Search

At the same time that the growth of solar photovoltaic energy reaches hundreds of gigawatts installed around the world, the reliability of the modules can be a key factor to maintain the viability of the technology. This work describes the state of two photovoltaic installations located at LABSOL (Laboratory of Solar Energy at UFRGS). The first installation has been in operation for fifteen years and the most recent for three years. To carry out this evaluation some techniques are applied such as the records of visual inspections, electroluminescence images, thermographic analyzes and mostly results of the electrical characterization of the behavior of the I-V curve, thus revealing the degradation of the modules. Despite the damage revealed in this work, it can be said that the systems continue to operate within expectations. The rate of power degradation for the oldest system was 0.7% per year in the three-year installation, a minimal visual effect of the action of the environment was observed, resulting in a rate of degradation of 0.85% per year. Ao mesmo tempo em que o crescimento da energia solar fotovoltaica atinge centenas de gigawatts instalados ao redor do mundo, a durabilidade dos módulos pode ser fator chave para manter a viabilidade da tecnologia. Este trabalho descreve o estado de duas instalações fotovoltaicas situadas no LABSOL (Laboratório de Energia Solar da UFRGS). A primeira instalação funciona há quinze anos e a mais recente, há três. Para realizar esta avaliação aplicam-se algumas técnicas, destacando-se os registros de inspeções visuais, de imagens de eletroluminescência, de análises termográficas e principalmente resultados da caracterização elétrica do comportamento da curva I?V, revelando então a degradação dos materiais que compõe os módulos. A pesar dos danos revelados neste trabalho, se pode afirmar que os sistemas continuam operando dentro das expectativas. A taxa de degradação da potência para o sistema mais antigo foi de 0,7% ao ano. Na instalação de três anos, observou-se mínimo efeito visual da ação do ambiente, resultando taxa de degradação de 0,85% ao ano.

This article presents the methodology that was used to produce photovoltaic potential maps in the State of Rio Grande do Sul, Brazil, and the results achieved. Data from 33 automatic weather stations installed in the RGS were compiled, including a series of hourly data recorded over more than 15 years. With procedures well known in the literature, the solar irradiation data were separated into the direct and diffuse components to calculate solar irradiation on tilted surfaces at different orientations. The impact of glass reflection on the top cover of conversion equipment was also calculated for different orientation angles. Using the methodology presented in this work, the photovoltaic potential was calculated as an annual average and a seasonal average. For the interpolation between the stations, the Weather Research and Forecasting Model (WRF) was used, adapted by the company UL Truepower for the climatology of southern Brazil. This work was part of the elaboration of the Solar Atlas of Rio Grande do Sul, published in late 2018. Este trabalho apresenta a metodologia que foi usada para produzir mapas de produtividade fotovoltaica no Estado do Rio Grande do Sul, Brasil, e os resultados alcançados. A partir de dados de 33 estações meteorológicas automáticas instaladas no RGS foram compiladas séries de dados horários registrados ao longo de mais de 15 anos. Com procedimentos bem conhecidos na literatura, os dados foram separados nas componentes direta e difusa para o cálculo da irradiação solar sobre superfícies inclinadas em diferentes orientações. Também foi calculado o impacto da reflexão do vidro da cobertura de equipamentos de conversão, para os diferentes ângulos de incidência. Pela metodologia apresentada neste trabalho, foi calculada a produtividade fotovoltaica em média anual e em média sazonal. Para a interpolação entre as estações foi utilizado o modelo meteorológico Weather Research and Forecasting Model (WRF) adaptado pela empresa UL Truepower para a climatologia do sul do Brasil. Este trabalho fez parte da elaboração do Atlas Solar do Rio Grande do Sul, publicado no final de 2018.

Photovoltaic modules long-term reliability is a key requirement to keep this technology a commercially interesting option for energy production. The investment return on PV generation system depends, among other factors, on the peculiarities of the system on efficiency reduction caused by environmental action. Technical standards suggest laboratory tests for the qualification and a better understanding on module degradation behavior. Nevertheless, some degradation modes can only be observed after years of field operation. This paper presents the main signs of degradation on crystalline silicon photovoltaic modules caused by outdoor exposure after a period of 15 years in an installation in the city of Porto Alegre, the southernmost state capital city in Brazil. The electric analysis demonstrated that the modules kept 90.5% of their initial power, with an average of degradation rate of 0.7% per year. Some techniques helped the evaluation of defects caused by exposure of the arrays for long periods of operation, such as electroluminescence imaging and I-V curve testing. The most frequent defects found were browning (encapsulant darkening) and cell encapsulant delamination, leading to the anti-reflective layer deterioration. The junction box of one of the modules was detached, allowing the entrance of moisture and resulting in the disconnection of some of the module cells. The electroluminescence technique also provided a better understanding on modes of degradation. Despite the observed evidences of degradation along these 15 years, it can be said that the system remains within the expected operation limits.

