This thesis deals with quantifying the merits of Distributed Maximum Power Point Tracking (DMPPT), as well as providing solutions to achieve DMPPT in PV systems. A general method based on 3D modeling is developed to determine the energy yield of PV installations exploiting different levels of DMPPT granularity. Sub-string-level DMPPT is shown to have up to 30% more annual energy yield than panel-level DMPPT. A Multi-Input-Single-Output (MISO) dc-dc converter is proposed to achieve DMPPT in parallel-connected applications. A digital current-mode controller is used to operate the MISO converter in pseudo-CCM mode. For series-connected applications, the virtualparallel concept is introduced to utilize the robustness of the parallel connection. This concept is demonstrated on a three-phase boost converter. The topology offers reduced output voltage ripple under shading which increases the life-time of the output capacitor. The prototypes yield output power benefits of up to 46% and 20% for the tested shading conditions.

Neste trabalho apresenta-se o modelo de um controlador baseado em Lógica Fuzzy para um sistema de energia baseado em fonte renovável solar fotovoltaica (photovoltaic - PV) multi-string em operação isolada, para o aproveitamento da máxima potência desta fonte. O sistema é composto por painéis solares, conversor CC-CC tipo elevador de tensão (boost), armazenamento por banco de baterias, inversor trifásico e carga trifásica variável. O sistema fotovoltaico foi modelado no MATLAB/Simulink de forma a representar a curva característica V-I do módulo PV, e que é baseado nos dados disponíveis em data-sheets de painéis fotovoltaicos comerciais. Outros estudos de natureza elétrica tais como o cálculo dos valores eficazes das correntes no conversor CC-CC, para avaliação das perdas, indispensáveis para o dimensionamento de componentes eletrônicos, foram realizados. O método tradicional Perturb and Observe de rastreamento do ponto de máxima potência (Maximum Power Point Tracking MPPT) de painéis foi testado e comparado com métodos que usam a Lógica Fuzzy. Devido ao seu desempenho, foi adotado o método Fuzzy que realiza o MPPT por inferência do ciclo de trabalho de um modulador por largura de pulso (Pulse Width Modulation - PWM) através da variação da potência pela variação da corrente do painel solar. O modelo Fuzzy adotado neste trabalho foi testado com sucesso. Os resultados mostraram que ele pode ser robusto e atende à aplicação proposta. Segundo alguns testes realizados, este controlador pode realizar o MPPT de um sistema PV na configuração multi-string onde alguns arranjos fotovoltaicos são usados. Inclusive, este controle pode ser facilmente adaptado para realizar o MPPT de outras fontes de energia baseados no mesmo princípio de controle, como é o caso do aerogerador. / This work presents the model of a Fuzzy Logic controller for a renewable energy system based on multi-string solar photovoltaic (PV) in stand-alone operation, to extract the maximum energy of this power source. The system consists of PV modules, DC-DC converter (Boost), a battery set, three-phase inverter and three-phase variable load. The photovoltaic system was modeled in MATLAB / Simulink in order to represent the V-I characteristic of the PV module, and which is based on the data provided by the manufacturer data-sheet. Other studies, such as the calculation of the RMS currents of the DC-DC converter components for evaluation of the losses, which are essential for the system design were accomplished. The conventional Perturb and Observe method for the Maximum Power Point Tracking (MPPT) of PV modules was tested and compared with methods that use Fuzzy Logic control. Due to its performance, it was adopted the Fuzzy method that performs the MPPT by inference of duty cycle of a Pulse Width Modulation (PWM) through the variation of PV power divided by the variation of the PV current. The Fuzzy model considered in this work was successfully tested. The results showed that it can be robust and suitable to the proposed application. According to some accomplished tests, the controller can perform the MPPT of a multi-string configuration of the solar PV system, in which several PV arrays are used. Moreover, it can also be easily adapted to perform the MPPT of other energy power sources based on the same control principle, as it is in the case of aerogenerators.

