Tese de mestrado integrado. Engenharia Electrotécnica e de Computadores (Major Energia). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Construções). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

This Ph.D. Thesis focuses on the investigation of organic photovoltaic (OPV) technology, especially in aspects of experimental device processing, and optoelectronic and electrical characterization on OPV devices to be readily marketable. More specifically, the topics addressed are the following: origin of recombination current,open-circuit voltage and crystallinity, transport driving force, contact selectivity and interface states, alternative hole transporting layers and oxygen and degradation routes.

Os sistemas fotovoltaicos conectados à rede de distribuição de energia elétrica estão sendo muito estudados, pois representam uma alternativa tecnicamente confiável para incrementar a contribuição das fontes renováveis na matriz elétrica. Portanto é importante conhecer o comportamento desses sistemas e o seu impacto sobre a rede elétrica. Esta dissertação apresenta uma análise da distribuição de tensões em uma instalação fotovoltaica de 4800 WP conectada à rede de distribuição de energia elétrica. A instalação é dividida em três subsistemas onde cada um possui 16 módulos de células de silício monocristalino de 100 Wp de potência nominal e 24 V de tensão nominal organizados em dois painéis de oito módulos em série, conectados dois a dois em paralelo e conversores CC/CA de potência nominal e máxima de, respectivamente, 1000 W e 1100 W na saída. O comportamento da instalação é estudado a partir do monitoramento das tensões dos módulos de um subsistema, das tensões e correntes dos seis painéis que compõem a instalação, da temperatura ambiente, da temperatura dos módulos, da temperatura dos conversores CC/CA e da irradiância no plano do gerador fotovoltaico. A análise abrange diferentes situações de funcionamento da instalação, tanto em condições normais de operação da mesma como em situações especiais, quando algumas células de módulos estão sombreadas e quando o sistema está em curto circuito ou em circuito aberto. Os módulos sombreados apresentam valores de tensão inferiores aos dos módulos que não foram sombreados conforme o número de células sombreadas e principalmente como estão conectados os diodos de bypass. Os módulos apresentam produções diferentes em baixos níveis de irradiância ou em diferentes temperaturas. Com a utilização de um programa de simulação foi possível analisar o comportamento de uma associação de módulos fotovoltaicos, considerando efeitos de temperatura, irradiância e possíveis diferenças entre os módulos que compõem a instalação. Os resultados da simulação apresentaram concordância com a experimentação. Na dissertação são apresentados os métodos de aquisição de dados, a análise dos resultados experimentais, e a descrição dos resultados obtidos a partir da simulação computacional. / Grid-connected photovoltaic plants are being studied because they represent a confident alternative for the increase of the renewable energy sources contribution to the electric matrix. Therefore it is important to know the behavior of these plants and their impact on the electric grid. This work presents an analysis of the distribution of voltages in a 4800 WP grid-connected photovoltaic plant. This plant was divided in three subsystems. Each subsystem is constituted by two strings of 100 Wp / 24 V modules with mono-crystalline silicon cells. These arrays feed three grid commuted single phase inverters, with 1100 W maximum power each, thus characterizing a modular plant. The system for data monitoring registers the operational voltages of the modules in a subsystem, the operational voltages and currents of the six strings of the plant, the solar irradiance incident at the generator plane, and temperatures of the ambient air, of a PV module and of the inverters. The analysis includes different operational situations of the plant and special situations as the shadowing of cells in the modules, system in short circuit and open circuit condition. The modules shadowed present inferior values of voltage to the modules that was not shadowed. This result depends on the number of shadowed cells and mainly if the diodes of bypass are connected. The modules present different performance under low solar irradiances or in different temperatures. Finally, comparisons between experimental and simulated values were performed using a simulation software, considering the effect of the temperature, solar irradiance and possible differences between the modules that compose the installation. These comparisons show a very good agreement. The methodology for data acquisition are also presented, as well as the analysis of the experimental results and the description of the computational obtained results.

