Publicação

Potential of bifacial PV installation and its integration with storage solutions

Detalhes bibliográficos
Resumo:	O conceito de usar ambos os lados de um módulo solar fotovoltaico para converter a radiação solar em energia elétrica surgiu no final do século XX e é conhecido como tecnologia bifacial fotovoltaica. Para além da radiação incidente na parte frontal, as células solares bifaciais convertem a radiação difusa, refletida e direta recebida pela superfície traseira e ativa da célula. Para tal, é necessário que os módulos onde se encontram inseridas permitam a penetração da radiação em ambas as faces, o que pode ser conseguido utilizando vidro temperado ou uma backsheet transparente. Este tipo de tecnologia tem demonstrado grande potencial, sendo os ganhos bifaciais já reportados de algumas instalações da ordem dos 30%. De modo a quantificar o desempenho dos módulos bifaciais, três indicadores são utilizados. O ganho bifacial de irradiância é a razão entre a irradiância intercetada pela parte traseira e frontal do módulo, sendo que esta última pode ser interpretada como a irradiância total útil incidente num módulo monofacial, ou seja, a que incide na sua superfície dianteira e é utilizada para a conversão em energia elétrica. O ganho bifacial de energia é o quociente entre a energia convertida por um módulo bifacial e aquela que é convertida por um módulo monofacial, ambas ponderadas pela área do painel solar. Por último, dado que a potência instalada é atualmente mais valorizada do que a produção por unidade de área efetiva instalada, utiliza-se também o ganho bifacial simples que é semelhante ao ganho bifacial de energia, mas a energia convertida é ponderada pela potência nominal do módulo. Notar que se hoje o preço dos módulos bifaciais é de alguma forma proporcional à potência, é de esperar que com economias de escala possa ser proporcional à sua área. A presente dissertação tem como principal objetivo analisar e avaliar as diferenças que estão associadas à utilização de módulos fotovoltaicos bifaciais comparativamente à tecnologia monofacial tradicional, tanto em termos de irradiância incidente como de produção de energia elétrica. Além disso, é analisado como e quais os benefícios de integrar a tecnologia fotovoltaica bifacial com soluções de armazenamento de forma a otimizar sistemas de autoconsumo para um consumidor típico residencial, podendo este estar ou não conectado à rede elétrica. Uma instalação bifacial é mais sensível à sua envolvente e à sua própria configuração do que um sistema fotovoltaico monofacial. Por este motivo, a configuração ideal de um módulo bifacial é investigada recorrendo a um software de modelação, Rhinoceros®, de forma a determinar o ângulo de inclinação, elevação, posição de montagem e distância entre fileiras de módulos e entre módulos adequados para maximizar quer o ganho bifacial de irradiância, quer a irradiância total que atinge ambas as superfícies do módulo. Para além disso, também é estudada de que maneira a refletividade do solo pode potenciar o ganho bifacial. As modelações foram efetuadas com base nas características conhecidas da futura instalação da EDP que tem como intuito testar módulos fotovoltaicos bifaciais. Os dados meteorológicos típicos de Lisboa, Portugal, servem de base às simulações posteriores. Os resultados mostram que, para uma instalação fotovoltaica típica, o ganho bifacial de irradiância de um único módulo varia entre 37% e 45%, dependendo do ângulo de inclinação. O ângulo de inclinação que maximiza o ganho bifacial de irradiância é geralmente maior do que o ângulo ótimo que maximiza a radiação total intercetada. Módulos mais elevados e solos com maior refletividade aumentam o ganho bifacial de irradiância. Também foi visto que a irradiação intercetada pelo lado traseiro do módulo bifacial é mais homogénea no caso de este estar numa posição de paisagem e não retrato, o que influencia a conversão em energia elétrica devido ao mismatch da corrente fotogerada por cada célula solar bifacial. Relativamente à simulação para um conjunto de módulos bifaciais, as distâncias ideais entre filas e entre painéis numa mesma fila para minimizar a interferência entre eles são superiores ao caso monofacial, e tanto maiores quanto mais refletivo for o solo. O segundo objetivo da dissertação passa por desenvolver um modelo elétrico com base no qual se pode estimar a produção dos módulos fotovoltaicos bifaciais. Para o efeito, considera-se que uma célula bifacial pode ser representada eletricamente como duas células monofaciais em paralelo, cada uma delas representada pelo circuito equivalente de um díodo. Este modelo foi desenvolvido recorrendo ao software MATLAB® Simulink e foi testado para várias orientações, ângulos de inclinação e posições de montagem. A partir das simulações efetuadas, verificou-se que, para um módulo bifacial, o ganho bifacial de energia é proporcional ao ganho bifacial de irradiância e ambos aumentam com a fração difusa. Para uma instalação fotovoltaica típica