Análisis comparativo del funcionamiento de distintas tecnologías de paneles solares operando en las mismas condiciones

Wang, Huaxin (2017). Análisis comparativo del funcionamiento de distintas tecnologías de paneles solares operando en las mismas condiciones. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.49464.

Description

Title: Análisis comparativo del funcionamiento de distintas tecnologías de paneles solares operando en las mismas condiciones
Author/s:
  • Wang, Huaxin
Contributor/s:
  • Muñoz García, Miguel Ángel
  • Alonso García, M. Carmen
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2017
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Ingeniería Agronómica, Alimentaria y de Biosistemas (UPM)
Department: Ingeniería Agroforestal
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La promoción de las energías renovables es una estrategia global para abordar los efectos nocivos del continuo consumo de combustibles fósiles Siendo una de las formas de energía renovable más prometedoras, la energía solar fotovoltaica (PV) convierte la irradiación solar en energía eléctrica directamente. Una planta solar fotovoltaica conectada a la red (GCPV) es una instalación que inyecta la electricidad generada en la red eléctrica. Con base en los cuatro años de monitoreo continuo de la planta ubicada en Madrid, España, esta tesis comparó el rendimiento de tres sistemas GCPV, construidos con diferentes materiales fotovoltaicos, i.e., silicio policristalino (poli-Si), silicio amorfo (a-Si ) y teluro de cadmio (CdTe) bajo las mismas condiciones de operación, i.e., potencia total, orientación y condiciones del sistema. Mediante la evaluación del impacto de la meteorología local y la configuración del sistema GCPV sobre los rendimientos de los sistemas GCPV, esta tesis pretende ofrecer algunas contribuciones para completar el mapa de rendimiento global del sistema GCPV y algunos avances sobre la degradación del rendimiento del generador fotovoltaico. Además, se determinó la relación óptima de dimensionamiento del inversor con respecto a la capacidad de la matriz PV en los sistemas GCPV desde dos puntos de vista: enérgico y económico. La relación óptima se determinó mediante enfoques empíricos y analíticos, y se basó en dos matrices PV conectadas a sus inversores, más tres inversores simulados. Finalmente, se llevó a cabo un conjunto de simulaciones para investigar el potencial del concepto de granja agrivoltáica, i.e., la instalación de sistemas fotovoltaicos en una granja convencional para la coproducción de electricidad y trigo duro. Se propusieron cuatro prototipos basados en poli-Si PV que difieren en las estructuras en Madrid, España. La disponibilidad de luz a nivel de cultivos, la generación de electricidad y cultivos, y los impactos socioeconómicos han sido evaluados y discutidos. Los resultados más relevantes se pueden dividir en cuatro secciones: resultados de comparación de rendimiento, índice de degradación, dimensionamiento del inversor y granja agrivoltáica. Resultados en comparación de rendimiento: Las pérdidas anuales por saturación del inversor desencadenadas por la alta irradiación en el plano fueron del 1,79% (poli-Si), 4,48% (a-Si) y 1,59% (CdTe), respectivamente. Se observó una notable dependencia de la potencia respecto del espectro en función de la masa de aire solar (AM) (−11,22%/AM), pero la dependencia instantánea de temperatura fue indetectable en el sistema de a-Si. Por el contrario, la matriz de poli-Si sufrió la mayor disminución de potencia (−0,56%/°C). El conjunto de CdTe exhibió una interacción moderada con el espectro solar (−4%/AM) y la temperatura (−0,25%/°C). Se confirma la diferencia de potencia máxima significativa entre dos meses (abril y septiembre) debido al recocido térmico y los efectos de absorción de luz en el conjunto de a-Si, donde la variación cuantificada de estos dos efectos fue del 5,9% y del −5,7%, respectivamente. Resultados en la degradación de PV: El inversor de menor tamaño disminuyó la degradación del rendimiento y la amplitud estacional de los tres sistemas GCPV. La tasa de degradación promedio disminuyó de 1,37%/año (poli-Si), 2,12%/año (a-Si) y 2,10%/año (CdTe) a 1,14%/año (poli-Si), 1,48%/año (a-Si) y 1,60%/año (CdTe). Mientras tanto, la fase temporal de la estacionalidad para el sistema a-Si se modificó por la saturación del inversor. Según la comparación de curvas I-V al aire libre entre dos años (2016 y 2017) en condiciones climáticas similares, la disminución de potencia de la matriz de poli-Si se atribuyó a la pérdida de corriente, mientras que el principal contribuyente a la degradación de la matriz CdTe fue el voltaje. Resultados en el dimensionado del inversor: El rango de la región dónde se obtiene el óptimo de energía debido a las características del inversor se redujo cuando se tuvieron en cuenta los factores económicos. El sistema GCPV con menor generación específica de DC y relación entre el costo del inversor y el módulo presentó un intervalo más amplio (1,12–1,25) que el intervalo (1,17–1,19) del sistema con una mayor generación específica de DC y una relación de costos. La relación óptima de dimensionado se obtuvo al considerar una tasa de degradación del módulo fotovoltaico del 1%/año, que dio como resultado un aumento del 10% en la relación óptima de dimensionamiento para una vida útil de 20 años. Resultados en agrivoltáica: Los resultados mostraron que la productividad