Large power hybrid PV pumping for irrigation

Hogan Teves de Almeida, Rita (2019). Large power hybrid PV pumping for irrigation. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.53856.

Description

Title: Large power hybrid PV pumping for irrigation
Author/s:
  • Hogan Teves de Almeida, Rita
Contributor/s:
  • Narvarte Fernández, Luis
  • Centeno Brito, Miguel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM)
Department: Ingeniería Telemática y Electrónica
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works

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Abstract

El principal objetivo de esta tesis es el desarrollo de soluciones técnicas para el funcionamiento fiable y eficiente de sistemas híbridos de riego fotovoltaico (FV) de alta potencia. Estas soluciones técnicas se han aplicado al diseño e instalación de dos demostradores de riego FV por goteo a escala real – uno de 140 kWp híbrido FV-diésel en Alter do Chão, Portugal, y otro de 120 kWp híbrido FV-red en Tamelalt, Marruecos. Los dos sistemas están en pleno funcionamiento desde el 2016 y ambos cuentan con sistemas de monitorización. Para validar técnica y económicamente ambos demostradores a partir de estos datos de monitorización, ha sido necesario desarrollar nuevos índices de calidad de su operación ya que, a diferencia de los sistemas FV de conexión a red, el funcionamiento de este tipo de sistemas se ven afectados por factores ajenos a su calidad. Así, el tradicional performance ratio (PR) ha sido factorizado en 4 indicadores distintos: PRPV (que incluye las pérdidas relacionadas con el sistema FV), URIP (que varía con el cultivo y su periodo de riego), URPVIS (que depende del diseño del sistema de riego FV), y UREF (que cuantifica la utilización real del sistema por el usuario). Las principales soluciones técnicas desarrolladas incluyen, primero, un algoritmo que permite eliminar los problemas asociados a la intermitencia de la potencia FV causada, por ejemplo, al efecto del paso de nubes; segundo, el ajuste entre la producción FV y la demanda de agua a través de la utilización de seguidores de eje norte-sur horizontal (N-S); y, tercero, la integración de los sistemas FV en los sistemas de riego que ya existían en las fincas mediante configuraciones de diseño que permiten maximizar el aprovechamiento de la energía solar. La tesis se estructura en 2 partes. En la primera se presentan los resultados de la evaluación técnica y económica de los dos demostradores. El de Portugal muestra penetraciones FV durante el periodo de riego de 0.49 (en 2017) y 0.36 (en 2018), y PR de 0.16 (en 2017) y 0.22 (en 2018) fuertemente influenciados por la utilización del usuario (UREF de 0.29 y 0.44 respectivamente). En el caso de Marruecos la penetración FV, en 2017 y 2018, es de 0.48 y 0.55, y el PR de 0.24 y 0.29 (UREF de 0.32 y 0.36), respectivamente. A nivel económico, la inversión inicial en ambos sistemas es 1.2 €/Wp, el período de retorno de la inversión es 8.8 años en Portugal y 7 en Marruecos y, finalmente, el Levelized Cost of Energy es 0.13 €/kWh en Portugal y 0.07 €/kWh en Marruecos, llevando a ahorros del 61% y 66% en Portugal y Marruecos, respectivamente. En la segunda parte de la tesis, se realizan otras tres contribuciones novedosas para el diseño de sistemas de riego FV de alta potencia. La primera es un nuevo tipo de estructura, llamada Delta, que tiene por objetivo conseguir un perfil constante de irradiancia con una estructura estática para los casos en que los usuarios no deseen instalar seguidores solares. Es interesante subrayar que la potencia pico necesaria en esta estructura para llegar al mismo volumen de agua del sistema con seguidor N-S es más pequeña que la necesaria con la típica estructura estática orientada al ecuador. El segundo estudio evalúa las pérdidas en un sistema de riego FV dependiendo del número de módulos en serie del generador FV. Se puede concluir que en la mayor parte de los casos, estas pérdidas no son significativas por lo que carecen de sentido los complejos diseños que está ofreciendo el mercado para evitar estas pérdidas. En localizaciones con muy altas temperaturas medias, en un sistema aislado estas pérdidas disminuyen con el aumento del número de módulos en serie, mientras que