Neste trabalho apresenta-se o modelo de um controlador baseado em Lógica Fuzzy para um sistema de energia baseado em fonte renovável solar fotovoltaica (photovoltaic - PV) multi-string em operação isolada, para o aproveitamento da máxima potência desta fonte. O sistema é composto por painéis solares, conversor CC-CC tipo elevador de tensão (boost), armazenamento por banco de baterias, inversor trifásico e carga trifásica variável. O sistema fotovoltaico foi modelado no MATLAB/Simulink de forma a representar a curva característica V-I do módulo PV, e que é baseado nos dados disponíveis em data-sheets de painéis fotovoltaicos comerciais. Outros estudos de natureza elétrica tais como o cálculo dos valores eficazes das correntes no conversor CC-CC, para avaliação das perdas, indispensáveis para o dimensionamento de componentes eletrônicos, foram realizados. O método tradicional Perturb and Observe de rastreamento do ponto de máxima potência (Maximum Power Point Tracking MPPT) de painéis foi testado e comparado com métodos que usam a Lógica Fuzzy. Devido ao seu desempenho, foi adotado o método Fuzzy que realiza o MPPT por inferência do ciclo de trabalho de um modulador por largura de pulso (Pulse Width Modulation - PWM) através da variação da potência pela variação da corrente do painel solar. O modelo Fuzzy adotado neste trabalho foi testado com sucesso. Os resultados mostraram que ele pode ser robusto e atende à aplicação proposta. Segundo alguns testes realizados, este controlador pode realizar o MPPT de um sistema PV na configuração multi-string onde alguns arranjos fotovoltaicos são usados. Inclusive, este controle pode ser facilmente adaptado para realizar o MPPT de outras fontes de energia baseados no mesmo princípio de controle, como é o caso do aerogerador. / This work presents the model of a Fuzzy Logic controller for a renewable energy system based on multi-string solar photovoltaic (PV) in stand-alone operation, to extract the maximum energy of this power source. The system consists of PV modules, DC-DC converter (Boost), a battery set, three-phase inverter and three-phase variable load. The photovoltaic system was modeled in MATLAB / Simulink in order to represent the V-I characteristic of the PV module, and which is based on the data provided by the manufacturer data-sheet. Other studies, such as the calculation of the RMS currents of the DC-DC converter components for evaluation of the losses, which are essential for the system design were accomplished. The conventional Perturb and Observe method for the Maximum Power Point Tracking (MPPT) of PV modules was tested and compared with methods that use Fuzzy Logic control. Due to its performance, it was adopted the Fuzzy method that performs the MPPT by inference of duty cycle of a Pulse Width Modulation (PWM) through the variation of PV power divided by the variation of the PV current. The Fuzzy model considered in this work was successfully tested. The results showed that it can be robust and suitable to the proposed application. According to some accomplished tests, the controller can perform the MPPT of a multi-string configuration of the solar PV system, in which several PV arrays are used. Moreover, it can also be easily adapted to perform the MPPT of other energy power sources based on the same control principle, as it is in the case of aerogenerators.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:56:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 RodrigoLB_DISSERT.pdf: 2422493 bytes, checksum: d216abfd7470b7951cb5443aaa1b133a (MD5) Previous issue date: 2014-01-22 / The scarcity of natural resources and the search for alternative energy sources promote a rapid change in the energy world. Among the renewable energy sources, solar energy is the most promising, presenting technology of greatest growth rate nowadays. Researchers around the world are seeking ways to facilitate their progress, developing technologies with higher efficiency and lower cost. As a contribution to global progress, this master thesis proposes the development of a strategy of maximum power tracking based on perturbation and observation method for photovoltaic systems. The proposed control strategy is based on active power balance of the system, with a reduced number of sensors. It also allows the PV system to act as a regulator of the power quality at the point of commom coupling (PCC), compensating the harmonic distortion and power factor of the current netw / A escassez dos recursos naturais e a busca por fontes de energia alternativa promovem uma r?pidamudan?a namatriz energ?tica mundial. Dentre as fontes de energia renov?veis a energia solar ? a mais promissora, visto que ela apresenta a maior taxa de crescimento na atualidade. Pesquisadores de todo o mundo t?m buscado formas de