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Development of a multiple orientation solar radiation sensor
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The future implementation of urban photovoltaic power production is dependent on the furthering of the knowledge about spatiotemporal distribution of the solar resource. Current pyranometer technologies while accurate, still pose an obstacle to the development of city-wide mesh sensing grids due to their high cost and maintenance. Developing a low-cost radiation sensor is thus essential to the deployment of such mesh sending grids and consequently to the development and enhancement of information dependent energy systems like power grids and smart grids in the future. The rise of the internet of things provides the correct tools to tackle this issue. Using consumer level technology associated with prototyping tools we developed a wireless, self-powering, low-cost solar irradiance that estimates all three main components of solar light was developed. Global irradiation is collected and used to calculate direct and diffuse irradiance with an artificial neural network algorithm. The result is a low-cost sensor with no moving parts and substantially lower maintenance needs that effectively measures all three components of solar irradiance which are typically measured with devices far more expensive and elaborated.
O mercado energético está a mudar, e com o declínio dos combustíveis fósseis é a penetração cada vez maior das energias renováveis, que dita as tendências para o futuro. Estes novos tipos de recursos energéticos são, por natureza dispersos e variáveis com o tempo (Com grande ênfase na energia eólica e na energia solar fotovoltaica). Do ponto de vista do operador da rede surgem novos desafios tecnológicos todos os dias. Do ponto de vista do operador da rede surgem novos desafios tecnológicos todos os dias. Estes desafios prendem-se com uma maior instabilidade da rede devido a diversos fatores tecnológicos, sociais e económicos e deles resultam novos tipos de necessidade por parte dos consumidores e dos comercializadores e produtores de energia. O abraçar dos recursos renováveis distribuídos como por exemplo a energia solar e eólica doméstica influencia diretamente o comportamento da rede elétrica. Com a proliferação da geração de energia fotovoltaica e eólica em meio urbano, os consumidores tornam-se produtores, surgem plataformas de agregação de produção e consumo e centrais virtuais de produção de energia. Com a proliferação da geração de energia fotovoltaica e eólica em meio urbano, os consumidores tornam-se produtores, surgem plataformas de agregação de produção e consumo e centrais virtuais de produção de energia. O surgimento destes modelos de consumo implica que a gestão da rede elétrica seja cada vez mais dependente da análise e previsão detalhadas (no tempo e no espaço) da variação do recurso solar e eólico disponível. Este trabalho situa-se no âmbito da analiso do recurso solar fotovoltaico. A monitorização das condições meteorológicas é chave para a resolução deste problema, uma vez que por natureza, o recurso solar disponível pode ser encarado como uma variável meteorológica. Os presentes modelos meteorológicos baseiam-se em informação com uma amostragem de baixa densidade. Os presentes modelos meteorológicos baseiam-se em informação com uma amostragem de baixa densidade. Isto significa que, do ponto de vista do produtor de rede, certos eventos, como a passagem de nuvens e sombreamentos por prédios altos são fatores desconsiderados destas análises. Em alternativa a este problema, surgem as soluções de mesh sensing, que tiram proveito de uma maior densidade de sensores para proporcionarem uma maior qualidade da informação dos modelos de previsão. Contudo, as tecnologias convencionais embora muito precisas, ainda são de custo de aquisição e manutenção demasiado elevados para que possam ser instaladas estações distribuídas em espaços urbanos. Este facto é ainda um obstáculo para o desenvolvimento de redes de mesh sensing a escala urbana que necessitam de pontos de medição com a maior densidade espacial possível. O desenvolvimento de sensores de radiação mais baratos é essencial à implementação de tais redes e consequentemente ao desenvolvimento e aperfeiçoamento de sistemas de energia dependentes de informação, tais como as redes elétricas convencionais e as smart grids do futuro não muito longínquo. A proliferação dos sistemas de informação e dos smartphones, gerou sistemas consumidores e geradores de uma elevada quantidade de informação. O aparecimento da internet das coisas traz-nos então as ferramentas necessárias para enfrentar este problema. Utilizando tecnologia de nível de consumidor associada com ferramentas de desenvolvimento de hardware e prototipagem, desenvolvemos um sensor de irradiância solar wireless autossuficiente e de baixo custo com base em eletrônica open-source que mede a irradiância global e estima as suas componentes direta e difusa. Estas três componentes principais da luz solar são importantes para a compreensão e posterior modelação do recurso solar num certo local e consequentemente para a compreensão, modelação e previsão da produção solar fotovoltaica expectável nesse mesmo ponto. A medição de informação dispersa no espaço permite-nos fazer estimativas aproximadas com resoluções muito elevadas sobreo recurso solar num certo ponto e antecipar a passagem de nuvens e a ocorrência de sombreamentos nesses mesmos pontos. Para a estimativa das várias componentes da radiação solar, foram utilizados dados do NREL (National Renewable Energies Laboratory), no Colorado (Estados