Aumento de rendimento e potência em painéis fotovoltaicos por reconfiguração das interconexões e arrefecimento geotérmico

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2018
Autor(a) principal: Fernandes, Felipe Teixeira
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
dARK ID: ark:/26339/001300000fj70
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de Santa Maria
Brasil
Engenharia Elétrica
UFSM
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Centro de Tecnologia
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.ufsm.br/handle/1/16529
Resumo: This doctoral thesis deals with the reconfiguration of photovoltaic interconnections linked to PV panel cooling by surface geothermal energy through water circulation to increase efficiency, power and lifetime of the modules. In this study, simulations are performed with a PV array based on its physical model to identify efficiency losses caused by shading and temperature variation. The reconfiguration strategies found in the literature do not consider the overall effects caused by temperature variation of the module. According to the experimental and simulated results, when PV panels connected in parallel presents a large temperature difference, power losses occur due to the voltage differences at the maximum power point (MPP). In relation to the performance of the reconfiguration strategies of PV panels found in the literature, these strategies use too many switches, either do not appreciably reduce shading losses, or use too many power converters, which increases the final cost and reduces the PV array efficiency when there are not shaded modules. Thus, this thesis proposes a new strategy of PV reconfiguration in conjunction with geothermal cooling, where the PV array MPP is very close to the MPP of each one of the modules in most cases, resulting in increased power, efficiency and lifetime. The reconfiguration strategy proposed in this thesis allows one or more lines of unshaded parallel modules to remain in the main PV total cross tied (TCT) sub-array and the other modules to be connected in an auxiliary PV TCT sub-array, where both arrays are composed by converters to obtain the PV array MPP. In this case, shading losses are minimized by PV current equalization even when there is only a single shaded module. The geothermal cooling of PV modules results in increased lifetime, output power and efficiency by reducing the operating temperature of each module closer to its nominal operating temperatures, allowing closer MPP PV voltage levels. Another advantage of the structure proposed by this thesis are the heat exchanges between the PV modules and the circulation water used to assist in the water pre-heating for electric showers to reduce the consumption of electric energy. Therefore, unlike the works found in the literature, only modules interconnections reconfiguration and photovoltaic modules cooled by geothermal energy proposed in this thesis allow the PV array to act at a MPP closer to or identical to each of the individual modules.
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The reconfiguration strategies found in the literature do not consider the overall effects caused by temperature variation of the module. According to the experimental and simulated results, when PV panels connected in parallel presents a large temperature difference, power losses occur due to the voltage differences at the maximum power point (MPP). In relation to the performance of the reconfiguration strategies of PV panels found in the literature, these strategies use too many switches, either do not appreciably reduce shading losses, or use too many power converters, which increases the final cost and reduces the PV array efficiency when there are not shaded modules. Thus, this thesis proposes a new strategy of PV reconfiguration in conjunction with geothermal cooling, where the PV array MPP is very close to the MPP of each one of the modules in most cases, resulting in increased power, efficiency and lifetime. The reconfiguration strategy proposed in this thesis allows one or more lines of unshaded parallel modules to remain in the main PV total cross tied (TCT) sub-array and the other modules to be connected in an auxiliary PV TCT sub-array, where both arrays are composed by converters to obtain the PV array MPP. In this case, shading losses are minimized by PV current equalization even when there is only a single shaded module. The geothermal cooling of PV modules results in increased lifetime, output power and efficiency by reducing the operating temperature of each module closer to its nominal operating temperatures, allowing closer MPP PV voltage levels. Another advantage of the structure proposed by this thesis are the heat exchanges between the PV modules and the circulation water used to assist in the water pre-heating for electric showers to reduce the consumption of electric energy. Therefore, unlike the works found in the literature, only modules interconnections reconfiguration and photovoltaic modules cooled by geothermal energy proposed in this thesis allow the PV array to act at a MPP closer to or identical to each of the individual modules.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESA presente tese de doutorado aborda a reconfiguração das interconexões de painéis fotovoltaicos (PV) atrelados ao arrefecimento destes módulos com energia geotérmica superficial (EGS) por meio de circulação de água para aumentar a eficiência, a potência gerada e a vida útil dos módulos. Neste estudo foram feitas simulações numa planta PV baseadas nos modelos físicos dos painéis fotovoltaicos e do conjunto geotérmico para identificar as perdas de rendimento causadas pelo sombreamento e a variação de temperatura. As estratégias de reconfiguração empregadas na literatura não consideram os efeitos causados pela variação de temperatura dos módulos. Conforme os resultados experimentais e simulados obtidos, quando painéis PV são conectados em paralelo, eles apresentam grande diferença de temperatura com consequentes perdas devido à diferença da tensão no ponto de máxima potência (MPP). Em relação ao desempenho das estratégias de reconfiguração de painéis PV encontrados na literatura, tais estratégias utilizam muitas chaves, ou não reduzem apreciavelmente as perdas por sombreamento, ou usam muitos conversores de potência, encarecendo o custo final e reduzindo o rendimento da planta quando não há sombreamento. Portanto, esta tese propõe uma nova estratégia de reconfiguração dos módulos PV em conjunto com o arrefecimento geotérmico de tal forma que o MPP da planta PV como um todo se torne muito próximo do MPP de cada um dos módulos na maioria dos casos, resultando no aumento de potência, de eficiência e de vida útil. A estratégia de reconfiguração proposta nesta tese permite que um ou mais conjuntos de módulos em paralelo sem sombreamento permaneçam em uma planta PV “total cross tied” (TCT) principal e os demais módulos sejam conectados em uma planta TCT auxiliar, sendo que ambas as plantas são compostas por conversores utilizados para obter o MPP do conjunto fotovoltaico. Neste caso, as perdas por sombreamento são minimizadas pela equalização de corrente mesmo quando há apenas um único módulo sombreado. O arrefecimento de módulos PV por EGS apresentado nesta tese resulta no aumento da vida útil, da potência de saída e da eficiência tanto pela redução de temperatura quanto pela aproximação das temperaturas de operação dos módulos, permitindo que os painéis PV atuem com níveis de tensão mais próximos do seu MPP. Uma vantagem adicional da estrutura proposta nesta tese são as trocas térmicas entre os módulos PV e a água de circulação que poderão ser utilizadas para auxiliar no pré-aquecimento de água para chuveiros elétricos, com a consequente redução do consumo de energia elétrica. Ressalta-se que diferentemente dos trabalhos encontrados na literatura, somente o conjunto proposto nesta tese que é formado pela reconfiguração de interconexões dos módulos e pelo arrefecimento geotérmico permite que a planta PV atue com MPP próximo ou idêntico ao dos módulos individuais.Universidade Federal de Santa MariaBrasilEngenharia ElétricaUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaCentro de TecnologiaFarret, Felix Albertohttp://lattes.cnpq.br/5783619992936443Reis, Lineu Belico doshttp://lattes.cnpq.br/0294631450309800Marafiga, Eduardo Bonnunciellihttp://lattes.cnpq.br/6155053729183876Abaide, Alzenira da Rosahttp://lattes.cnpq.br/2427825596072142Bernardon, Daniel Pinheirohttp://lattes.cnpq.br/6004612278397270Fernandes, Felipe Teixeira2019-05-10T19:35:02Z2019-05-10T19:35:02Z2018-08-27info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/16529ark:/26339/001300000fj70porAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2019-05-11T06:02:16Zoai:repositorio.ufsm.br:1/16529Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2019-05-11T06:02:16Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false
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