en un sistema híbrido con la red eléctrica estas pérdidas son inevitables independientemente del número de paneles, aunque se pueden minimizar. Finalmente, se propone un nuevo método de selección de bombas para sistemas de riego FV a frecuencia variable. Un ejercicio de simulación hecho para 3 lugares distintos de la cuenca mediterránea demuestra que el volumen de agua bombeada por un sistema de riego FV con una bomba seleccionada por este nuevo método tiene incrementos entre el 7.3 y el 20.5% cuando se compara con una bomba seleccionada con el método tradicional. ----------ABSTRACT---------- The aim of this thesis is to develop technical solutions for the reliable and efficient performance of large-power hybrid photovoltaic (PV) irrigation systems. These solutions have been applied to the design and implementation of two real-scale large-power hybrid PV drip irrigation demonstrators – a 140 kWp hybrid PV-diesel system in Alter do Chão, Portugal, and a 120 kWp hybrid PV-grid system in Tamelalt, Morocco. Both systems have been working since 2016 and include monitoring systems. In order to do a technical and economic validation of the systems from these monitoring data, it has been necessary to develop new performance indices because, unlike PV grid-connected systems, the operation of this type of systems is affected by factors others than its quality. So, the typical performance ratio (PR) has been factorized in 4 distinct indicators: PRPV (which includes the losses strictly related with the PV system), URIP (which varies with the particular crop and the irrigation period), URPVIS (which is intrinsic to the PVIS design), and UREF (which gives an idea of the use of the system, it is influenced by the monthly irrigation scheduling and the availability of water in the source). The main technical solutions developed include first, an algorithm that allows the elimination of the problems associated with PV-power intermittences caused, for example, by a passing cloud; second, the match between PV production and irrigation needs through the use of a North-South horizontal axis tracker (N-S); and third the integration of the PV system in the pre-existing irrigation network through solutions which maximize the use of PV energy. This thesis is structured in 2 different parts. The first one presents the results of the technical and economic validation of the demonstrators. In Portugal, the PV share (PVS) during the irrigation period is 0.49 (in 2017) and 0.36 (in 2018), and the PR is 0.16 (in 2017) and 0.22 (in 2018) extremely influenced by the use of the system (UREF of 0.29 and 0.44 respectively). In Morocco, in 2017 and 2018, the PVS is 0.48 and 0.55, and the PR is 0.24 (with a UREF of 0.32) and 0.29 (UREF of 0.36) respectively. The economic results show an initial investment cost of 1.2 €/Wp, a payback period of 8.8 years in Portugal and 7 in Morocco and, finally, a Levelized Cost of Energy of 0.13 €/kWh in Portugal and 0.07 €/kWh in Morocco, which leads to savings of 61% and 66% in Portugal and Morocco respectively. In the second part of the thesis, three other novel contributions for the design of large-power PV irrigation systems are made. The first one is a new type of PV generator structure, the Delta structure, which has the objective to achieve constant in-plane irradiance profiles when the end-users do not want to install trackers. It is worth noting that the peak power needed in this structure to achieve the same water volume of the N-S tracker is lower than the one needed with the typical static structure oriented to the Equator. The second study evaluates the losses in a PV irrigation system depending on the number of PV modules in series of a PV generator. It is possible to conclude that these losses are irrelevant in most situations, casting doubts about the complex designs that are being offered by the market to avoid them. In places with very high mean temperatures, in a stand-alone PV system, these losses can be eliminated with the increase in the number of PV modules in series. On the other hand, in a hybrid PV-grid system it is impossible to eliminate the losses, but they can be minimized. Finally, a new pump selection method for PV irrigation systems working at a variable frequency is