A conversão de energia solar diretamente em energia elétrica a partir do efeito fotovoltaico é uma forma confiável de geração de eletricidade. O crescimento das instalações fotovoltaicas na última década tem provado sua viabilidade quando acompanhada de programas de incentivo apropriados. As células e módulos fotovoltaicos possuem um comportamento elétrico característico e a determinação da curva característica I-V (corrente versus tensão) é essencial para a determinação da qualidade do dispositivo além de fornecer os parâmetros para dimensionamento e estimativa de geração de eletricidade. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema para traçar a curva característica I-V de módulos fotovoltaicos. O sistema possui uma fonte de quatro quadrantes para polarização do módulo, multímetros para medida simultânea de tensão e corrente formando pares I-V da curva característica, multímetro para medida de irradiância solar por meio de uma célula de referência de silício monocristalino e multímetro para medida de temperatura do módulo fotovoltaico utilizando um sensor Pt100. Todo o sistema é gerenciado por um programa de computador desenvolvido em linguagem Visual Basic®. O programa envia os comandos para os multímetros e fonte através de uma interface USB - GPIB. Os limites do sistema são ± 100 V e ± 10 A, determinados pela característica da fonte utilizada. A tensão de polarização é em forma de rampa com tempo de duração variável e também é ajustada através do programa. O sistema pode medir curvas com até 2000 pontos e o tempo de medida mínimo de cada ponto foi limitado em 50 μs. Durante a medida da curva característica é medida simultaneamente a irradiância solar. O sistema desenvolvido apresentou-se eficiente na medida da curva característica e a densidade de pontos adquirida permite estudos e determinação de parâmetros de maneira precisa. O método de disparo dos multímetros utilizado permite a garantia da simultaneidade da medida do par I-V e a utilização do sistema operacional Windows® permite flexibilidade e facilidade no tratamento dos dados. / The direct conversion of solar energy into electrical energy by means of the photovoltaic effect is a reliable way to generate electricity. The increasing number of photovoltaic installations in the last decade has proved its viability when stimulated by appropriate incentive programs. Photovoltaic cells and modules have peculiar electrical features and the measurement of the characteristic I-V (current - voltage) curve is essential to determine the device's quality. Besides it provides parameters for dimensioning and estimating electricity generation. This work presents the development of a system designed to trace the I-V curve of photovoltaic modules. The system has a four quadrant power supply to polarize the module, two multimeters for measuring I-V pairs of the characteristic curve, one multimeter to measure solar irradiance using a monocristaline silicon reference cell and one multimeter to measure the module temperature using a Pt100. The system is managed by a program developed in Visual Basic® which sends commands to the instruments via a USB - GPIB interface. The system limits are ± 100 V and ± 10 A, limited by the power supply range. The sweeping voltage is a ramp waveform and it is also programmable by the software. The system can measure 2000 points in each curve and the acquisition time of each point is limited to 50 μs. While tracing the characteristic curve, solar irradiance is simultaneously measured. The system is working efficiently and the number of measured points allows studies to obtain precise parameters. The triggering method assures simultaneously measurements of the I-V pair. The use of Windows® operational system allows flexibility and simplicity when dealing with the data in post processing software.

Os sistemas fotovoltaicos autônomos apresentam-se como uma alternativa adequada para a eletrificação rural. Entanto, existem ainda problemas que devem ser resolvidos, fundamentalmente associados ao projeto do sistema e à qualidade técnica dos equipamentos, instalações e os quais influem diretamente sobre a confiabilidade. Para determinar os fatores que incidem sobre a confiabilidade foram estudados os modos de operação e as falhas mais comuns nos sistemas fotovoltaicos autônomos. Pesquisas realizadas no Laboratório de Energia Solar da UFRGS, em conjunto com uma extensa revisão bibliográfica, mostram os problemas técnicos básicos que se produzem em cada um dos elementos da instalação e a dependência entre eles. Estes estudos, combinados com testes sobre baterias automotivas, mostraram que o sistema de acumulação é o elo mais fraco do sistema no aspecto confiabilidade e economia, devido à diminuição de sua capacidade de armazenamento. Isto motivou a considerar os elementos de armazenamento como o foco deste estudo e, através da análise do seu comportamento, apresentar um procedimento que permita dimensionar sistemas fotovoltaicos autônomos com elevada confiabilidade, configuração adequada e baixo custo. Esta Tese tem como objetivo realizar uma análise teórica e prática do impacto das baterias sobre a confiabilidade técnica e viabilidade econômica de sistemas fotovoltaicos autônomos. Para atingir este objetivo, além da realização de testes experimentais, desenvolvimento e ajustes de modelos matemáticos, também foi aperfeiçoada uma ferramenta computacional denominada PVSize. O aperfeiçoamento deste software visa permitir o cálculo de diferentes configurações de sistemas e determinar os riscos de déficit de energia sobre as mesmas, bem como as figuras de mérito econômicofinanceira associados ao projeto escolhido. Como parte deste estudo foi instalado um sistema fotovoltaico