Development of a prototype of a hybrid photovoltaic system

Tese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017A energia solar tem vindo a assumir um importante papel, à medida que aumenta a sua penetração e difusão nos mercados, devido à diminuição dos custos de produção das células solares fotovoltaicas (PV). Um meio de reduzir os custos de produção dos coletores solares é a de usar concentradores (re-fletores solares de elevada eficiência), que aumentam a produção elétrica das células fotovoltaicas. Esta adição faz com que a área ativa de coletores seja menor, bem como reduz o custo da energia gerada pelos mesmos. O principal objetivo dos coletores de concentração é o de orientar a radiação solar para o recetor (onde é absorvida a radiação), através de uma abertura. Habitualmente, este tipo de sistemas possui um sistema de rastreamento solar de modo a maximizar o rendimento energético. A assimetria na radiação solar ao longo do ano em locais de altas latitudes levou ao desenvolvimento de uma geometria CPC truncada, assimétrica de baixa concentração, com um recetor plano bifacial, denominada MaReCo (Maximum Reflector Concentration). Esta geometria for desenvolvida de modo a adapta-se às altas latitudes, onde a altura solar é baixa e onde o céu se encontra maioritariamente coberto por nuvens durante o inverno. A forma geral do refletor MaReCo é constituída por dois refleto-res parabólicos em que o seu eixo ótico individual tem uma inclinação de 20° e 65° em relação ao horizonte. O Power Collector (PC) da Solarus Sunpower Sweden AB combina tecnologia fotovoltaica com um recetor solar térmico, num único módulo fotovoltaico-térmico (PVT). Este recetor tem a capacidade de gerar energia térmica e elétrica, em simultâneo. A Solarus desenvolveu um coletor híbrido de baixa concentração C-PVT (Concentrating Photovoltaic Thermal) que usa como geometrias de reflexão, o CPC (Compound Parabolic Collector) e MaReCo, aumentando seu desempenho face à tecnologia PV e T (Térmico). Estas geometrias tiram partido dos ângulos solares mais baixos nos meses de inverno, tendo contudo desvantagens nos meses de verão. O uso de refletores permite que a área de absorção seja inferior ao de um sistema PV. Um rácio de concentração inferior a 2 permite que o módulo seja usado como um coletor fixo (sem rastreamento solar), sem que haja perca substancial da luz incidente na abertura do recetor. O principal objetivo deste tipo de coletores solares é o de aumentar o rendimento do sistema, quando comparado com um sistema PV e térmico, lado a lado. Além disso, o objetivo é também o de reduzir custos, através da utilização de menor quantidade de células fotovoltaicas, e obter menores custos de instalação, já que permite um mais eficiente uso do espaço. O PC usa células fotovoltaicas em ambos os lados do recetor térmico, capturando assim a radiação solar em ambas as faces do recetor, maximizando deste modo a radiação que incide no coletor. A face posterior do recetor está orientada para o Sol (funcionando como um painel fotovoltaico padrão), enquanto a face contrária está orientada para o concentrador de baixa concentração (devido ao fator de concentração ser inferior a 10). De modo a entrar em novos mercados, especialmente de baixa latitude, a geométrica assimétrica MaReCo utilizada no coletor da Solarus necessita de ser repensada. O facto de o perfil da radiação solar nestas regiões ser constante ao longo do ano, leva a que esta geometria refletora não seja a adequada. Devido a este facto, as geometrias simétricas refletoras são as mais indicadas para estas latitudes. Esta dissertação abordará esta transição, apresentando simulações para as geometrias simétricas Pure Parabola, MaReCo e MaReCo CPC. Estudos anteriores sobre geometrias de refletores simétricos mostraram, que estes sistemas são os mais apropriados para aplicações em locais de baixa latitude. Esta dissertação permite avaliar o desempenho elétrico de diferentes geometrias refletoras, através de um programa informático de rastreamento numérico solar, Tonatiuh. As geometrias Pure Parabola (PP) e MaReCo CPC, ambas baixos concentradores solares simétricos, foram selecionadas devido ao seu desempenho. A seleção destas geometrias deveu-se à possibilidade de permitir a utilização do atual recetor bifacial desenvolvido pela Solarus num futuro protótipo. As simulações realizadas incidiram apenas na obtenção do desempenho elétrico das referidas geometrias. O desempenho térmico não foi estudado. A dependência térmica das células solares, dados meteorológicos, as perdas do sistema e a área não elétrica do recetor não são tidos em conta pelo programa informático (Tonatiuh), o que leva a um erro associado aos resultados. No estudo realizado, tanto para o Pure Parabola collector (PPc) como para a geometria simétrica MaReCo CPC, foram avaliados vários parâmetros, tais como fator de concentração, intervalo de eficiência máxima, desempenho elétrico, IAM transversal e longitudinal (Incidence Angle Modifier), influência dos elementos óticos e influência do comprimento do refletor (efeito sombra). As simulações foram realizadas para Mogadishu, Somália (Latitude 2.04°, Longitude 45.31°) tendo apresentado resultados consistentes relativamente à produção de energia