da EDP, o ganho bifacial de energia varia entre 28% a 35%, dependendo do ângulo de inclinação. Se a orientação do módulo bifacial for diferente da ótima, isto é, se se encontrar orientado a este ou oeste, é possível observar-se alterações da curva típica de produção fotovoltaica, nomeadamente o aparecimento de dois picos, um de manhã e outro ao anoitecer. Por último, foi avaliado o papel que os módulos bifaciais poderiam ter em soluções de autoconsumo residencial. Os resultados mostram que os módulos solares bifaciais e monofaciais orientados a sul se comportam de maneira semelhante, por unidade de potência instalada, pelo que o maior investimento em sistemas bifaciais não se justifica. Porém, módulos bifaciais na vertical, orientados a este ou oeste, permitem maior consumo de eletricidade gerada localmente, o que pode ser vantajoso dado que a energia excedentária que se vende à rede não é tão lucrativa para o consumidor como a que se deixa de comprar. Os módulos bifaciais na vertical permitem, em média, a redução de cerca 1 kWh/kWp no sistema de baterias, comparativamente com módulos virados a sul e com inclinação ótima, assegurando ainda assim uma taxa de autoconsumo superior a 90%. Se a comparação entre módulos bifaciais e monofaciais considerar a área de implantação em oposição à potência instalada, a utilização de painéis bifaciais verticais orientados a este ou oeste permite não só aumentar a fração de energia autoconsumida em mais de 10%, relativamente a módulos bifaciais com configuração ótima, mas também diminuir a capacidade do sistema de armazenamento necessária, o que se traduz numa possível redução dos custos associados. Se o sistema de autoconsumo estiver isolado da rede elétrica, a autossuficiência (i.e. fração das necessidades energéticas do consumidor asseguradas pelo sistema de geração fotovoltaica) garantida por módulos bifaciais orientados a sul é aproximadamente 7% superior à dos módulos monofaciais com a mesma configuração, para a mesma capacidade nominal de armazenamento instalada (kWh). Finalmente, verificou-se que para soluções de autoconsumo isoladas da rede elétrica, a combinação de módulos fotovoltaicos bifaciais com diversas orientações, nomeadamente virados a sul, a este e/ou oeste, permite obter uma taxa de autossuficiência mais elevada, podendo mesmo aproximar-se dos 100% durante as horas solares se a área de módulos e a capacidade da bateria instaladas forem suficientemente elevadas.
Autores principais:	Ganilha, Sofia Carvalho
Assunto:	Fotovoltaico Bifacial Modelo de Irradiância Modelo Elétrico Autoconsumo Armazenamento Teses de mestrado - 2017
Ano:	2017
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

Descrição
Resumo:	O conceito de usar ambos os lados de um módulo solar fotovoltaico para converter a radiação solar em energia elétrica surgiu no final do século XX e é conhecido como tecnologia bifacial fotovoltaica. Para além da radiação incidente na parte frontal, as células solares bifaciais convertem a radiação difusa, refletida e direta recebida pela superfície traseira e ativa da célula. Para tal, é necessário que os módulos onde se encontram inseridas permitam a penetração da radiação em ambas as faces, o que pode ser conseguido utilizando vidro temperado ou uma backsheet transparente. Este tipo de tecnologia tem demonstrado grande potencial, sendo os ganhos bifaciais já reportados de algumas instalações da ordem dos 30%. De modo a quantificar o desempenho dos módulos bifaciais, três indicadores são utilizados. O ganho bifacial de irradiância é a razão entre a irradiância intercetada pela parte traseira e frontal do módulo, sendo que esta última pode ser interpretada como a irradiância total útil incidente num módulo monofacial, ou seja, a que incide na sua superfície dianteira e é utilizada para a conversão em energia elétrica. O ganho bifacial de energia é o quociente entre a energia convertida por um módulo bifacial e aquela que é convertida por um módulo monofacial, ambas ponderadas pela área do painel solar. Por último, dado que a potência instalada é atualmente mais valorizada do que a produção por unidade de área efetiva instalada, utiliza-se também o ganho bifacial simples que é semelhante ao ganho bifacial de energia, mas a energia convertida é ponderada pela potência nominal do módulo. Notar que se hoje o preço dos módulos bifaciais é de alguma forma proporcional à potência, é de esperar que com economias de escala possa ser proporcional à sua área. A presente dissertação tem como principal objetivo analisar e avaliar as diferenças que estão associadas à utilização de módulos fotovoltaicos bifaciais comparativamente à tecnologia monofacial tradicional, tanto em termos de irradiância incidente como de produção de energia elétrica. Além disso, é analisado como e quais os benefícios de integrar a tecnologia fotovoltaica bifacial com soluções de armazenamento de forma a otimizar sistemas de autoconsumo para um consumidor típico residencial, podendo este estar ou não conectado à rede elétrica. Uma