Neste trabalho experimental, apresenta-se várias propostas para a construção de sensores termoelétricos para a medida da radiação solar. 0s sensores construídos segundo estas propostas obedecem 4 configurações geométricas, e têm seus princípios de funcionamento de acordo com dois sistemas: Preto e Branco e de Grande Capacidade Calorífica. 0s materiais utilizados são facilmente encontrados no mercado brasileiro, e a técnica de construção é simples e assegura a reprodutibilidade dos instrumentos. Uma das grandes vantagens oferecidas por alguns destes instrumentos é a possibilidade da utilização de instrumentos auxliares de leitura, baratos e comuns no mercado brasileiro. Enfim, os instrumentos construídos para este trabalho são considerados bons, fornecem um sinal de saída alto e um custo relativamente baixo, quando comparado aos instrumentos importados. / In this experimental work, we are presenting some proposals for the construction of themo-electrical sensors to measure solar radiation. According to these proposals, the sensors built so far have four geometrical constructions and their functioning are based on two systems: Black an White and Ful I-black. The material used can be easily on the Brazilian market; their construction tecnique is simple which garantees the reproductibility of the instruments. One of the greatest advantages of some of these instruments is the possibility of using auxiliary reading instruments which are cheap and available on the B r a z i l ian rnarket. Final ly , the instruments constructed throughout t h i s work are considered good; they have a high output and can be built at a low cost when compared with imported ones.

A proposta deste trabalho é caracterizar a distribuição de intensidade da radiação solar difusa. sob diferentes condições de nebulosidade, através da análise de imagens monocromáticas do hemisfério celeste e das correspondentes medidas da irradiância solar difusa. O sistema experimental tem como elementos principais uma câmera CCD monocromática. empregada na aquisição de imagens e um piranômetro, que realiza medidas de irradiância difusa. Tanto a câmera CCD quanto o piranômetro empregam anéis de sombra com as mesmas dimensões. Desta fonna. os equipamentos bloqueiam a mesma região correspondente ao caminho do Sol. O piranômetro também emprega um aro horizontal que bloqueia a irradiância difusa da região do hemisfério celeste, cuja altitude é inferior a 25°, tornando o seu ângulo de visão igual ao da câmera CCD. Um processo de análise permitiu reduzir os IÚveis de cinza da imagem original, que passaram de 256 para apenas 16 IÚveis.Determinou-se o ângulo sólido de cada pixel em função de sua distância ao centro da imagem. O ângulo sólido de toda a imagem foi calculado pela soma do ângulo sólido de cada pixel que compõe a imagem Determinaram-se mapas de distribuição de intensidade relativa. obtidos pela razão entre os valores de intensidade do cinza. observados para os pixels que compõem uma certa região, e o valor de intensidade do cinza do pixel que pertence à região que compreende o zênite. Estes mapas estão também relacionados à distribuição de luminância no hemisfério celestes. Também se determinaram as distribuições de intensidade direcional da radiação difusa. usando toda a infonnação dispoIÚvel associada a cada imagem. Os valores de intensidade direcional são calculados em função da irradiância difusa medida. do ângulo sólido de cada região e de características da imagem. Estes mapas fornecem infonnações mais completas sobre a distribuição de intensidade energética. A partir das características da imagem, estimou-se o índice de nebulosidade para imagens que correspondem à condição de céu parcialmente nublado. O índice de nebulosidade é calculado pela razão entre o ângulo sólido da região que corresponde às nuvens e o ângulo sólido total da imagem.