A energia solar fotovoltaica é a forma de produção de eletricidade que mais cresce no mundo. A potência instalada mundial, até o ano de 2010, era de cerca de 40 GWP e a previsão é de que, somente em 2011, este cifra seja aumentada em mais 24 GWP. O inversor é o elemento central dos sistemas fotovoltaicos. Além de executar a conversão da energia elétrica em corrente contínua para corrente alternada, ele também é responsável pelo gerenciamento da energia entregue à rede e pelo seguimento do ponto de máxima potência. O seguimento do ponto de máxima potência (MPPT) é um processo de controle no qual o inversor procura manter o gerador fotovoltaico operando em uma região da sua curva característica na qual o produto corrente × tensão tenha o seu valor máximo, de forma a otimizar a extração de potência do gerador fotovoltaico. A eficiência de MPPT é um número que indica o grau de precisão, tanto em termos de rapidez como de magnitude, com que o seguidor do ponto de máxima potência atinge o seu objetivo. Assim podem ser definidas duas eficiências de MPPT: a eficiência estática, associada a situações em que a irradiância solar permanece constante durante o intervalo considerado, e a eficiência dinâmica de MPPT, que considera os momentos de variação na intensidade da irradiância, resultantes, por exemplo, da passagem de nuvens. As eficiências de MPPT (especialmente a dinâmica) são de difícil determinação, porém a tarefa fica muito facilitada com a utilização de um simulador de arranjos fotovoltaicos. A norma européia EN 50530:2010 Overall Efficiency of Photovoltaic Inverters propôs uma metodologia para a determinação da eficiência dinâmica de MPPT utilizando perfis variáveis de irradiância a serem programados no simulador de arranjos fotovoltaicos. O objetivo central da tese é fazer uma análise experimental da eficiência dinâmica do seguimento de máxima potência de inversores conectados à rede através da comparação dos resultados de eficiência obtidos seguindo a metodologia definida na norma citada com resultados obtidos a partir de medições em tempo real ao longo de um dia, verificando a adequação da norma às situações de campo. Para a obtenção dos dados de entrada do simulador foram medidas, por diversos dias, a irradiância e temperatura de uma célula de referência. Os inversores foram conectados à saída do simulador de arranjos fotovoltaicos e foram reproduzidas as condições de irradiância e temperatura de três dias selecionados em função do grau de nebulosidade, com comportamento dinâmico semelhante aos perfis de irradiância da norma. Os resultados foram, na maioria dos casos, discordantes. Uma análise dos resultados parciais de eficiência dinâmica indicou como causa desta discrepância a dependência que a eficiência dinâmica de MPPT tem com a taxa de variação da irradiância. Conclui-se que, embora as seqüências de irradiância propostas pela norma constituam uma eficiente ferramenta para o diagnóstico de eventuais deficiências no comportamento do seguidor de máxima potência de inversores, a média dos valores de eficiência de MPPT calculados a partir delas não pode, em princípio, ser considerada como representativa de valores diários. Photovoltaic solar energy is the fastest growing electricity source in the world. The worldwide capacity until 2010 was about 40 GWP and, by the end of 2011, this figure will be increased by another 24 GWP. The inverter is the pivotal element of PV systems. In addition to performing the conversion of electrical energy from direct current to alternating current, the inverter is also responsible for the management of the energy delivered to the grid and for performing the maximum power point tracking. The maximum power point tracking (MPPT) is a control process by which the inverter tries to keep the PV generator operating in a region of its characteristic curve where the product current × voltage reaches its maximum value. The MPPT efficiency is a figure that indicates the degree of precision, both in terms of speed and magnitude, that the MPPT reaches its goal. Thus, two MPPT efficiencies can be defined: the static efficiency, associated to situations in which the solar irradiance does not vary during the considered interval, and also the dynamic MPPT efficiency, which considers the variation of the irradiance intensity as a result, for example, of the passage of clouds. MPPT efficiencies (especially the dynamic) are hard to determine, but the task becomes much easier with the use of a photovoltaic array simulator. The European standard EN 50530:2010 Overall Efficiency of Photovoltaic Inverters proposes a methodology for determining the dynamic efficiency of MPPT using variable irradiance profiles to be programmed into the photovoltaic array simulator. The main objective of this thesis is to make an experimental analysis of the dynamic MPPT efficiency of grid connected inverters by comparing the efficiency results obtained by following the methodology defined in the referred standard with results obtained from real time measurements in the course of a day, checking the adequacy of the standard when applied to field situations. In order to obtain the input data for the simulator, the irradiance and temperature of a reference cell were measured for several days. The inverters were connected to the output of the array simulator, which reproduced the conditions of irradiance and temperature for three days selected according to the degree of cloudiness, having a dynamic behavior similar to the standard irradiance profiles. The results, in most cases, disagree. An analysis of partial results of dynamic efficiency indicated the dependence of the dynamic MPPT efficiency to the rate of irradiance change as the cause of this discrepancy. As a conclusion, it can be stated that, although the sequences of irradiance proposed by the standard are an efficient tool for the diagnosis of deficiencies in the behavior of the MPP tracker, the average efficiency of MPPT calculated from the sequences cannot, in principle, to be considered as representative of the daily values of dynamic MPPT efficiency.

Com a progressiva disseminação de sistemas fotovoltaicos nos últimos anos tornouse cada vez mais importante a correta caracterização dos módulos fotovoltaicos. A partir da análise da curva corrente versus tensão são obtidas as principais características elétricas de um módulo fotovoltaico, especialmente a potência máxima que o módulo é capaz de fornecer a uma determinada carga. Nesta dissertação é descrito o desenvolvimento de um sistema de ensaios e apresentada uma metodologia para a determinação de curvas características 1-V de módulos fotovoltaicos sob iluminação natural. Sempre observando as normas nacionais e internacionais que regulam ensaios de dispositivos fotovoltaicos, foram estudadas as grandezas necessárias para o levantamento das curvas e qual a instrumentação mais adequada em função das disponibilidades do Laboratório de Energia Solar da UFRGS. o sistema de medidas foi montado e posto em operação. Para o funcionamento automatizado deste sistema foi desenvolvido e implantado um software específico de aquisição de dados e controle. Com o sistema desenvolvido foi levantada a curva I-V de um módulo padrão, previamente calibrado no Instituto de Energías Renovables do Centro de Investigaciones Energéticas y Medioambientales de Madrid, Espanha, e comparados os resultados, os quais mostraram ótima concordância. Através de uma análise das incertezasassociadas ao experimento é demonstradaa adequaçãodo métodoe do instrumentalutilizado.