Tesis:
Contribution to the modelling and advanced simulation of photovoltaic applications
- Autor: RAMÍREZ LEDESMA, Francisco Javier
- Título: Contribution to the modelling and advanced simulation of photovoltaic applications
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S.I. Y SISTEMAS DE TELECOMUNICACIÓN
- Departamentos: ELECTRONICA FISICA, INGENIERIA ELECTRICA Y FISICA APLICADA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/81190/
- Director/a 1º: LORENZO PIGUEIRAS, Eduardo
- Director/a 2º: HOGAN TEVES DE ALMEIDA, Rita
- Resumen: Firstly, this thesis addresses open issues in the application of bifacial photovoltaic (PV) modules by investigating the modelling of the energy performance of large-scale bifacial plants, the contribution of backside irradiance and its correlation with on-site measurement campaigns. A simplified two-dimensional (2D) view-factor model for bifacial PV systems is presented. This model also accounts for non-uniform back irradiance. The influence of varying structure height is found to be less significant than row-to-row spacing. The calculated bifacial gain is lower than the state of the art at the time of publication. Experimental observations over 10 months in a 6.6 kWp PV system validate the predictive accuracy of the model and establish average back-irradiance at some points as a suitable predictor for DC power estimation. It also corrects the state of the art on the early existence of bifacial modules and their modelling by presenting a pioneering chapter on the industrialisation of bifacial PV modules in Spain (1984-1989) and the first application of the view factor to the modelling of bifacial PV modules.
Secondly, this work provides an answer to the emerging question of how the productivity expectation of large monofacial and bifacial PV systems, both with fixed structure and with single-axis tracking, varies when they are not located on horizontal terrain, but on terrain with arbitrary orientation and slope, the so-called complex orography. For this purpose, an evolution of the 2D view-factor model is proposed and described, which allows to dispense with the previous horizontality constraint. Equations are also provided for extending the tracking (and backtracking) angles of existing single-axis tracking controllers, which were previously restricted to horizontal terrain. A real case study of a 90 MWp PV plant on uneven terrain is analysed, taking into account the terrain orography and the relative frequency distribution of the STC power on different facets. The results show that, depending on the azimuth and slope values of the terrain and the orientation of the axis, the energy yield can be higher or lower than that associated with a horizontal terrain. The weighted average performance of the whole PV system, taking into account the relative frequency of the facets, shows a performance potential comparable to that of a horizontal terrain on the favourable facets.
Finally, in the emerging market of high-powered PV irrigation systems (PVIS), simulation tools are also crucial for estimating energy and water productivity. A solution was available for modelling a PVIS consisting of a single pump powered by a PV generator, allowing to match the energy required by the pump at any moment with the energy available from the generator. However, most real high-power PVISs consist of several pumps in parallel. This work allows the modelling of these multi-pump PVIS systems that share a PV generator and a hydraulic system. The current objective of the model is to maximise the instantaneous water flow rate as a function of the available PV power. The ability to model multi-pump systems made it possible to detect errors in the PV sector when estimating multi-pump systems from the result of a single pump in the system. The model demonstrates the ability to compare different multi-pump designs. For example, two groups of pumps operating at variable frequency are shown to perform better than one group operating at variable frequency and one at nominal frequency, resulting in an 8% increase in water pumped.
All those contributions have been implemented in the SISIFO simulation tool, which has been developed by the Instituto de Energía Solar in several European projects since 2005. The tool has also been improved by implementing a new microservices architecture and a new web interface.
RESUMEN
En primer lugar, esta tesis aborda cuestiones de las grandes plantas fotovoltaicas (FV) bifaciales. Investiga su rendimiento energético, la contribución de la irradiancia trasera y su correlación con las campañas de medición in situ. Para ello, se desarrolla y presenta un modelo bidimensional (2D) basado en factores de visión aplicable a sistemas FV bifaciales. Este modelo permite considerar la no uniformidad de la irradiancia trasera. Como resultado, la influencia de la variación de la altura de la estructura es menos significativa que la del espaciado entre filas. La ganancia bifacial que se obtiene es inferior a la publicada en el estado del arte. Las observaciones experimentales realizadas en un sistema FV de 6,6 kWp validan la precisión predictiva del modelo, y permiten establecer que la irradiancia trasera, obtenida como media aritmética en algunos puntos, se corresponde adecuadamente con la potencia generada. Además, se presenta un capítulo pionero sobre la industrialización de los módulos FV bifaciales en España (1984-1989) y el primer caso de aplicación de factores de visión a la modelización de módulos FV bifaciales, corrigiendo el estado del arte acerca de ambos aspectos.
En segundo lugar, este trabajo responde a la pregunta de cómo varía la expectativa de productividad de grandes plantas FV con seguimiento a un eje, cuando se ubican en terrenos con orientación y pendiente arbitrarias (orografía compleja) en lugar de horizontales. Para ello, se propone y describe una evolución del modelo matemático 2D basado en factores de visión, que permite prescindir de la anterior restricción de horizontalidad en plantas FV mono y bifaciales. Se proporcionan nuevas ecuaciones para calcular los ángulos de seguimiento que permiten adaptar los controladores de seguimiento de un eje que usaran las ecuaciones restringidas al caso horizontal. Se analiza un caso real de una planta FV de 90 MWp en una orografía compleja, conocida la distribución de frecuencias relativas de la potencia STC en cada orientación del terreno. Los resultados muestran que, en función de los valores de acimut y pendiente del terreno y de la orientación del eje del seguidor, el rendimiento energético podría ser superior o inferior al asociado a un terreno horizontal, no siempre inferior.
Por último, en el mercado emergente de los sistemas de riego FV (SRFV) de alta potencia, las herramientas de simulación también son cruciales para estimar la productividad energética e hídrica. Era posible modelar un SRFV constituido por una única bomba (monobomba) alimentada por un generador FV. Para ello, se calcula el punto de trabajo adecuado de la bomba centrífuga para que la energía demandada del generador FV nunca supere la energía que este puede proporcionar. Sin embargo, la mayoría de los SRFV reales de alta potencia constan de varias bombas en paralelo (multibomba). Esta tesis permite modelar estos SRFV multibomba que comparten un mismo generador FV y un sistema hidráulico. El modelo obtiene el punto de operación de cada bomba para maximizar el caudal instantáneo de agua en función de la potencia FV disponible. Se ha detectado un error frecuente en el sector FV al extrapolar la productividad de SRFV multibomba a partir de la productividad de un SRFV monobomba. El modelo permite, además, comparar distintos diseños y combinaciones de bombas. Como ejemplo, se muestra en un caso representativo donde dos grupos de bombas, ambos funcionando a frecuencia variable, presentan un mejor rendimiento que un grupo que funcione a frecuencia nominal y otro a frecuencia variable (un aumento del 8% del agua bombeada).
Estas contribuciones se han implementado en la herramienta de simulación SISIFO, desarrollada por el Instituto de Energía Solar a lo largo de varios proyectos europeos desde 2005. Además, se ha mejorado la herramienta implementando una nueva arquitectura de microservicios y una nueva interfaz web que permita su acceso abierto.