Development of Photovoltaic System Simulator: PV Remote Lab

Abstract

[EN] Currently, a sustainable energy transition is underway to reduce CO2 emissions. To meet the targets outlined in international agreements like the Kyoto Protocol, a rapid expansion of renewable energy sources, particularly photovoltaic (PV) systems, is underway. Due to photovoltaic technology's rapid development and integration, reliable testing and evaluation methods are essential. This master's thesis is dedicated to developing a PV system simulator to study the PV systems. PV simulators serve as precious tools due to their capacity to control and replicate the environmental conditions experienced by PV panels. Consequently, these simulators facilitate thorough research, design refinement, and PV system performance assessment. The developed PV system simulator is essentially a PV remote lab, offering the capability to monitor, gather data, and evaluate the performance of the PV system remotely. The proposed system's flexibility and scalability enable its application to study various types of PV installation. The PV remote lab is expected to be a training centre for students and industry professionals. A comprehensive literature review on photovoltaic technology has been undertaken. Following the literature review, the different components that form a PV system have been defined and selected. The system will have a communication block to achieve a flexible and scalable PV remote lab. In this way, different configurations of the PV panels and different system outputs can be implemented. This commutation block can be remotely controlled using an Arduino, and an interface can be designed where the desired PV panel configurations and system outputs can be selected. In this interface, visualising the tests' results will also be possible.

[ES] En primer lugar, se presenta una revisión histórica para describir la situación durante los últimos años, la situación actual y las previsiones de futuro de la tecnología fotovoltaica con el fin de contextualizar la importancia de la energía fotovoltaica en la sociedad durante el siglo XXI. A continuación, la revisión bibliográfica sobre la energía fotovoltaica es el primer paso para presentar la tecnología. Como el proyecto se centra en la energía fotovoltaica, se da una explicación detallada de las células fotovoltaicas, describiendo el principio de funcionamiento y los elementos que forman la célula fotovoltaica, así como los parámetros más importantes que definen las características de una célula fotovoltaica. Además de estos temas, se definen otros elementos presentes en la célula fotovoltaica como las uniones y los diodos. Además, se introducen las consecuencias eléctricas relacionadas con la configuración de las células fotovoltaicas. Se definen los posibles modelos asociados a una célula fotovoltaica de base cristalina para comprender el comportamiento de la célula en todos sus puntos de funcionamiento en diferentes condiciones ambientales. Junto a la explicación de las células fotovoltaicas, se describen los diferentes elementos de un sistema fotovoltaico. Se explican los paneles fotovoltaicos, los controladores, los inversores, el sistema de cableado, los elementos de protección y los diferentes equipos de medida, como los de energía, irradiación y temperatura, para identificar las diferentes finalidades de los elementos y la relevancia que tienen en un sistema fotovoltaico. Además, se definen diferentes tecnologías y diseños para mostrar las alternativas disponibles que hay en el mercado. Una vez presentada la introducción, se definen tres líneas de trabajo para presentar los pasos posteriores. El benchmarking de métodos, el simulador de sistemas FV y el diseño de interfaces son las tres líneas de actuación que se deben seguir y desarrollar para llevar a cabo el trabajo propuesto. En cuanto a la evaluación comparativa de métodos, se presentan diferentes métodos de caracterización, Curva I-V y P-V, Curva I-V oscura y Electroluminiscencia, para analizar el comportamiento del panel fotovoltaico. En Curva I-V & P-V, se explican varios métodos para compararlos y seleccionar el más apropiado para el trabajo real. Una vez definidos los métodos de caracterización, se presentan los defectos más comunes del panel FV con una breve explicación de las causas y su influencia en el comportamiento del panel FV. Además, se definen los posibles métodos para detectar los defectos. Con toda esta información analizada; se proponen los diferentes escenarios experimentales que se van a estudiar considerando cuales son los más adecuados para complementar los conocimientos de los estudiantes/trabajadores de la empresa. Al mismo tiempo, se debe llevar a cabo el diseño del simulador del sistema fotovoltaico. El primer paso se basa en definir cuáles son los requisitos del sistema teniendo en cuenta la selección de los elementos adecuados que deben instalarse y la configuración de los mismos en el laboratorio. Una vez clarificados los requisitos del proyecto, se debe implementar el diseño y validarlo con las pruebas experimentales propuestas verificando que los resultados obtenidos son los esperados. Por otro lado, el desarrollo de la interfaz es crucial para poder visualizar los datos del sistema fotovoltaico y poder monitorizar el sistema de forma remota. Durante el proceso, en función de los métodos y defectos estudiados, se mejorará la interfaz para tener una visualización completa de los datos de los diferentes casos de estudio.