Com a progressiva disseminação de sistemas fotovoltaicos nos últimos anos tornouse cada vez mais importante a correta caracterização dos módulos fotovoltaicos. A partir da análise da curva corrente versus tensão são obtidas as principais características elétricas de um módulo fotovoltaico, especialmente a potência máxima que o módulo é capaz de fornecer a uma determinada carga. Nesta dissertação é descrito o desenvolvimento de um sistema de ensaios e apresentada uma metodologia para a determinação de curvas características 1-V de módulos fotovoltaicos sob iluminação natural. Sempre observando as normas nacionais e internacionais que regulam ensaios de dispositivos fotovoltaicos, foram estudadas as grandezas necessárias para o levantamento das curvas e qual a instrumentação mais adequada em função das disponibilidades do Laboratório de Energia Solar da UFRGS. o sistema de medidas foi montado e posto em operação. Para o funcionamento automatizado deste sistema foi desenvolvido e implantado um software específico de aquisição de dados e controle. Com o sistema desenvolvido foi levantada a curva I-V de um módulo padrão, previamente calibrado no Instituto de Energías Renovables do Centro de Investigaciones Energéticas y Medioambientales de Madrid, Espanha, e comparados os resultados, os quais mostraram ótima concordância. Através de uma análise das incertezasassociadas ao experimento é demonstradaa adequaçãodo métodoe do instrumentalutilizado.

A utilização de sistemas fotovoltaicos tem se intensificado bastante nos últimos anos. A medida que a demanda exigida do sistema aumenta, torna-se necessário associar uma certa quantidade de módulos fotovoltaicos em arranjos série e paralelo a fim de que se tenham níveis de tensões e intensidades de correntes adequados. Essas associações de módulos ocasionam perdas de potência pois os módulos não apresentam características idênticas. Essa não identicidade e eventuais desuniformidades de iluminamento entre os módulos do sistema também podem provocar o aparecimento de pontos quentes no sistema e fazer com que alguns módulos operem como carga e não como geradores de energia elétrica. Com a finalidade de analisar o comportamento de sistemas fotovoltaicos ao longo de seu funcionamento, foi montado um sistema fotovoltaico experimental nas dependências do Laboratório de Energia Solar da UFRGS. Os módulos que o compuseram foram caracterizados individualmente através do levantamento de suas curvas características I-V e foram associados em duas configurações diferentes. Durante os ensaios, as principais grandezas do sistema foram monitoradas e armazenadas em arquivos através de um programa de aquisição de dados especialmente implementado para este fim. Através do monitoramento do sistema ao longo do seu funcionamento, foi possível compreender melhor as causas das perdas de potência de sistemas fotovoltaicos Nesta Tese é analisado o comportamento deste sistema fotovoltaico, nas duas configurações, nas situações de circuito aberto, curto-circuito e em operação perto do ponto de máxima potência, com e sem sombreamento de módulos, incluindo a comparação entre os resultados experimentais e os previstos teoricamente. Esta análise permitiu estender a caracterização de efeitos possíveis para outros sistemas que venham a operar em situações similares. Além destas análises de comportamento do sistema, foi implementado um programa de simulação do desempenho de sistemas fotovoltaicos, o qual considera um grande número de fatores que influenciam no mesmo entre eles a temperatura dos módulos, a reflexão da radiação solar, a variação do espectro solar em função da massa de ar e a queda de tensão nos condutores do sistema. Os dados monitorados também foram utilizados para validar os resultados obtidos através deste programa, podendo ser observada uma ótima concordância.

Sistemas de aquecimento de água que utilizam a conversão de energia solar em energia térmica, além de serem um meio fácil e limpo de geração de energia, trazem benefícios econômicos ao país e principalmente a quem os utiliza. O elemento principal destes sistemas, o coletor solar, é objeto de estudo neste trabalho. Coletores planos são amplamente utilizados e possuem uma tecnologia consolidada, porém, um tipo de coletor composto por tubos de vidro, com isolamento a vácuo e superfície absorvedora seletiva vem se tornando uma opção cada vez mais viável economicamente. Com benefícios evidentes em climas de frio mais intenso, estes coletores devem ter seus parâmetros de desempenho térmico determinados segundo procedimentos normativos, para que possam ser dimensionados de forma correta os sistemas de aquecimento que os utilizarem. Este trabalho descreve o desenvolvimento de uma bancada de ensaios construída no Laboratório de Energia Solar da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, que tem o intuito de possibilitar o