redução das variações intra-diárias, obtendo uma série mais representativa das variações de eficiência. Nesta fase serão também filtrados valores anormais de eficiência, resultantes de erros de medição ou condições de fraca iluminação, detrimentais ao estudo em curso. Será ainda feita uma análise da relação entre a dispersão dos valores diários de eficiência e as condições climatéricas, uma vez que estas podem dificultar a análise dos impactos do soiling, afetando a extração e significância estatística das taxas de degradação de eficiência. O terceiro e último passo consiste na identificação dos períodos secos, ou intervalos durante os quais a chuva não foi suficientemente forte por forma a interferir com a acumulação de partículas nos painéis, e portanto ideais para o cálculo das taxas de degradação da eficiência. Estas serão baseadas no declive da recta resultante de uma regressão linear das eficiências durante estes períodos. O uso de uma regressão linear na previsão de perdas pelo efeito do soiling é baseado em estudos de natureza semelhante, os quais concluíram que o declínio do desempenho fotovoltaico observado durante períodos secos é aproximadamente linear, decrescendo continuamento durante períodos sem chuva e regressando a níveis normais após um episódio de precipitação [2]. Estes factos sugerem que os efeitos do soiling no desempenho de um Sistema PV podem ser estimados adotando um modelo linear de perdas de eficiência entre eventos significativos de precipitação. A quantificação destas perdas foi feita para dois tipos de períodos. Inicialmente, apenas períodos durante os quais a precipitação diária não excedeu os cinco milímetros foram estudados. Isto consistiu no cálculo das taxas de degradação da eficiência para estes intervalos. De seguida, este limiar foi fixado num valor mais conservador, assegurando que nenhum processo de limpeza possa ter acontecido, e as taxas de degradação recalculadas. Uma ênfase especial foi dada ao mais longo período seco de que existem registos, durante o qual todos os painéis registaram uma diminuição inequívoca de eficiência. A taxa de degradação média de potência durante este intervalo foi de -0.042 %/Dia, um valor que se encontra de acordo com vários outros estudos semelhantes [2,3]. Devido à sua incomparável duração, estendendo-se por trinta e sete dias, uma especial atenção foi dada a este intervalo, uma vez que este foi o mais longo período de acumulação ininterrupta de partículas. Por fim, foi feita uma breve análise estatística das regressões lineares, visando validar os resultados. As regressões lineares foram testadas unidireccionalmente, de modo a determinar a probabilidade de um painel registar um decréscimo de eficiência durante este período. 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