autônomo e foram montadas bancadas de ensaio de componentes do sistema. Medições realizadas nestes sistemas permitiram verificar os modelos matemáticos que descrevem o comportamento individual de cada dispositivo e caracterizar os elementos que compõem o sistema. Através de análises experimentais e o seguimento do comportamento do banco de baterias do sistema experimental ao longo de um ano, determinou-se que a conexão de baterias em paralelo acelera o processo de degradação das baterias, e esta degradação tem impacto diferenciado sobre a perda de capacidade de cada bateria. Como resultado deste estudo foi verificado o impacto que a perda de capacidade das baterias tem sobre a confiabilidade de um sistema fotovoltaico autônomo. Além disso, foi aperfeiçoada uma ferramenta de análise e modelagem computacional que determina o nível de confiabilidade de um sistema fotovoltaico autônomo associado à aparição de falhas e ao dimensionamento com elementos reais, à característica estocástica da radiação solar, ao perfil de consumo de energia elétrica e ao efeito de diminuição da capacidade do sistema de acumulação com o tempo. / Stand-alone photovoltaic systems are a suitable alternative for rural electrification. However, there are still problems to be solved, mainly related to the system design and the technical quality of the equipment and facilities, which have impact on the systems reliability. To determine the factors that affect the reliability of these systems were studied the most common configurations and associated failures. The Laboratory experimental research, together with an extensive literature review, show the basic technical problems that occur to each of the elements of the installation and the dependence between them. These studies have shown that the storage system, considering system reliability and economy, is the weakest element due to the decrease of their storage capacity. This fact led to consider the storage systems as the focus of this study and, through the analysis of their behavior, to develop a procedure to size systems with high reliability, lower cost and appropriate configuration. The goal of this Thesis is determinate the impact of batteries on the technical reliability and economic viability of photovoltaic systems. This goal was achieved through experimental testing and the development and adjustment of mathematical models. These models were implemented to preexisting software called PVSize. The improved software allows the calculation of different configurations of systems and to determine the loss of load probability and the figures of merit associated to the chosen economic-financial project. On this work was installed a photovoltaic system and was developed a battery testing system. The values measured in these systems allow to verify the mathematical models that describe the behavior of each device and characterize the components of the system. Experimental analysis of the behavior of a bank of batteries along a year showed that the connection of batteries in parallel accelerates the batteries degradation process, and this degradation has differentiated impact on the loss of capacity of each battery. This study allowed to evaluate the impact that the loss of capacity of batteries has on the reliability of an stand-alone photovoltaic system. It was also improved a software that allow to determine the level of technical reliability due to the design, the stochastic characteristic of solar radiation, the profile of electric power consumption and the effect of the accumulation loss capacity over the time.

Ingeniero Civil Eléctrico / Con el explosivo desarrollo de la tecnología solar fotovoltaica a nivel mundial, y con las actuales políticas eléctricas y medioambientales en el marco nacional, se hace evidente un aumento progresivo de inserción de energías limpias a la matriz energética. Bajo este escenario, como una medida a favor de la autosustentabilidad y el desarrollo de energías renovables en el país, entra en vigencia en septiembre del año 2014 la ley 20.571 o ley Net Billing , que otorga a los clientes de empresas distribuidoras el derecho a generar y consumir energía en base a fuentes renovables no convencionales y de cogeneración eficiente, e inyectar los excedentes que estos puedan generar a la red, siendo recompensados por la energía que aportan al sistema. Dentro de este contexto nace la interrogante de si es conveniente modelar sistemas fotovoltaicos bajo perfiles de consumo específicos, y si esto entrega información diferente, adicional o mayores beneficios económicos frente al análisis en base a promedios o curvas de consumo típicas Este trabajo consiste en la construcción de una herramienta que permite evaluar económicamente, calculando la tasa interna de retorno (TIR), sistemas fotovoltaicos bajo perfiles de consumo diarios y anuales, con información previa sobre los niveles de radiación, las tarifas, los costos de inversión y parámetros globales de los componentes del sistema. Con el desarrollo de esta herramienta, posteriormente se añade la opción de calcular de manera simplificada, el tamaño de sistema que maximiza la TIR o que optimiza económicamente el sistema FV. Se hace el estudio y modelamiento del perfil de consumo de 5 clientes de la región metropolitana, los que cuentan con tarifa tipo BT1 y distintas cantidades de uso de energía. Estos perfiles se utilizan para hacer los análisis de los resultados y las comparaciones entregadas por la herramienta. Finalmente se demuestra la utilidad de contar con una herramienta adaptada al sector residencial, que permita determinar la potencia de un sistema fotovoltaico que entregue los mayores beneficios a cada cliente, según su perfil de consumo.