ensaio deste tipo de coletor. Esta bancada contou com uma instrumentação cuidadosamente calibrada e com um dispositivo, desenvolvido neste trabalho, capaz de realizar medidas da diferença de temperatura da água entre as seções de entrada e saída do coletor com uma incerteza inferior a 0,05 °C. Foram realizados ensaios individuais de dois tubos a vácuo de superfícies absorvedoras distintas desacoplados do coletor. Um ensaio determinou seu coeficiente de transferência de calor e outro avaliou as propriedades ópticas de cada tubo. A metodologia experimental utilizada se mostrou válida e possível de determinar alguns parâmetros para utilização em simulações. Um melhor desempenho do tubo com superfície seletiva de (Al-N/SS/Cu) em relação ao que utiliza (Al-N/Al) ficou evidente nestes ensaios. Foi realizado na bancada desenvolvida o ensaio de um coletor de tubos de vidro a vácuo que utiliza o principio de transferência direta. Sua curva de eficiência e seus parâmetros de desempenho foram determinados sob condições de regime permanente. Houve pequena diferença entre os valores obtidos e os fornecidos pelo fabricante, o que deve ter ocorrido, em parte, devido à diferença das condições de realização dos ensaios. A curva de desempenho obtida neste trabalho para o coletor de tubos de vidro a vácuo foi comparada às curvas de dois coletores planos. Nesta comparação ficou evidente que o coletor ensaiado é mais eficiente em situações onde a diferença entre a temperatura da água no interior do coletor e temperatura ambiente são maiores. / The use of solar systems for heating water brings economic benefits to the country and especially to the users. Furthermore, it is an easy and clean form of energy generation. The solar collector, the main element of such systems, is the object of the present study. Flat plane collectors are widely used and have a consolidated technology. However, the market share of tubular evacuated glass collectors is rapidly increasing. These collectors are constituted by elements consisting in two concentrical tubes with vacuum in between. Instead of using a black painted sheet of metal as the absorbing element, the internal glass tube is coated with a selective surface. The vacuum provides a high level insulation, with evident benefits in severe cold climates. In order to allow a correct sizing of systems employing such collectors, their thermal performance parameters must be determined according to standard procedures. This work show the description of a test system, built at Laboratório de Energia Solar of Universidade do Rio Grande do Sul, which enable the testing of this type of collector. This test system features a carefully calibrated instrumentation and a device, developed in this work, for measuring the water temperature difference between the collector inlet and outlet with an accuracy of 0.05 °C. A test for estimating the thermal losses and the optical properties of two evacuated tubes with different selective surfaces (Al-N/SS/Cu e Al-N/Al) was also performed. The better performance of the tube with the selective surface deposited on a copper layer was. The experimental methodology was proven to be valid and useful for determining some parameters used in simulations. A test based on the current Brazilian standard with a solar collector with twenty water-in-glass vacuum tubes was performed. Its efficiency curve and its performance parameters were determined under steady state conditions. Some differences between the obtained values and manufacturer data were detected, probably due to the difference between the test conditions. The efficiency curve obtained for the tubular solar collector was compared to the curves of two flat plane collectors. This comparison indicated that the tested collector is more efficient under situations in which the difference between the temperature of the water inside the collector and the ambient temperature are higher.

O presente trabalho trata da produção de gelo, com energia solar. A produçao de gelo e feita atraves de um sistema de refrigeração por absorção, onde a energia solar é a fonte de calor. O gelo tem uma grande aplicação na conservação de alimentos, e a energia solar permite a produção de gelo onde n-ao se dispo-e de energia ele, trica. Pode-se ver que a grande aplicação destes sistemas é tipicamente o meio rural. O sistema pode ser dividido em duas partes: o sistema solar de captação de energia e o equipamento de refri - geração. O sistema solar baseia-se no uso de coletores solares concentradores parabÓlicos compostos (CPC), onde a energia solar é utilizada para aquecimento de Óleo térmico. Os coletores são posicionados dentro de uma "estufa", que os protege da ação do vento, permitindo uma estrutura mais leve. Neste trabalho é feito um estudo do projeto de engenharia desenvolvido para o sistema solar, onde são analisadas as etapas de projeto