se mejoró en al menos un 22% con el prototipo de densidad PV mínima sin una reducción notable en el rendimiento del cultivo; y la disponibilidad de luz se mantuvo por encima del 90% interceptada por el cultivo. Los cálculos arrojaron una ganancia neta anual atractiva (5.106 €/ha) de la transformación de una explotación convencional de trigo duro a una explotación agrivoltáica. Además, el uso dual de tierras agrícolas podría ser de gran ayuda para cumplir el compromiso oficial español sobre energía y medio ambiente. ----------ABSTRACT---------- Promotion of renewable energies is a global strategy to tackle the deleterious effects of continuously consumed fossil fuels. Being one of the most promising renewable energy implementations, solar photovoltaic (PV) converts solar irradiation into electricity directly. A solar grid-connected PV (GCPV) plant is a facility that injects the PV generated electricity into the utility grid. Based on the four years continuously monitoring of the GCPV plant located at Madrid, Spain, this thesis thoroughly compared the performance of three side-by-side GCPV systems, constructed in different PV materials, i.e., polycrystalline silicon (poly-Si), amorphous silicon (a-Si) and Cadmium Telluride (CdTe) but under the same operating conditions, i.e., total capacity, mounting and balance-of-system. Through evaluating the impacts of local meteorology and the GCPV system configuration on the GCPV systems performances, this thesis intends to offer some contributions to complete the portray for global GCPV system performance map and some investigation on PV generator performance degradation. Then, the optimum inverter sizing ratio with respect to the PV array capacity was determined in GCPV systems from two points of view: energetic and economic. The optimum ratio was determined by both empirical and analytical approaches, and based on two PV arrays connected to their inverters, plus three simulated inverters. Finally, a set of simulations was carried out to investigate the potential of agrivoltaic farm, i.e., installing PV arrays upon a conventional farm for co-producing electricity and durum wheat. Four prototypes based on poly-Si PV differing in structures were proposed at Madrid, Spain. The light availabilities at crop level, electricity and crop generation, and socioeconomic impacts have been assessed and discussed. The most relevant results can be summarized into four sections: results on performance comparison, degradation rate, inverter sizing ratio and agrivoltaic farm. Results on performance comparison: The inverter saturation annual losses triggered by high in-plane irradiance were 1.79% (poly-Si), 4.48% (a-Si) and 1.59% (CdTe), respectively. Notable solar air mass (AM) spectrum dependence (−11.22%/AM) of the power but undetectable instantaneous temperature dependence was observed in the a-Si array. In contrast, the poly-Si array suffered the highest power decline (−0.56%/°C). The CdTe array exhibited a tempered interaction with the solar spectrum (−4%/AM) and temperature (−0.25%/°C). The significant maximum power gap between two months (April and September) due to the thermal annealing and light soaking effects in the a-Si array is confirmed, where the quantified variation of these two effects were 5.9% and −5.7%, respectively. Results on PV degradation: The undersized inverter decreased the performance degradation and seasonal amplitude of the three GCPV systems. The average degradation rate decreased from 1.37%/year (poly-Si), 2.12%/year (a-Si) and 2.10%/year (CdTe) to 1.14%/year (poly-Si), 1.48%/year (a-Si) and 1.60%/year (CdTe). Meanwhile, the time-phase of seasonality for a-Si system was changed by inverter saturation. According to outdoor I-V curves comparison between two separated years (2016 and 2017) under unvaried weather conditions, the power decline of poly-Si array was ascribed to the loss in current, while the main contributor to degradation of CdTe array was the voltage. Results on inverter sizing: The broad range of the optimum-energy region due to the inverter characteristics was decreased when economic factors were taken into account. The GCPV system with lower specific DC power generation and inverter/module cost ratio presented a wider interval (1.12–1.25) than the interval (1.17–1.19) of the system with higher specific DC power generation and cost ratio. The optimum sizing ratio was completed by considering a PV module degradation rate of 1%/year, which resulted in a 10% increase in the optimum sizing ratio for a 20-year lifetime. Results on agrivoltaic: The results showed that the land productivity was improved by at least 22% with the minimum PV-density prototype without remarkable reduction in crop yields; and the light availability remained above 90% intercepted by crop. The calculations yielded an attractive annual net profit (5,106 €/ha) of the transformation a conventional durum wheat farm to an AV farm. In addition, the dual use of agricultural land could be of great help to fulfil Spanish official commitment on energy and environment.

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Item ID: 49464
DC Identifier: http://oa.upm.es/49464/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:49464
DOI: 10.20868/UPM.thesis.49464
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 19 Feb 2018 14:28
Last Modified: 15 Aug 2018 22:30
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