A conversão de energia solar diretamente em energia elétrica a partir do efeito fotovoltaico é uma forma confiável de geração de eletricidade. O crescimento das instalações fotovoltaicas na última década tem provado sua viabilidade quando acompanhada de programas de incentivo apropriados. As células e módulos fotovoltaicos possuem um comportamento elétrico característico e a determinação da curva característica I-V (corrente versus tensão) é essencial para a determinação da qualidade do dispositivo além de fornecer os parâmetros para dimensionamento e estimativa de geração de eletricidade. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema para traçar a curva característica I-V de módulos fotovoltaicos. O sistema possui uma fonte de quatro quadrantes para polarização do módulo, multímetros para medida simultânea de tensão e corrente formando pares I-V da curva característica, multímetro para medida de irradiância solar por meio de uma célula de referência de silício monocristalino e multímetro para medida de temperatura do módulo fotovoltaico utilizando um sensor Pt100. Todo o sistema é gerenciado por um programa de computador desenvolvido em linguagem Visual Basic®. O programa envia os comandos para os multímetros e fonte através de uma interface USB - GPIB. Os limites do sistema são ± 100 V e ± 10 A, determinados pela característica da fonte utilizada. A tensão de polarização é em forma de rampa com tempo de duração variável e também é ajustada através do programa. O sistema pode medir curvas com até 2000 pontos e o tempo de medida mínimo de cada ponto foi limitado em 50 μs. Durante a medida da curva característica é medida simultaneamente a irradiância solar. O sistema desenvolvido apresentou-se eficiente na medida da curva característica e a densidade de pontos adquirida permite estudos e determinação de parâmetros de maneira precisa. O método de disparo dos multímetros utilizado permite a garantia da simultaneidade da medida do par I-V e a utilização do sistema operacional Windows® permite flexibilidade e facilidade no tratamento dos dados. / The direct conversion of solar energy into electrical energy by means of the photovoltaic effect is a reliable way to generate electricity. The increasing number of photovoltaic installations in the last decade has proved its viability when stimulated by appropriate incentive programs. Photovoltaic cells and modules have peculiar electrical features and the measurement of the characteristic I-V (current - voltage) curve is essential to determine the device's quality. Besides it provides parameters for dimensioning and estimating electricity generation. This work presents the development of a system designed to trace the I-V curve of photovoltaic modules. The system has a four quadrant power supply to polarize the module, two multimeters for measuring I-V pairs of the characteristic curve, one multimeter to measure solar irradiance using a monocristaline silicon reference cell and one multimeter to measure the module temperature using a Pt100. The system is managed by a program developed in Visual Basic® which sends commands to the instruments via a USB - GPIB interface. The system limits are ± 100 V and ± 10 A, limited by the power supply range. The sweeping voltage is a ramp waveform and it is also programmable by the software. The system can measure 2000 points in each curve and the acquisition time of each point is limited to 50 μs. While tracing the characteristic curve, solar irradiance is simultaneously measured. The system is working efficiently and the number of measured points allows studies to obtain precise parameters. The triggering method assures simultaneously measurements of the I-V pair. The use of Windows® operational system allows flexibility and simplicity when dealing with the data in post processing software.

Os sistemas fotovoltaicos autônomos apresentam-se como uma alternativa adequada para a eletrificação rural. Entanto, existem ainda problemas que devem ser resolvidos, fundamentalmente associados ao projeto do sistema e à qualidade técnica dos equipamentos, instalações e os quais influem diretamente sobre a confiabilidade. Para determinar os fatores que incidem sobre a confiabilidade foram estudados os modos de operação e as falhas mais comuns nos sistemas fotovoltaicos autônomos. Pesquisas realizadas no Laboratório de Energia Solar da UFRGS, em conjunto com uma extensa revisão bibliográfica, mostram os problemas técnicos básicos que se produzem em cada um dos elementos da instalação e a dependência entre eles. Estes estudos, combinados com testes sobre baterias automotivas, mostraram que o sistema de acumulação é o elo mais fraco do sistema no aspecto confiabilidade e economia, devido à diminuição de sua capacidade de armazenamento. Isto motivou a considerar os elementos de armazenamento como o foco deste estudo e, através da análise do seu comportamento, apresentar um procedimento que permita dimensionar sistemas fotovoltaicos autônomos com elevada confiabilidade, configuração adequada e baixo custo. Esta Tese tem como objetivo realizar uma análise teórica e prática do impacto das baterias sobre a confiabilidade técnica e viabilidade econômica de sistemas fotovoltaicos autônomos. Para atingir este objetivo, além da realização de testes experimentais, desenvolvimento e ajustes de modelos matemáticos, também foi aperfeiçoada uma ferramenta computacional denominada PVSize. O