proposed. A simulation exercise carried out for three different places in the Mediterranean zone shows that the water volume pumped by a PV irrigation system with a pump selected with this new method is 7.3 to 20.5% higher than the one pumped with the pump selected with the traditional method. ----------RESUMO---------- O principal objetivo de esta tese é o desenvolvimento de soluções técnicas para o funcionamento fiável e eficiente de sistemas híbridos de rega fotovoltaica (PV) de alta potência. Estas soluções técnicas foram aplicadas ao desenho e instalação de dois demonstradores híbridos PV para irrigação gota-a-gota em dois olivais reais da empresa ELAIA – um sistema híbrido PV-diesel de 140 kWp em Alter do Chão, Portugal; e um sistema híbrido PV-rede de 120 kWp em Tamelalt, Marrocos. Os dois demonstradores estão em pleno funcionamento desde 2016 e ambos contam com sistemas de monitorização. Para validar técnica e economicamente os dois demonstradores a partir dos dados de monitorização foi necessário desenvolver novos índices de desempenho uma vez que, ao contrário do que ocorre em sistemas PV de ligação à rede, o funcionamento de sistemas de rega PV é influenciado por fatores externos à qualidade da sua instalação. Assim, o tradicional performance ratio (PR) foi fatorizado em 4 indicadores: PRPV, URIP, URPVIS, UREF. O primeiro, PRPV, contabiliza as perdas estritamente relacionadas com o sistema fotovoltaico (e pode ser comparado ao PR de um sistema de ligação à rede). O URIP depende do cultivo e indica as perdas associadas ao período de rega. O URPVIS está relacionado com o desenho do sistema de irrigação PV (sendo influenciado, por exemplo, pelo tipo de irrigação, pela relação entre a potência consumida e a instalada e pela estrutura do gerador PV). O quarto e último indicador, UREF, indica a utilização real do sistema (relacionando a irradiância utilizada com a útil num sistema de rega PV). As principais soluções técnicas desenvolvidas incluem o desenvolvimento de um algoritmo para eliminar os problemas associados à intermitência da potência PV causados, por exemplo, por uma passagem de nuvens (este algoritmo foi patenteado); o ajuste entre a produção PV e as necessidades de rega foi solucionado através da utilização de seguidores de eixo Norte-Sul horizontal (N-S); e, finalmente, o sistema PV foi perfeitamente integrado no sistema de rega pré-existente nas herdades mediante configurações de desenho que permitem maximizar o aproveitamento da energia solar PV. Esta tese está estruturada em duas partes. Na primeira são apresentados os dois demonstradores em estudo. Para cada um deles é feita uma análise dos sistemas pré-existente e atual. De seguida, simulações para dois cenários (um otimista e um pessimista) foram desenvolvidas para estimar o desempenho dos novos sistemas híbridos. Finalmente, os dados de monitorização permitiram fazer uma análise detalhada do desempenho real dos sistemas durante as campanhas de rega de 2017 e 2018. No caso de estudo em Portugal, em 2017, a penetração PV foi 0.49, e o PR durante o período de rega foi 0.16 (extremamente influenciado por um UREF de 0.29). Estes valores são consequência da baixa utilização do sistema devido à sequia verificada ao longo do ano. De facto, o sistema funcionou apenas 94 dias e maioritariamente durante a noite. Em 2018, o desempenho no mês de agosto é particularmente interessante. O sistema funcionou, em média, 16 horas por dia (quase 7h30 apenas com PV), a penetração PV foi de 0.53 e o PR de 0.56. Neste caso, o UREF é 0.99, o PRPV 0.83 e o URPVIS 0.68. Nos restantes meses do ano um problema com o sistema de fertirrigação obrigou a uma elevada utilização do gerador diesel. Ainda assim, durante o período de rega, a penetração PV é 0.36 e o PR 0.22. Neste último caso, os valores de PRPV e URPVIS são semelhantes aos do mês de agosto (0.80 e 0.60 respetivamente), sendo a principal diferença o UREF que baixa de 0.99 a 0.44. No caso de Marrocos, a penetração PV é 0.48 em 2017 e 0.55 em 2018 e o PR é 0.24 e 0.29 respetivamente. Este PR é influenciado, maioritariamente, pelos valores de UREF (0.32 em 2017 e 0.36 em 2018). A nível económico, o investimento inicial é de 1.2 €/Wp nos dois sistemas, o tempo de retorno do investimento é 8.8 anos