propriamente dito, fabricação e testes iniciais do sistema. Para quantificar o fator de interceptação de espelhos reais, foi feita uma simulação do comportamento dos coletores em micro-computador. O equipamento de refrigeração baseia-se em um ciclo de absorção, que utiliza o Óleo térmico aquecido como fonte de calor para seu funcionamento. O ciolo utiliza dois fluidos, a água como absorvente e a amonia como refrigerant. Partindo da bibliografia existente e da operação do equipamento procurou-se o conhecimento teÓrico do ciclo de refrigeração por absorção. As mediçÕes experiment3is do equipamento de refrigeração foram feitas com o sistema trabalhando em regime, e os dados recolhidos foram utilizados em equações de balanço provenientes da análise teÓrica acima citada. Os resultados desses cálculos foram então comparados com o comportamento global do sistema medido em forma experimental. / Thia work denis with solar energy ice production. Ice is obtained from an absorption refrigeration system, on which solar energy is the heat source. Ice is very important for food conservation, and solar energy makes ice production possible where there is no electrical energy. Thus, farm regions seems like the main application of these systems. The system can be divided into two componente: the equipment for solar energy collection and the refrigeration equipment. The solar equipment uses compound parabolic collectors (CPC) that heat thermal oil. The collectors are mounted inside o greenhouse, that protects the collectors from wind and allows a light structure. This worlc describes an analysis of the engineering deaign developed for the solar syatem, as well as the factor, y making and the initial testa of the system. The interception factor was evaluated by computer simulation of the collector behaviour. The refrigeration equipment is based on an absoi ·ption cyclo which uses the heated thermal oil as heat source, water as the ebsorbent and ammonia as the refrigerant. The operation of the system, as well as a survey on the available literatura, allowed a study on the theory of the absorption refrigeration cycle. The experimental meosurements were obtained wifu. the equipment working in constant operation (24 hours/day), and the resulta were utilized in the derived theoretical equations. The results thus obtained were then compared to those derived from the experimental measurements.

This work describes, (i) the designing and building of two sets of apparatus, namely a Liquid Nitrogen Cooled Ditectional Emissometer and a Laser-source Spectral Bidirectional Reflectometer (ii) measurements using the above apparatus on Solar selective absorber (Maxorb, Cusorb, Skysorb, Solarcoat- 100), non-selective absorber (Nextel, Solarcoat-50) and metal (Al, Cu and brass) samples. The emissometer incorporates liquid nitrogen cooling of the sample chamber thus reducing the error due to emission from the surroundings and extending the working range of sample temperature down to about 273 K. This instrument also uses a beam chopper with a phase sensitive detection system, and a Golay-cell detector. The overall error in the emittance values measured is estimated to be ± 5%. Using the emissometer all the samples in (ii) above were studied. The directional emittance behaviour of the metals and the non-selective absorbers agree well with theoretical predictions and with measurements made by other workers. In the case of the solar selective absorbers however, a peak in the directional emittance at 20°-30° reported by Hutchins (1979) is not seen in any of the present measurements. It is suggested that the ∈/∈'(0°) vs. ∈'(0°) plot can be used in comparing the emittance properties of solar selective absorbers with their substrate metals. The bidirectional reflectometer incorporates a novel device for mounting, positioning and orienting both the sample and the detector (Sample and Detector Assembly - SDA). The relatively small dimensions of this device compared with that of other bidirertional reflectometers reported makes it convenient to use and also allows it to be housed within a light-tight enclosure that minimizes problems with stray light. Extensive measurements have been made using laser sources at λ - 633 nm and λ - 1152 nm on the same set of samples of solar absorbers (selective and non-selective) studied with the emissometer. Comparison of the bidirectional reflectance characteristics of the solar selective absorbers shows marked differences between the materials. However certain features common to 'specularly' reflecting materials and others common to 'diffusely' reflecting materials have been identified. Materials like Cusorb and Solarcoat-lOO show a combination of these. Some of these features are discussed in terms of the surface microstructure data obtained using a scanning electron microscope and a conventional stylus type instrument.