do PPc, 2 186 e 1 831 kWh/m2/ano para uma distância focal de 15 (f1) e 30 (f2) mm, respetivamente. O intervalo de eficiência máxima do PPc, para baixas latitudes é de cerca de [-30°S, 30°N] e [-15°S, 15°N] para f1 e f2, respetivamente. Foi obtido um output elétrico de 1 819 kWh/m2/ano, para o coletor MaReCo CPC (fator de concentração de 1.6, uma distância focal de 30 mm e um arco-círculo de 20°). Por outro lado, esta geometria tem um intervalo de eficiência máxima entre [-40°S, 40°N]. De modo a validar que as geometrias simétricas são as mais adequadas para baixas latitudes, o coletor da Solarus PC foi também submetido a simulações (para a mesma localização das geometrias descritas anteriormente). Como esperado, o Solarus PC devido à sua geometria assimétrica obteve valores inferiores aos da geo-metria simétrica, com um valor de 1 487 kWh/m2/ano. Este valor deve-se ao facto da assimetria do refletor não permitir direcionar os raios solares para o recetor quando a posição do Sol varia entre [0°, 90°N]. A diferença de 0.66% entre as geometrias de PP e MaReCo CPC na produção anual de energia levou a que se tenha selecionado a geometria PP para a construção de um futuro protótipo, devido ao custo inferior desta geometria. Esta seleção deveu-se ainda à possibilidade de se poder utilizar o atual recetor da Solarus na construção do protótipo, reduzindo-se desta forma, o custo de produção. As características do PPc (Pure Parabola collector) são ainda apresentadas, bem como a metodologia para uma futura construção de um protótipo. Foi realizado um estudo que consistiu na análise da influência dos diferentes elementos óticos na pro-dução anual de energia do PPc, onde foi obtido um valor aproximado de 11.5%. As propriedades óticas dos diferentes elementos e do vidro são os que maior influência representam, com 7.1% e 4.1%, respe-tivamente. Foi ainda realizado um estudo com o intuito de saber a área não elétrica no recetor da Solarus. Este estudo mostrou um decréscimo na produção de anual de energia na ordem de 12.1%, permitindo que os valores inicialmente obtidos através do Tonatiuh pudessem ser atualizados. Foram obtidos valo-res de 1 922 e 1 610 kWh/m2/ano para os coletores f1 e f2, respetivamente. Para os coletores MaReCo CPC e PC foram obtidos valores de output elétrico de 1 599 e 1 307 kWh/m2/ano, respetivamente. A influência do acréscimo do refletor no desempenho elétrico foi estudada, e onde se obteve um payback financeiro de 8 e 13 anos, para as geometrias f1 e f2, respetivamente. Por último, pode-se concluir que as simulações realizadas demonstraram um vasto potencial das geo-metrias simétricas para localizações em baixas latitudes, sendo a geometria f1 a que mais se adequa à localização selecionada.Solar energy is taking a big role as the penetration and propagation in the markets continues, due to the decreasing production costs of photovoltaic (PV) solar systems. One way to reduce solar collector’s production costs is to use concentrators that increase the output of the photovoltaic cells, by adding boost reflectors, leading to a smaller required ground area, as well as the energy cost. Concentrating collectors have the ability to re-direct solar radiation that passes through an aperture into the absorber. In order to enter new markets, especially low latitude ones, new reflector geometries (symmetrical) are necessary. This dissertation will address these changes, presenting simulations for the Pure Parabola, MaReCo and MaReCo CPC geometries (all symmetrical reflector geometries). The current study evaluates electrical performance of symmetric C-PVT solar collectors through a numerical ray tracing model software, Tonatiuh. The Pure Parabola (PP) and MaReCo CPC geometries, both symmetric low concentrators PVT solar collector geometries have been selected as an earlier study showed that they outperformed the Solarus Power Collector (PC), for low latitude applications. The performed simulations were developed in order to get the electrical output for the described geometries, the thermal properties and output were not taken into account. Parameters such as concentration factor, maximum efficiency working range, electrical performance, transversal and longitudinal IAM (Incidence Angle Modifier), influence of optical elements and influence of the length of the reflector in the shadow effect have been studied for different geometries. The simulations were performed for Mogadishu, Somalia (Latitude 2.04°, Longitude 45.31°) and showed solid results for the Pure Parabola collector (PPc) annual received energy, 379 kWh/m2/year and 317 kWh/m2/year for a focal length of 15 (f1) e 30 (f2) mm, respectively. A value of 315 kWh/m2/year was obtained, for an additional MaReCo CPC geometry. The asymmetric Solarus PC col-lector has been simulated as well, and as expected, underperformed the symmetric geometries where a value of 258 kWh/m2/year has been obtained. The addition of the optical elements will decrease the annual received energy of the PPc by around 11.5%, where the optical properties and glass have the biggest impact in the annual received energy. Overall, symmetric geometries showed potential for low latitudes applications, being the geometry f1 more suitable for this specific ones