aperfeiçoamento deste software visa permitir o cálculo de diferentes configurações de sistemas e determinar os riscos de déficit de energia sobre as mesmas, bem como as figuras de mérito econômicofinanceira associados ao projeto escolhido. Como parte deste estudo foi instalado um sistema fotovoltaico autônomo e foram montadas bancadas de ensaio de componentes do sistema. Medições realizadas nestes sistemas permitiram verificar os modelos matemáticos que descrevem o comportamento individual de cada dispositivo e caracterizar os elementos que compõem o sistema. Através de análises experimentais e o seguimento do comportamento do banco de baterias do sistema experimental ao longo de um ano, determinou-se que a conexão de baterias em paralelo acelera o processo de degradação das baterias, e esta degradação tem impacto diferenciado sobre a perda de capacidade de cada bateria. Como resultado deste estudo foi verificado o impacto que a perda de capacidade das baterias tem sobre a confiabilidade de um sistema fotovoltaico autônomo. Além disso, foi aperfeiçoada uma ferramenta de análise e modelagem computacional que determina o nível de confiabilidade de um sistema fotovoltaico autônomo associado à aparição de falhas e ao dimensionamento com elementos reais, à característica estocástica da radiação solar, ao perfil de consumo de energia elétrica e ao efeito de diminuição da capacidade do sistema de acumulação com o tempo. / Stand-alone photovoltaic systems are a suitable alternative for rural electrification. However, there are still problems to be solved, mainly related to the system design and the technical quality of the equipment and facilities, which have impact on the systems reliability. To determine the factors that affect the reliability of these systems were studied the most common configurations and associated failures. The Laboratory experimental research, together with an extensive literature review, show the basic technical problems that occur to each of the elements of the installation and the dependence between them. These studies have shown that the storage system, considering system reliability and economy, is the weakest element due to the decrease of their storage capacity. This fact led to consider the storage systems as the focus of this study and, through the analysis of their behavior, to develop a procedure to size systems with high reliability, lower cost and appropriate configuration. The goal of this Thesis is determinate the impact of batteries on the technical reliability and economic viability of photovoltaic systems. This goal was achieved through experimental testing and the development and adjustment of mathematical models. These models were implemented to preexisting software called PVSize. The improved software allows the calculation of different configurations of systems and to determine the loss of load probability and the figures of merit associated to the chosen economic-financial project. On this work was installed a photovoltaic system and was developed a battery testing system. The values measured in these systems allow to verify the mathematical models that describe the behavior of each device and characterize the components of the system. Experimental analysis of the behavior of a bank of batteries along a year showed that the connection of batteries in parallel accelerates the batteries degradation process, and this degradation has differentiated impact on the loss of capacity of each battery. This study allowed to evaluate the impact that the loss of capacity of batteries has on the reliability of an stand-alone photovoltaic system. It was also improved a software that allow to determine the level of technical reliability due to the design, the stochastic characteristic of solar radiation, the profile of electric power consumption and the effect of the accumulation loss capacity over the time.

Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade do Extremo Sul Catarinense - UNESC, como requisito à obtenção do título de Mestre em Ciência e Engenharia de Materiais. / Nesse trabalho são apresentados o desenvolvimento e a caracterização de filmes orgânicos de resina acrílica aditivados com 8 moléculas fotossensíveis doadoras de elétrons da classe diazol e aceptores da classe tetrazol. Os filmes foram processados utilizando-se a técnica de spin coating. A caracterização óptica dos filmes foi realizada pelas técnicas de espectroscopia de fluorescência e UV-Vis. A estabilidade térmica foi avaliada por análise termogravimétrica, sendo que a estabilidade fotoquímica foi analisada por infravermelho com transformada de Fourier. Os compostos em solução e impregnados em resina apresentaram fluorescência. A energia dos orbitais de fronteira foi analisada por estudo eletroquímico apresentando 3,18eV a 4,66eV para o band gap. A morfologia dos filmes foi caracterizada por microscopia de força atômica. Observou-se grande estabilidade dos filmes dopados obtidos, assim como, uma sensível redução da fotoconversão. As análises de absorção e emissão dos filmes dopados apresentaram significativa redução quando comparado com compostos puros em solução, apesar de utilizar as mesmas concentrações na solução e em filmes. Para determinar a eficiência de transição eletrônica, o rendimento quântico dos filmes foi determinado. O filme, dopado com a molécula 5, apresentou as melhores propriedades para utilização em dispositivos fotovoltaicos.