Unidos da América). Os dados usados são relativos à posição do sol, á irradiância global, direta e difusa e às irradiâncias globais medidas por cinco piranómetros verticais virados para os pontos cardeais. Estes dados foram então usados para treinar uma rede neuronal de modo a que esta calculasse as diferentes componentes da radiação solar tendo apenas a informação da irradiância global de cada piranómetro e a posição do sol como input. Estes dados foram então usados para treinar uma rede neuronal de modo a que esta calculasse as diferentes componentes da radiação solar tendo apenas a informação da irradiância global de cada piranómetro e a posição do sol como input. O output da rede neuronal foi então testado e validado com os dados de irradiância difusa e direta do local. O produto é um modelo que estima com elevada precisão a irradiância direta e difusa a partir da direta. O protótipo inicial é uma caixa de PVC de forma cúbica devidamente isolada e protegida contra os elementos. Em cada uma das faces do cubo foi instalado um painel solar fotovoltaico que serve de instrumento de medição do recurso solar e de unidade de produção de energia. Em cada uma das faces do cubo foi instalado um painel solar fotovoltaico que serve de instrumento de medição do recurso solar e de unidade de produção de energia. A medição do recurso solar tem por base a medição da corrente de curto circuito dos painéis solares e a utilização desta medida para a estimativa da irradiância global incidente em cada uma das seis faces do cubo. É importante salientar que apesar de o protótipo conseguir medir adequadamente todas as variáveis necessárias, ainda são necessários melhoramentos nos aspetos do isolamento contra os elementos e no circuito de alimentação, uma vez que, devido ao seu consumo elevado, o sistema ainda não é autossustentável e tem que operar ligado à rede. Os dados obtidos pelo protótipo foram comparados com os dados do piranómetro medidos pela estação meteorológica da FCUL. Após essa comparação, é possível constatar que existe uma elevada correlação entre os dados da estação meteorológica e os dados da corrente de curto circuito do painel solar, o que nos permite substituir o piranómetro pelo painel solar, criando um sensor mais barato e com uma sensibilidade semelhante que representa uma alternativa mais barata face às técnicas convencionais de medição. Concluiu-se que os dados do protótipo têm uma forte correlação com os dados da estação meteorológica. Assumindo que o dado de cada uma das faces do sensor equivale a um piranómetro convencional, a irradiância global de cada uma das faces é medida e usada para calcular a irradiância difusa e direta através do uso de um algoritmo de redes neuronais treinado com dados do NREL. O resultado é um sensor de baixo custo sem partes móveis e sem custos ou necessidades de manutenção, resultando numa opção de custo substancialmente mais baixo que mede com precisão as três componentes da irradiância solar que são normalmente medidas com equipamentos muito mais caros e complexos. Futuramente, várias versões do produto podem ser desenhadas de modo a que haja uma maior sensibilidade, precisão e relevância nos dados obtidos para algumas aplicações. Como exemplo concreto toma-se o número de painéis solares que pode e deve ser redimensionado, uma vez que os dados de três das seis faces não demonstram ser relevantes no estudo do recurso solar.
O mercado energético está a mudar, e com o declínio dos combustíveis fósseis é a penetração cada vez maior das energias renováveis, que dita as tendências para o futuro. Estes novos tipos de recursos energéticos são, por natureza dispersos e variáveis com o tempo (Com grande ênfase na energia eólica e na energia solar fotovoltaica). Do ponto de vista do operador da rede surgem novos desafios tecnológicos todos os dias. Do ponto de vista do operador da rede surgem novos desafios tecnológicos todos os dias. Estes desafios prendem-se com uma maior instabilidade da rede devido a diversos fatores tecnológicos, sociais e económicos e deles resultam novos tipos de necessidade por parte dos consumidores e dos comercializadores e produtores de energia. O abraçar dos recursos renováveis distribuídos como por exemplo a energia solar e eólica doméstica influencia diretamente o comportamento da rede elétrica. Com a proliferação da geração de energia fotovoltaica e eólica em meio urbano, os consumidores tornam-se produtores, surgem plataformas de agregação de produção e consumo e centrais virtuais de produção de energia. Com a proliferação da geração de energia fotovoltaica e eólica em meio urbano, os consumidores tornam-se produtores, surgem plataformas de agregação de produção e consumo e centrais virtuais de produção de energia. O surgimento destes modelos de consumo implica que a gestão da rede elétrica seja cada vez mais dependente da análise e previsão detalhadas (no tempo e no espaço) da variação do recurso solar e eólico disponível. Este trabalho situa-se no âmbito da analiso do recurso solar fotovoltaico. A monitorização das condições meteorológicas é chave para a resolução deste problema, uma vez que por natureza, o recurso solar disponível pode ser encarado como uma variável meteorológica. Os presentes modelos meteorológicos baseiam-se em informação com uma amostragem de baixa densidade. Os presentes modelos meteorológicos baseiam-se em informação com uma amostragem de baixa densidade. Isto significa que, do ponto de vista do produtor de rede, certos eventos, como a passagem de nuvens e sombreamentos por prédios altos são fatores desconsiderados destas análises. Em alternativa a este problema, surgem as soluções de mesh