This thesis describes the results of four years work on the design, construction, testing and evaluation of a high performance air heating collector designed to supply heat to a communal interseasonal store, which could heat many houses all the year round in the U.K. Interseasonal storage utilizing a pebble bed was investigated but shown to be costly both in terms of money and energy. The performance of medium to high temperature storage is shown to improve with high performance collectors. The level of insulation specified in the 1978 Building Regulations is found to be inadequate for solar heating with long and short term storage, because it is more economic to add more insulation than to install solar heating. While investigating the interseasonal storage of solar energy in pebble beds, data on the design and operation of air heating solar collectors was found lacking. Therefore the development and testing of both a high and low performance solar air heater was undertaken. The standard methods of testing collectors and in particular high performance collectors are shown not to provide an adequate method of comparing the daily efficiency of various types of collectors. Methods of testing air collectors are presented under transient conditions more representative of collector operation in the U.K. The parameters affecting high performance collectors are examined, in particular the reduction of heat loss between cover and absorber, and the effect on performance of diffuse and transient radiation. Results are also presented for testing a low cost plastic collector.

A series of novel porphyrin materials with pushpull framework were designed and synthesized for organic solar cells (OSCs). To start with, a brief overview on the background of OSC, including dye-sensitized solar cells (DSSCs) and bulk heterojunction (BHJ) solar cells, and the porphyrin based materials for OSC applications was presented in Chapter 1. In Chapter 2, an efficient panchromatic light harvesting was demonstrated by the co-adsorption of a porphyrin molecule HD18 or HD19 and N719 in dye-sensitized solar cells. It is apparent that the porphyrin sensitizers show strong absorption in the Soret (400500 nm) and Q bands (600700 nm), while N719 shows efficient spectral response in the 500600 nm (between the Soret and Q bands), and the combination of these two kinds of dye molecules might display strong spectral response in the full-colour region. Mechanistic investigations were carried out by various spectral and electrochemical characterizations. The best co-sensitized device based on HD18 + N719 shows considerably enhanced power conversion efficiency of 8.27%, while those individually sensitized by HD18 and N719 display efficiencies of 6.74% and 6.90%, respectively. Subsequently, an optimized co-sensitized device based on the porphyrin HD18 and organic dye PT-C6 was fabricated by a stepwise adsorption of HD18 and PT-C6. The best performance of JSC/mA cm-2 =19.61, VOC/V = 0.74, FF = 0.69 and η = 10.1%, is superior to that of the individual device made from either HD18 (η = 7.4%) or PT-C6 (η = 8.2%) under the same conditions of fabrication. The post-adsorption of PT-C6 on the porphyrin-sensitized TiO2 anode surface not only enhances the spectral response of solar cells, but also greatly retards the back reaction between conduction-band electrons in TiO2 and the oxidized species ( I_3^-) in the electrolyte. In Chapter 3, a series of new donor-π-acceptor (DπA) porphyrin sensitizers with extended π-conjugation units were designed and synthesized for DSSC applications. Appending a phenothiazine (PTZ) donor moiety to the well-investigated porphyrin core and a variety of acceptors with electron deficient property at the opposite side can significantly red shift the absorption spectra to 700 nm in dyes (24). These different acceptor groups exert a significant influence on the electrochemical and photovoltaic properties of these sensitizers. These dyes have been evaluated in dye-sensitized solar cells, showing efficiencies of 0.90~7.29% with I^-/I_3^- based electrolytes. A detailed investigation on their physical, photophysical and electrochemical properties provided some important information on the factors affecting the main photovoltaic parameters. In Chapter 4, we designed and synthesized another series of dyes based on the rigid 2-aryl-1H-imidazo[4,5-b]porphyrin donors, in which an electron-accepting group was incorporated at the position 2 of imidazo unit via an aromatic spacer. Their photophysical and electrochemical properties, theoretical calculations and dye-sensitized solar cell performances have been investigated. The spectroelectrochemical data suggests the 1H imidazo unit can extend the conjugation length and lower the optical gap. As expected, the π conjugated substituents in all these dyes produced panchromatic absorption spectra over a wide range of wavelengths and IPCE spectra featuring a broad plateau in the region 430650 nm. In addition, both DFT computational and electrochemical data indicate a smaller HOMOLUMO energy gap for HD31Zn than that for dye 1, suggesting that a slightly more facile conjugation between the porphyrin core and the diketopyrrolopyrrole (DPP) unit through the 1H imidazo unit in HD31. Both Dye 1 and HD31Zn