em Portugal e 7 em Marrocos e, finalmente, o Levelized Cost of Energy é 0.13 €/kWh no caso de Portugal e 0.07 €/kWh no caso de Marrocos, o que significa poupanças de 61% e 66% em Portugal e Marrocos, respetivamente. Adicionalmente, outros três estudos sobre sistemas de rega PV de alta potência são apresentados: um novo tipo de estrutura estática chamada Delta, as perdas de energia associadas ao número de módulos em série neste tipo de sistemas, e finalmente um novo método de seleção de bombas para sistemas de irrigação PV de alta potência. Relativamente à estrutura Delta, o principal objetivo era obter um perfil constante de irradiância sem utilizar seguidores solares. Verificou-se que esta opção (que consiste em instalar metade da potência pico do gerador PV orientada a Este e a outra metade a Oeste com uma inclinação de 60º) é bastante interessante em sistemas de irrigação PV. A potência pico necessária neste caso é inferior à necessária com a típica estrutura estática orientada ao Equador. Se o objetivo é alcançar a mesma quantidade de água da estrutura com seguidor N-S nos meses de rega, então a potência pico necessária na estrutura Delta é 1.75 vezes a necessária no caso deste seguidor. Além disso, um índice para estudar quão constante é o perfil foi utilizado e os resultados mostram que durante o período de rega alcança-se 0.99. Relativamente ao estudo da influência do número de módulos em série, as perdas de energia PV foram calculadas para um sistema PV autónomo que bombeia de um poço a um depósito e para um sistema híbrido PV-rede a pressão e caudal de água constantes. Estas duas configurações foram analisadas em dois locais com temperaturas ambiente médias distintas (Villena, Espanha e Marraquexe, Marrocos) e para valores de tensão impostos pela bomba ou pela rede elétrica distintos. De seguida, realizaram-se duas extrapolações dos resultados obtidos. A primeira estabelece-se para permitir a seleção do número de módulos PV em série dependendo da média anual da temperatura máxima e a segunda dependendo da tensão da rede à qual o sistema vai ser ligado. Pode-se concluir que, na maioria dos casos, estas perdas não são significativas e, nesse seguimento, não têm sentido as soluções complexas que o mercado está a oferecer para eliminar estas perdas. Em locais com temperaturas médias muito altas, no caso dos sistemas isolados, as perdas diminuem (e podem ser eliminadas) com o aumento do número de módulos em série no gerador PV. Por outro lado, no caso dos sistemas híbridos PV-rede estas perdas podem ser minimizadas, mas são inevitáveis independentemente do número de módulos em série. No que diz respeito ao método de seleção de bombas, um novo método é proposto uma vez que o tradicional seleciona a bomba com base na máxima eficiência no ponto de trabalho (a 50 ou 60 Hz). Ora, num sistema PV, a bomba pode funcionar a frequências e pontos de trabalho distintos e por isso o método de seleção deve ser adaptado a essas características. Este novo método foi desenvolvido e o procedimento foi implementado no SISIFO (uma ferramenta de simulação de sistemas PV desenvolvida no Instituto de Energia Solar da Universidade Politécnica de Madrid). Posteriormente, foi feita uma comparação entre o desempenho de uma bomba selecionada com o método tradicional e outra com o novo método. Esta comparação foi realizada em três locais distintos da área mediterrânea: Madrid, Marraquexe e Nice. Os resultados demonstram que o volume de água bombeada ao largo de um ano aumenta entre 7.3 e 20.5%, enquanto a eficiência da bomba aumenta entre 4.3 e 5.3% quando se compara a bomba selecionada com o novo método com a bomba selecionada com o método tradicional.

Funding Projects

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Horizon 2020640771MASLOWATENUNIVERSIDAD POLITECNICA DE MADRIDMArket uptake of an innovative irrigation Solution based on LOW WATer-ENergy consumption

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Item ID: 53856
DC Identifier: http://oa.upm.es/53856/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:53856
DOI: 10.20868/UPM.thesis.53856
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 13 Feb 2019 06:09
Last Modified: 13 Sep 2019 22:30
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