instalação bifacial é mais sensível à sua envolvente e à sua própria configuração do que um sistema fotovoltaico monofacial. Por este motivo, a configuração ideal de um módulo bifacial é investigada recorrendo a um software de modelação, Rhinoceros®, de forma a determinar o ângulo de inclinação, elevação, posição de montagem e distância entre fileiras de módulos e entre módulos adequados para maximizar quer o ganho bifacial de irradiância, quer a irradiância total que atinge ambas as superfícies do módulo. Para além disso, também é estudada de que maneira a refletividade do solo pode potenciar o ganho bifacial. As modelações foram efetuadas com base nas características conhecidas da futura instalação da EDP que tem como intuito testar módulos fotovoltaicos bifaciais. Os dados meteorológicos típicos de Lisboa, Portugal, servem de base às simulações posteriores. Os resultados mostram que, para uma instalação fotovoltaica típica, o ganho bifacial de irradiância de um único módulo varia entre 37% e 45%, dependendo do ângulo de inclinação. O ângulo de inclinação que maximiza o ganho bifacial de irradiância é geralmente maior do que o ângulo ótimo que maximiza a radiação total intercetada. Módulos mais elevados e solos com maior refletividade aumentam o ganho bifacial de irradiância. Também foi visto que a irradiação intercetada pelo lado traseiro do módulo bifacial é mais homogénea no caso de este estar numa posição de paisagem e não retrato, o que influencia a conversão em energia elétrica devido ao mismatch da corrente fotogerada por cada célula solar bifacial. Relativamente à simulação para um conjunto de módulos bifaciais, as distâncias ideais entre filas e entre painéis numa mesma fila para minimizar a interferência entre eles são superiores ao caso monofacial, e tanto maiores quanto mais refletivo for o solo. O segundo objetivo da dissertação passa por desenvolver um modelo elétrico com base no qual se pode estimar a produção dos módulos fotovoltaicos bifaciais. Para o efeito, considera-se que uma célula bifacial pode ser representada eletricamente como duas células monofaciais em paralelo, cada uma delas representada pelo circuito equivalente de um díodo. Este modelo foi desenvolvido recorrendo ao software MATLAB® Simulink e foi testado para várias orientações, ângulos de inclinação e posições de montagem. A partir das simulações efetuadas, verificou-se que, para um módulo bifacial, o ganho bifacial de energia é proporcional ao ganho bifacial de irradiância e ambos aumentam com a fração difusa. Para uma instalação fotovoltaica típica da EDP, o ganho bifacial de energia varia entre 28% a 35%, dependendo do ângulo de inclinação. Se a orientação do módulo bifacial for diferente da ótima, isto é, se se encontrar orientado a este ou oeste, é possível observar-se alterações da curva típica de produção fotovoltaica, nomeadamente o aparecimento de dois picos, um de manhã e outro ao anoitecer. Por último, foi avaliado o papel que os módulos bifaciais poderiam ter em soluções de autoconsumo residencial. Os resultados mostram que os módulos solares bifaciais e monofaciais orientados a sul se comportam de maneira semelhante, por unidade de potência instalada, pelo que o maior investimento em sistemas bifaciais não se justifica. Porém, módulos bifaciais na vertical, orientados a este ou oeste, permitem maior consumo de eletricidade gerada localmente, o que pode ser vantajoso dado que a energia excedentária que se vende à rede não é tão lucrativa para o consumidor como a que se deixa de comprar. Os módulos bifaciais na vertical permitem, em média, a redução de cerca 1 kWh/kWp no sistema de baterias, comparativamente com módulos virados a sul e com inclinação ótima, assegurando ainda assim uma taxa de autoconsumo superior a 90%. Se a comparação entre módulos bifaciais e monofaciais considerar a área de implantação em oposição à potência instalada, a utilização de painéis bifaciais verticais orientados a este ou oeste permite não só aumentar a fração de energia autoconsumida em mais de 10%, relativamente a módulos bifaciais com configuração ótima, mas também diminuir a capacidade do sistema de armazenamento necessária, o que se traduz numa possível redução dos custos associados. Se o sistema de autoconsumo estiver isolado da rede elétrica, a autossuficiência (i.e. fração das necessidades energéticas do consumidor asseguradas pelo sistema de geração fotovoltaica) garantida por módulos bifaciais orientados a sul é aproximadamente 7% superior à dos módulos monofaciais com a mesma configuração, para a mesma capacidade nominal de armazenamento instalada (kWh). Finalmente, verificou-se que para soluções de autoconsumo isoladas da rede elétrica, a combinação de módulos fotovoltaicos bifaciais com diversas orientações, nomeadamente virados a sul, a este e/ou oeste, permite obter uma taxa de autossuficiência mais elevada, podendo mesmo aproximar-se dos 100% durante as horas solares se a área de módulos e a capacidade da bateria instaladas forem suficientemente elevadas.