Potential of bifacial PV installation and its integration with storage solutions

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Ganilha, Sofia Carvalho
Data de Publicação: 2017
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/31820
Resumo: Tese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017
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spelling Potential of bifacial PV installation and its integration with storage solutionsFotovoltaico BifacialModelo de IrradiânciaModelo ElétricoAutoconsumoArmazenamentoTeses de mestrado - 2017Departamento de Engenharia Geográfica, Geofísica e EnergiaTese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017O 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.The concept of using both faces of a photovoltaic module to convert solar radiation into electrical energy emerged at the end of the 20th century and is known as bifacial photovoltaics. Along with the incident radiation on the front side, bifacial solar cells take advantage of the diffuse, reflected and direct radiation that reaches the cell’s active rear side. This dissertation focuses on evaluating and analysing the differences of using bifacial over traditional monofacial photovoltaic technology, both in terms of collected irradiance and power production. Also, it explores how to integrate this technology with storage to optimize self-consumption solutions. In this study, the optimum configuration for a bifacial photovoltaic module is investigated numerically, using the software Rhinoceros and Simulink, in order to determine the suitable tilt angle, elevation and mounting position of the module and the ground reflectivity that optimises bifacial gain. Modelling a bifacial photovoltaic system for a case study, Lisbon, Portugal, showed that power production is highly dependent on the incident radiation, stand design and reflectivity of the ground. For a typical photovoltaic plant, the bifacial gain varies from 28%-35% for power production and from 37%-45% for the irradiation received, depending on the tilt angle. Higher stands and more reflective ground surfaces boost the bifacial gains. It is also shown that the electrical generation gain is proportional to the irradiance gain and both increase with the diffuse fraction. Finally, the analysis of a residential self-consumption solution that seeks to integrate a bifacial photovoltaic installation and batteries showed that south-facing bifacial and monofacial modules behave similarly, with similar yields per unit of power installed. Per unit module area, south facing bifacial solar modules clearly outperform standard monofacial modules, since the self-sufficiency rate (i.e. fraction of the energy demand that is fulfilled by on-site photovoltaic generation) can be approximately 7% higher, for the same nominal capacity of the storage system (kWh). Results also showed that, the combination of bifacial photovoltaic modules with different orientations, namely south, east and/or west, allows a higher self-sufficiency rate that can almost reach 100% during solar hours, if the module area and storage capacity installed is high enough. The use of bifacial modules in the vertical, orientated towards the east or the west, increases the fraction of the self-consumed energy in more than 10%, decreasing the excess energy sold to the grid and reducing the required storage capacity, which means the associated costs may be significantly reduced.Brito, Miguel CentenoReis, FilipaRepositório da Universidade de LisboaGanilha, Sofia Carvalho2018-02-19T16:55:35Z201720172017-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/31820TID:201855771enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:25:37Zoai:repositorio.ul.pt:10451/31820Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:47:12.427751Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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