viabiliza??o do seu progresso, desenvolvendo tecnologias com maior efici?ncia e menor custo. Como forma de contribuir para o avan?o mundial, neste trabalho ? proposto o desenvolvimento de uma estrat?gia de rastreamento da m?xima pot?ncia, baseado no m?todo perturba??o e observa??o, para sistemas fotovoltaicos. A estrat?gia de controle proposta ? baseada no balan?o de pot?ncia ativa do sistema e utiliza um n?mero reduzido de sensores. Ela tamb?m permite que o sistema fotovoltaico atue como regulador da qualidade de energia no ponto de conex?o, compensando assim a distor??o harm?nica das correntes da rede e corrigindo o fator de pot?ncia. Resultados de simula??o e experimentais s?o apresentados para validar a estrat?gia proposta

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2016-09-12T14:19:20Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Artur_Muniz_Dissertacao_Digital_Biblioteca.pdf: 14042205 bytes, checksum: 21290a8d10774b2848f16e9351043b9a (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-12T14:19:20Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Artur_Muniz_Dissertacao_Digital_Biblioteca.pdf: 14042205 bytes, checksum: 21290a8d10774b2848f16e9351043b9a (MD5) Previous issue date: 2016-02-26 / FACEPE / A curva da potência em função da tensão nos terminais de uma conexão em série de módulos fotovoltaicos, com diodos de passagem protetores, exposta a um sombreamento parcial, exibe um comportamento com múltiplos picos. Os múltiplos picos tornam as estratégias clássicas de seguimento do ponto de máxima potência, ou MPPT, ineficazes. Em primeiro momento, este trabalho realiza uma análise estatística que determina uma região trapezoidal no plano tensão potência onde o ponto de máxima potência global está inserido para qualquer situação de irradiâncias múltiplas e temperatura, para configurações com inversor central e módulos conectados em séries puras ou conectadas em paralelo. Em segundo momento, este trabalho pesquisa as técnicas de MPPT Global que rastreiam o ponto de máxima potência global de uma curva tensão potência com múltiplos picos. Duas destas técnicas são estudadas a fim de avaliar a rapidez em encontrar o ponto de máxima potência global e a energia perdida na busca. Por fim, é proposta uma nova técnica de MPPT Global baseada no estudo estatístico preliminar. Esta nova técnica é proposta tirando proveito do trapézio delimitado na análise estatística. / The power-voltage characteristic of series arrays of photovoltaic modules with bypass diodes under partial shading conditions, displays a multiple peaks behavior. The multiple peaks make the classical algorithms of maximum power point tracking, or MPPT, ineffective. At first, this work performs a statistical analysis that determines a trapezoidal region in the power voltage plan where the global maximum power point is situated for any situation from multiple irradiances and any temperature, for central inverter configuration with a series array of modules or parallel connected series arrays. Soon after, this paper researches the Global MPPT techniques that track the global maximum power point of power-voltage curves with multiple peaks. Some of these techniques are studied to assess how fast they can find the global maximum power point and the energy lost at this search. Finally, it is proposed a new Global MPPT technique based on the preliminary statistical study. This new technique is proposed taking advantage of the trapezoidal region defined in the statistical analysis.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The constant human need for electricity, as well as the increasing demand for energy causes the use of finite sources, as oil and coal. The search for alternative energy sources as wind harvesting is the motivation for this master dissertation. Wind energy is a consolidated technology, mostly based on three blades wind turbine. This master thesis constitutes an analysis of a non-conventional wind machine, named Magnus wind turbine. The turbine s operation is based on the Magnus effect and its difference with respect to the traditional type is that it has rotating cylinders instead of fixed blades, which benefits an increase of generated power, since this turbine can produce power from low wind speeds. A method to track the maximum power point based on the control of the cylinders rotation is proposed, whereas in literature only fixed values were found for this variable. This Magnus turbine is used to drive a permanent magnet synchronous generator as a way to prove the theoretical predictions. The electrical generator also uses a specific method to track the maximum power point for the whole set. Simulated and practical results are demonstrating the performance of the Magnus wind turbine driving a permanent magnet synchronous generator. / A