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Title in Portuguese: Modelo elétrico-térmico para representar o comportamento de módulos fotovoltaicos flutuantes em água a partir das condições climáticas do semiárido brasileiro
Author: Sacramento, Elissandro Monteiro do
Advisor(s): Carvalho, Paulo Cesar Marques de
Co-advisor(s): Riffel, Douglas Bressan
Keywords: Engenharia elétrica
Correlação (Estatística)
Energia elétrica
Electrical-thermal model
Floating photovoltaic modules
Correlation
Issue Date: 18-Dec-2015
Citation: SACRAMENTO, Elissandro Monteiro do. Modelo elétrico-térmico para representar o comportamento de módulos fotovoltaicos flutuantes em água a partir das condições climáticas do semiárido brasileiro. 2015. 117 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica)-Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2015.
Abstract in Portuguese: A presente tese trata de estudo realizado no Laboratório de Energias Alternativas (LEA) da UFC para verificar o comportamento elétrico-térmico de módulos fotovoltaicos de silício cristalino flutuantes em água. Para tal, experimentos com o uso de três (03) módulos FV, um (01) tanque de água, um (01) traçador de curvas I-V comercial, um (01) piranômetro de segunda classe e um (01) anemômetro de conchas foram desenvolvidos. Molduras de isopor foram utilizadas para flutuar os módulos FV na água do tanque. A temperatura foi medida em três pontos distintos dos módulos, de forma a obter uma média entre seus valores que representem a temperatura média do módulo FV. A partir de uma análise por regressão linear, uma correlação para determinar a temperatura média do módulo fora proposta. Após esta etapa, duas correlações para determinar as eficiências de conversão de módulos FV flutuantes em água foram analiticamente desenvolvidas. Reduções nas temperaturas de operação dos módulos FV, bem como ganhos em suas eficiências de conversão de até 18% foram verificados. Os ensaios com os módulos FV em contato com a água mostraram alguns problemas a serem enfrentados, como infiltrações sobre as suas superfícies frontais e nas caixas de contatos, sombreamento sobre as células devido às bordas das molduras e o impedimento do deslocamento da água acumulada nas superfícies frontais em dias chuvosos. Um modelo elétrico-térmico foi desenvolvido com o auxílio da ferramenta MATLAB/SIMULINK, de forma a representar fisicamente o comportamento de geração de módulos FV flutuantes em água. O modelo permitiu curvas I-V serem traçadas a partir dos valores de alguns parâmetros de entrada, como a irradiância incidente no plano horizontal, temperatura ambiente, temperatura da água e velocidade do vento, bem como outros informados pelos fabricantes em suas folhas de dados técnicos (corrente de curto circuito, tensão de circuito aberto, corrente e tensão no ponto de máxima potência, os coeficientes de temperatura e a área dos módulos). Como última etapa, o programa PVSyst foi utilizado para desenvolver um cenário de geração de energia elétrica de uma usina FV flutuante sobre as águas do reservatório Castanhão, no estado do Ceará, que proporcionaria o atendimento de 5% da demanda de energia elétrica de Fortaleza e 2% da demanda do estado do Ceará.
Abstract: This thesis deals about a study developed at the Laboratório de Energias Alternativas (LEA) - UFC to verify the electrical-thermal behavior of floating crystalline silicon photovoltaic modules on water. So, experiments using three (03) PV modules, 01 water tank, 01 commercial I-V curves tracer, 01 second class pyranometer and 01 anemometer were developed. Styrofoam frames were used to float the PV modules on water. The temperature was measured at three different points of the modules to obtain an average between their values, representing the PV module temperature. From a linear regression analysis, a correlation to determine the module average temperature was proposed. After this stage, two correlations to determine the efficiencies of floating PV modules on water were developed analytically. Reductions of the operating temperature of the PV modules as well as gains of conversion efficiencies up to 18% were observed. The tests with the PV modules in contact with water showed some problems to be faced, such as infiltration on their front surfaces and in the contact boxes, shading on the cell due to the frames edges and no displacement of water accumulated in front surfaces in rainy days. An electrical-thermal model was developed with the use of MATLAB / SIMULINK in order to physically represent the generation behavior of floating PV modules. This model allowed I-V curves to be drawn from the values of some input parameters, namely the incident irradiance on the horizontal plane, ambient temperature, water temperature and wind speed, as well as other reported by manufacturers technical data sheets (short-circuit current, open circuit voltage, current and voltage at the maximum power point, temperature coefficients and modules area). As the final stage, PVSyst program was used to develop a power generation scenario of a floating PV plant over the waters of Castanhão reservoir, in the state of Ceará, which would provide the service of 5% of the electricity demand of Fortaleza and 2% of the demand of the state of Ceará.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/36495
metadata.dc.type: Tese
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