sensing, que tiram proveito de uma maior densidade de sensores para proporcionarem uma maior qualidade da informação dos modelos de previsão. Contudo, as tecnologias convencionais embora muito precisas, ainda são de custo de aquisição e manutenção demasiado elevados para que possam ser instaladas estações distribuídas em espaços urbanos. Este facto é ainda um obstáculo para o desenvolvimento de redes de mesh sensing a escala urbana que necessitam de pontos de medição com a maior densidade espacial possível. O desenvolvimento de sensores de radiação mais baratos é essencial à implementação de tais redes e consequentemente ao desenvolvimento e aperfeiçoamento de sistemas de energia dependentes de informação, tais como as redes elétricas convencionais e as smart grids do futuro não muito longínquo. A proliferação dos sistemas de informação e dos smartphones, gerou sistemas consumidores e geradores de uma elevada quantidade de informação. O aparecimento da internet das coisas traz-nos então as ferramentas necessárias para enfrentar este problema. Utilizando tecnologia de nível de consumidor associada com ferramentas de desenvolvimento de hardware e prototipagem, desenvolvemos um sensor de irradiância solar wireless autossuficiente e de baixo custo com base em eletrônica open-source que mede a irradiância global e estima as suas componentes direta e difusa. Estas três componentes principais da luz solar são importantes para a compreensão e posterior modelação do recurso solar num certo local e consequentemente para a compreensão, modelação e previsão da produção solar fotovoltaica expectável nesse mesmo ponto. A medição de informação dispersa no espaço permite-nos fazer estimativas aproximadas com resoluções muito elevadas sobreo recurso solar num certo ponto e antecipar a passagem de nuvens e a ocorrência de sombreamentos nesses mesmos pontos. Para a estimativa das várias componentes da radiação solar, foram utilizados dados do NREL (National Renewable Energies Laboratory), no Colorado (Estados Unidos da América). Os dados usados são relativos à posição do sol, á irradiância global, direta e difusa e às irradiâncias globais medidas por cinco piranómetros verticais virados para os pontos cardeais. Estes dados foram então usados para treinar uma rede neuronal de modo a que esta calculasse as diferentes componentes da radiação solar tendo apenas a informação da irradiância global de cada piranómetro e a posição do sol como input. Estes dados foram então usados para treinar uma rede neuronal de modo a que esta calculasse as diferentes componentes da radiação solar tendo apenas a informação da irradiância global de cada piranómetro e a posição do sol como input. O output da rede neuronal foi então testado e validado com os dados de irradiância difusa e direta do local. O produto é um modelo que estima com elevada precisão a irradiância direta e difusa a partir da direta. O protótipo inicial é uma caixa de PVC de forma cúbica devidamente isolada e protegida contra os elementos. Em cada uma das faces do cubo foi instalado um painel solar fotovoltaico que serve de instrumento de medição do recurso solar e de unidade de produção de energia. Em cada uma das faces do cubo foi instalado um painel solar fotovoltaico que serve de instrumento de medição do recurso solar e de unidade de produção de energia. A medição do recurso solar tem por base a medição da corrente de curto circuito dos painéis solares e a utilização desta medida para a estimativa da irradiância global incidente em cada uma das seis faces do cubo. É importante salientar que apesar de o protótipo conseguir medir adequadamente todas as variáveis necessárias, ainda são necessários melhoramentos nos aspetos do isolamento contra os elementos e no circuito de alimentação, uma vez que, devido ao seu consumo elevado, o sistema ainda não é autossustentável e tem que operar ligado à rede. Os dados obtidos pelo protótipo foram comparados com os dados do piranómetro medidos pela estação meteorológica da FCUL. Após essa comparação, é possível constatar que existe uma elevada correlação entre os dados da estação meteorológica e os dados da corrente de curto circuito do painel solar, o que nos permite substituir o piranómetro pelo painel solar, criando um sensor mais barato e com uma sensibilidade semelhante que representa uma alternativa mais barata face às técnicas convencionais de medição. Concluiu-se que os dados do protótipo têm uma forte correlação com os dados da estação meteorológica. Assumindo que o dado de cada uma das faces do sensor equivale a um piranómetro convencional, a irradiância global de cada uma das faces é medida e usada para calcular a irradiância difusa e direta através do uso de um algoritmo de redes neuronais treinado com dados do NREL. O resultado é um sensor de baixo custo sem partes móveis e sem custos ou necessidades de manutenção, resultando numa opção de custo substancialmente mais baixo que mede com precisão as três componentes da irradiância solar que são normalmente medidas com equipamentos muito mais caros e complexos. Futuramente, várias versões do produto podem ser desenhadas de modo a que haja uma maior sensibilidade, precisão e relevância nos dados obtidos para algumas aplicações. Como exemplo concreto toma-se o número de painéis solares que pode e deve ser redimensionado, uma vez que os dados de três das seis faces não demonstram ser relevantes no estudo do recurso solar.
Descrição
Tese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2018
Palavras-chave
Fotovoltaico Previsão Sensor Piranómetro Irradiância Direta Normal Irradiância hemisférica difusa Irradiância Global Teses de mestrado - 2018