constante necessidade de energia elétrica, assim como o aumento de demanda, implica no uso de fontes de energia que são finitas, como o petróleo e o carvão. A busca por fontes alternativas de energia como a eólica é a motivação para este trabalho, também por a energia eólica ser uma tecnologia já consolidada, utilizando principalmente turbinas de três pás para a geração de energia. Esta dissertação trata da análise de uma turbina eólica não convencional, conhecida como turbina eólica Magnus para acionamento de geradores elétricos. A operação desta turbina é baseada no efeito Magnus e seu grande diferencial é que ao invés de pás fixas possui cilindros giratórios que ajudam no incremento de potência, já que a turbina pode produzir potência mesmo com baixas velocidades de vento. Um método de rastreamento de máxima potência é proposto baseando no controle da velocidade de rotação dos cilindros, já que na literatura são considerados apenas valores fixos para esta variável. A turbina Magnus é acoplada a um gerador síncrono a imã permanente, como forma de demonstração da precisão do método proposto na determinação do seu ponto de máxima potência. Paralelo a isto, o gerador também utiliza um método de rastreamento de máxima potência para que o conjunto inteiro trabalhe no ponto de máxima potência. Os resultados de simulação e práticos são apresentados para demonstrar o desempenho da turbina Magnus acoplada a um gerador síncrono a imã permanente.

This thesis deals with the increased efficiency of photovoltaic panels (PVs) through cooling the cells by geothermal energy and water heating. Initially, a photovoltaic modeling is made proposing an equation to obtain the maximum power point considering the variations of solar radiation and cell temperature. Initially, it is proposed a PV modeling for obtaining the maximum power point (MPP) as a function of solar radiation and temperature of the cells by the PV 5-parameter model. Thus, the determination of the PV MPP, which depends only on the internal parameters, can be made with greater precision. Water circulation by a pipe that passes through the thermal reservoir is used to cool the PV. This is complemented by cooling hoses buried underground to exchange geothermal avoiding the saturation of the heat exchange between PV and water circulation, increasing the PV efficiency. After studies on the constitution of the soil, the technical characteristics of the tubes for circulating water, hydraulic pump and heat exchanger installed after PV, economic analysis and a set of two PVs were mounted with and without the heat exchangers to verify the gains in power and performance. The experiments were made with two PVs operating in MPP, proving that the MPP and the performance increase with decreasing temperature as the modeling performed. During the experiments, the underground temperature varied slightly, avoiding the heat exchange saturation. The main contributions include the PV modeling to obtain the MPP with a single iteration, the use of geothermal energy without heat pump and residential heat load reduction by use of heated water circulation in PVs. / Esta dissertação trata do aumento da eficiência de painéis fotovoltaicos (PVs) através do esfriamento das células por energia geotérmica e aquecimento de água. Inicialmente, é proposto um equacionamento para obtenção do ponto de máxima potência (MPP) de PVs em função da radiação solar e da temperatura das células, considerando o modelo PV de cinco parâmetros. Assim, a determinação do MPP, que depende somente dos parâmetros internos, pode ser feita com maior precisão. Para esfriar o PV, utilizou-se a circulação de água numa canalização que passa por reservatório térmico. Este esfriamento é complementado por mangueiras enterradas no subsolo para troca de energia geotérmica evitando a saturação da troca de calor entre PV e água de circulação, aumentando a eficiência do PV. Após estudos sobre a constituição do solo, características técnicas dos tubos para a circulação de água, bomba hidráulica e trocadores de calor instalados atrás do PV, foi feita a análise econômica e montagem de um sistema com dois PVs, sendo um deles em conjunto com os trocadores de calor e outro sem para verificar os ganhos de potência e rendimento. Experimentos foram realizados com os dois PVs operando em MPP, onde se comprova que o MPP e o rendimento aumentam com a diminuição da temperatura conforme a modelagem realizada. Durante os experimentos, o subsolo sofreu pouca variação térmica de modo a evitar a saturação da troca de calor. Dentre as principais contribuições destacam-se a modelagem para obtenção do MPP de PVs com uma única iteração, viabilização do uso de energia geotérmica sem bombeamento de calor e redução de carga térmica residencial pelo aproveitamento da água aquecida no PV.