exhibited strong solvation effect in different solvents. The effects of solvents and their structures on the photophysical and photochemical properties and device performance have been studied in detail. The results indicate that porphyrin fused heterocycle as an effective electron donor and a suitable spacer between the donor and the acceptor can reduce the molecular aggregation through solvation effects. In Chapter 5, a series of conjugated DπA small molecules (YJ1YJ6, YJ13YJ15 and YJ16YJ19) for bulk heterojunction solar cells (BHJSCs) were prepared by the Sonogashira cross coupling of the electron rich porphyrin units with electron deficient benzothiadiazole (BT), DPP, or 3-ethylrhodanine moieties. The peripheral side chains on the porphyrin units like alkoxyl phenyl, alkyl, and (triisopropylsilyl)ethynyl (TIPS) can alter the solubility, conformation, and electronic properties of the obtained DπA small molecules, allowing the tuning of their photovoltaic properties when blended with fullerene derivatives. The presence of these side chains groups on porphyrin donor units affects the torsion angles between the side chains and the conjugated main chain, but resulting in only slightly different energy levels for the highest occupied molecular orbital (HOMO) for these molecules. Their performance in solution-processed solar cells is under studying. In Chapter 6, we reported the synthesis, electrochemical properties, and optical properties of seven novel BODIPY based π-conjugated materials. These dyes were synthesized via the Stille coupling reactions between the BODIPY units and electron donating groups (EDGs), such as 4,8-bis(5-(2-ethylhexyl)thiophen-2- yl)benzo[1,2-b:4,5-b′]dithiophene (BDT), 9,9-dioctyl-9H-fluorene (FL) or thieno[3,2-b]thiophene (TH). These donors were rationally chosen based on their gas phase ionization potential (IP) values estimated by density functional theory (DFT) calculations. Cyclic voltammetry of these dyes in dichloromethane solutions reveals that HOMOs of the resulting dyes correlated well with the ionization potentials (donor strength) of the donors. On the contrary, the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) energy levels of all dyes are fairly invariant, independent of the donors used. This suggests that the BODIPY moiety provides the primary influence on the LUMO levels of the materials. Two series of YJ9YJ11 and YJ21YJ23 show strong visible absorption in the red region. In addition, we presented the first example of a donor-acceptor BODIPY- containing conjugated copolymers, HDP6 and HDP7, with absorption over the entire spectrum of visible light and part of near infrared region (300900nm) making them suitable as additive for light-harvesting antenna. These dyes provide us with a toolset to tune the frontier molecular orbital energy levels, while retaining the low band gap and broad absorption of these dyes. Overall, these BODIPY molecules exhibited appropriate lower lying LUMO levels (3.70 ~ 3.86 eV) when compared with that of the P3HT, indicating their potential as acceptors for many donor materials in BHJSCs.

This thesis reports the results of research into the modelling and simulation of solar water and space heating for Cyprus, and the investigation of the factors concerning the optimisation of such systems. Further a number of design criteria, which can be used by consultants and designers of solar heating systems, have been established. Five solar heating system configurations have been modelled using the component models of the TRNSYS programme. They concern thermosyphon solar water heating systems, active solar water heating systems, solar space heating systems, combined solar water and space heating systems and solar assisted heat pump systems for space and water heating. These models are used to simulate the thermal performance of the systems and investigate their cost effectiveness under the weather and socioeconomic conditions of Cyprus. The results of the simulations have been used to identify the optimum design criteria for such systems in the Cyprus environment. The design criteria that have been established are concerned mainly with the solar collector and the storage tank and they are key design factors for a solar heating system. The design factors include the collector orientation and tilt angle, the collector to load factor which relates the collector surface area to the annual thermal load, the storage factor which relates the capacity of the storage tank to the collector size, the collector water flow flux, which relates the water flow rate through the collector with the collector area, and other criteria, which concern the auxiliary heat supply and the heat exchangers. For space heating systems, in addition to the above factors, a new design criterion is introduced, the collector to floor area factor, which relates the collector area to the building floor area, while for domestic hot water systems, the collector to consumer factor is used to specify the collector surface area needed for each hot water consumer in the building. This work has resulted in the publication of four papers in refereed International Journals and the presentation of three other papers at International Conferences. A list of publications is included in the Appendices.