Validação de um modelo 3D de potencial solar fotovoltaico

Tese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017O aproveitamento da envolvente dos edifícios para geração fotovoltaica pode contribuir para o desempenho energético de Net Zero Energy Buildings (NZEB). Para o efeito importa desenvolver ferramentas para estimar o potencial solar das fachadas dos edifícios. A presente dissertação tem como objetivo principal a validação do modelo SOL, um modelo de determinação do potencial solar de telhados e fachadas que utiliza dados provenientes de levantamentos Light Detection And Ranging (LiDAR) para construir o modelo digital dos edifícios. Considerou-se o caso de estudo referente à instalação fotovoltaica numa fachada do edifício Solar XXI, situado no Laboratório Nacional de Energia e Geologia (LNEG), em Lisboa para os meses de junho e novembro de 2012 e 2013, considerando dados da energia produzida (Wh), potência (W), tensão e corrente contínua (DC) e alterna (AC) agrupados por inversor, assim como medidas de temperaturas do módulo e ambiente (ºC) e irradiância no plano vertical (W/m2), com resolução temporal de 15min. Foram também utilizados dados de irradiação (Wh/m2) no plano horizontal medidos na estação Gago Coutinho do Aeroporto de Lisboa, pertencente ao Instituto Português do Mar e da Atmosfera (IPMA). Partindo da irradiação estimada pelo modelo SOL, desenvolveu-se uma metodologia para a conversão de irradiação em potência fotovoltaica (Método Base) que tem em conta três aspetos: o efeito da temperatura na eficiência dos módulos, o aumento da refletividade nos módulos com o aumento do ângulo de incidência e uma resolução espacial do modelo digital do edifício de 1m2. Os resultados validam o modelo, apresentando desvios da ordem de 5% para junho e 9% para novembro entre os valores registados e os simulados. Uma análise de sensibilidade mostrou que o efeito da temperatura é mais impactante em junho, havendo apenas períodos de subestimação, e que a correção do efeito do ângulo de incidência, contrariamente ao esperado, melhora o modelo nos momentos em que o sol se encontra mais na normal ao plano da fachada. Uma resolução espacial mais elevada aumenta ligeiramente o erro num plano geral, mas permite uma representação mais correta dos fenómenos de sombreamento parcial e do seu impacto na produção de energia nas várias strings. O modelo de radiação difusa isotrópica integrado no SOL revela-se mais apropriado para condições de fração difusa > 0.85 devendo por isso ser implementado um modelo anisotrópico para valores inferiores.The exploitation of building envelopes for photovoltaic generation can contribute to the energetic performance of Net Zero Energy Buildings (NZEB). For that, it’s important to develop tools that can estimate the solar potential in building façades. The present dissertation has as its main objective the validation of the model SOL, a model for solar potential determination in roofs and façades that uses data from Light Detection and Ranging (LiDAR) surveys to build a digital model of buildings. The case study was the photovoltaic installation on the Solar XXI’s building façade, situated in the Laboratório Nacional de Energia e Geologia (LNEG), in Lisbon for the months of June and November of 2012 and 2013, considering data of produced energy (Wh), power (W), continuous (DC) and alternating (AC) voltage and current grouped by inverter, as for module and environment temperature (ºC) and irradiance on a vertical plane (W/m2), with a temporal resolution of 15 minutes. Irradiation data (Wh/m2) on the horizontal plane measured at the Gago Coutinho weather station in the Airport of Lisbon, belonging to the Instituto Portugês do Mar e da Atmosfera (IPMA). Starting from the estimated irradiation from the model SOL, a method for the conversion of irradiation into photovoltaic power (Base method) was developed that takes into account three aspects: temperature’s effect on the model’s efficiency, the raise of reflectivity in modules with the raising of the incidence angle and a spatial resolution of the building’s digital model of 1m2. The results validate the model, presenting deviation of 5% for June and 9% for November between the registered values and the simulated ones. A sensitivity analysis showed that the temperature’s effect is more impactful in June, presenting only underestimation periods, and that the correction of the incidence angle’s effect, contrarily to the expected, improves the model in moments that the sun is closer to the façade plane’s normal. A higher spatial resolution slightly raises the error on a general plane, but it allows a more correct representation of the partial shading phenomena and its energy production on the various strings. The isotropic diffuse radiation model integrated in SOL revealed to be more appropriate for conditions of diffuse radiation fraction > 0.85, thus being needed an implementation of an anisotropic model for inferior values