Abstract This thesis presents measuring techniques as well as measured and simulated results with the aim of helping the design of photovoltaic energy harvesting systems. Therefore, cost-effective measurement setups were developed for collecting the amount of irradiation, for both stationary and moving photovoltaic (PV) installations. The impact of the time resolution of solar radiation data on estimating the available solar energy was investigated. For moving PV installations, the dynamics and the rate of changes in the available irradiation were studied in order to analyse the effects on maximum power point tracking (MPPT) algorithms. In addition, possibilities for harvesting PV energy in indoor environments were also investigated. The main contribution of this thesis is the effective testing of PV cells and complete PV panels: instead of measuring the characteristic I-V (Current-Voltage) response under strictly controlled artificial illumination, photovoltaics are simply biased externally. Then, with the help of synchronized thermography (ST), infrared (IR) images of the PV panel self-heating are recorded. In the obtained IR-images, defected areas are seen as cold spots, since they are not biased by the external power supply. From the calculated temperature variations, the size of the defect area can be calculated and, thus, the loss in output power can be estimated. The method is shown to work both with and without glass encapsulation. / Tiivistelmä Tämä työ esittelee mittaustekniikoita ja mitattuja ja simuloituja tuloksia aurinkoenergian keruujärjestelmien suunnittelun avuksi. Työtä varten kehitettiin kustannustehokas mittausjärjestelmä, jonka avulla arvioitiin aurinkoenergian määrää sekä stationaarisen että liikkuvan valokennon tapauksissa. Näiden lisäksi tutkittiin mittaustaajuuden vaikutusta arvioitaessa saatavilla olevan aurinkoenergian määrää. Liikkuvan PV (photovoltaic)-asennuksen avulla tutkittiin saatavilla olevan aurinkoenergian vaihtelun suuruutta ja nopeutta tarkoituksena analysoida näiden vaikutuksia käytettäviin MPPT-algoritmeihin. Tämä lisäksi tutkittiin myös valoenergian keruumahdollisuuksia sisätiloissa. Työn tärkein kontribuutio on valokennojen ja kokonaisten valopaneelien toiminnallisuuden testaamisen tehostaminen. Tyypillisesti PV:n toiminnallisuus varmistetaan tarkasti määritetyssä ympäristössä suoritetun I-V -ominaiskäyrämittauksen avulla. Tämän työn menetelmä on yksinkertaisesti biasoida PV:t ulkoisesti, minkä jälkeen ST (synchronized thermpgraphy) -kuvauksen avulla määritetään PV-paneelien itselämpenemistä kuvaavat infrapunakuvat. Paneelin vioittuneet alueet erottuvat IR-kuvissa kylminä alueina ulkoisen biasoinnin puuttuessa. IR-kuvista havaituista lämpötilavaihteluista on mahdollista määrittää vioittuneen alueen koko ja siten arvioida myös menetettyä lähtötehoa. Kyseisen metodin toimivuus osoitettiin niin lasikoteloiduilla kuin ilman sitä olevilla PV-paneeleilla.

Rodd är en sport som kräver hög kondition då de flesta av kroppens stora muskler används och kroppens alla tre energisystem är inblandade. Därmed har kroppen ett stort behov av energi vid rodd.    Roddmaskin är en utrustning som används av roddare under vintersäsongen för att utveckla prestationen och göra fysiologiska tester.    Syftet med projektet var att undersöka hur takt (drag per minut) och styrka (1RM marklyft) påverkade, sluttiden (s) vid 1000 m rodd på roddergometrar. Studien utfördes på 9 manliga deltagare över 18 år och sambanden studerades med linjär regressionsanalys. Hypotesen var att lägre takt leder till högre kraft i draget och högre takt leder till lägre kraft. Resultaten visade inget samband mellan takt, högre vikt i marklyft och sluttid där en lägre takt och högre medeleffekt gav en lägre sluttid, p och r2 värdet för sambandet mellan tid och takt var 0.109 för r2och p=0.385, p= 0.210 och r2 värdet 0.214 för sambandet mellan tid och marklyft, för sambandet mellan tid och medeleffekt var r2 värdet 0.75 och p = 0.0025, vilket tyder på ett starkt samband.    Det är troligen större fördel om man drar med större kraft på roddmaskin än om man skulle ro på vatten och resultaten är därför inte direkt överförbara till rodd på vatten. Vidare antyder resultaten att det kan vara en fördel om roddarna tränar mer styrka då mer styrka leder till kraftigare drag, vilket i sin tur leder till en lägre tid. / Rowing is a sport dependent on high endurance capacity, where most of the large muscles in the body are used, the three energy systems are involved and the body is in need of a large amount of energy. Concept 2 rowing ergometers is a sport of itself but is performed mostly during the winter season for outdoor rowers to see the performance and do physiological tests. The purpose of this project was to see if there is any correlation between stroke rate, average power, 1RM deadlift and finishing time on 1000 m rowing machine performance, for 9 adult male rowers. The correlation was studied with linear regression analysis.    The hypothesis was that lower rate leads to higher mean power in each stroke and higher stroke rate leads to lower power in each stroke.    The results showed no correlation between stroke rate, heavier weight lifted in deadlift and finishing time. Where a lower stroke rate and higher mean effect lead to a lower finishing time, p and r2 value for the correlation between time and stroke rate was 0.109 for r2 and p=0.385, p=0.210 and r2 value 0.214 for the correlation between time and deadlift, for the correlation between time and mean effect, the r2 value was 0.75 and p=0.0025, which indicate a strong correlation.        It is more benefit if one row with higher force on the rowing machine than rowing on the water. Further, the results show that it is an advantage if the rowers train more strength, because more power leads to a more powerful stroke and lower time.

Ce mémoire traite de la problématique d’hybridation éolienne-hydrolienne. Elle pose d’abord l’hypothèse d’une éolienne basée sur une Machine Synchrone à Aimants Permanents (MSAP) et une hydrolienne utilisant une Machine Asynchrone à Double Alimentation (MADA). Puis, elle présente la modélisation des différents éléments qui composent chacune des chaines de conversion, de la turbine à la connexion au réseau en passant par la machine électrique et les convertisseurs statiques. Des stratégies de commande y sont aussi développées. Celles-ci permettent d’extraire le maximum d’énergie tout en tenant compte des limites des systèmes. La thèse étudie également deux possibilités de couplage d’une éolienne et hydrolienne qui toutes deux utilisent une MSAP. Les résultats de simulation obtenus des modèles que nous avons développés dans l’environnement Matlab/Simulink/ SimpowerSystem permettent de valider les stratégies de commande utilisées et de conclure qu’un bon choix serait d’opter pour le couplage au niveau du bus continu. / AThis thesis addresses the problem of wind-tidal turbines hybridization. It first raises the hypothesis of a wind turbine based on Synchronous Permanent Magnet Machine (PMSM) and a tidal using a Double-Fed Induction Generator (DFIG). So, it presents the modeling of different elements that make up each system studied, from the turbine to the network connection through the electric machine and static converters. Control strategies are also developed. These are used to extract the maximum energy while taking into account the limitations of the systems. The thesis also examines two possible coupling of wind and tidal turbines which both use a PMSM. The simulation results of the models that we have developed in Matlab / Simulink / SimpowerSystem allow to validate the control strategies and conclude that a good choice would be to opt for coupling to the DC bus.