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Type: Tese
Title: Metodologia para identificação de condições não ideais de operação de plantas fotovoltaicas
Authors: Dupont, Ivonne Montero
Advisor: Carvalho, Paulo Cesar Marques de
Co-advisor: Silveira, Sandro César
Keywords: Geração de energia fotovoltaica;Condições não ideais de operação;Monitoramento;Detecção de anomalia;Tipos de sombreamento;Energia solar;Desempenho de sistema fotovoltaico
Issue Date: 2021
Citation: DUPONT, Ivonne Montero. Metodologia para identificação de condições não ideais de operação de plantas fotovoltaicas. 2021. 168 f. Tese (Doutorado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Fortaleza, 2021.
Abstract in Brazilian Portuguese: O uso da geração fotovoltaica (FV) está aumentando à medida que a demanda mundial de energia aumenta. Portanto, a confiabilidade, a segurança, o ciclo de vida e a eficiência aprimorada das plantas FV têm se tornado uma grande preocupação nas recentes pesquisas. Nesse contexto, são necessários sistemas de monitoramento para garantir a produtividade operacional necessária e evitar custos de manutenção excessivamente elevados. Na presente tese são estudadas as condições não ideais de operação de plantas FV conectadas à rede elétrica e propõe-se uma metodologia de detecção de anomalias que combina as vantagens dos gráficos de controle 2- sigma de Média Móvel Simples de Janela Curta, com um conjunto de parâmetros de transição de irradiação (∆G) e níveis de sombreamento (SS) para detectar antecipadamente desvio nos dados de operação da planta FV. O aspecto principal da metodologia proposta é que a mesma não requer dados históricos para o procedimento de treinamento de modelos nem parâmetros de simulações prévias. Apenas parâmetros meteorológicos e elétricos são necessários. A eficiência da metodologia de monitoramento de condições foi validada por meio de resultados experimentais conduzidos em condições sob regime de sombreamento. Os resultados demonstram que a metodologia proposta permite identificar condições não ideais de operação para plantas FV conectadas à rede, i.e., (i) condição de operação normal, (ii) sombreamento dinâmico natural, (iii) sombreamento dinâmico artificial e (v) sombreamento estático. Como parte da pesquisa, foi desenvolvida uma arquitetura de monitoramento embarcada baseada em conceitos de Internet das Coisas (IoT) nomeada SAD-IoT, de baixo custo e não invasiva, para monitorar a operação da planta FV em tempo real. Os requisitos de desempenho do SAD-IoT desenvolvido (parâmetros e resolução) são comparados segundo a norma IEC61724. Erros máximos de 1,20% e 1,45% são obtidos para os parâmetros da temperatura ambiente e da temperatura de operação dos módulos FV, respectivamente. Em relação à irradiância solar, um erro máximo de 0,68% é obtido, permanecendo dentro da faixa de incerteza máxima recomendada pela norma. A principal vantagem do SAD-IoT desenvolvido é a sua escalabilidade, confiabilidade e facilidade de mudança de sensores, além do fornecimento em tempo real das informações coletadas usando o protocolo MQTT da Internet das Coisas.
Abstract: The use of photovoltaic solar power generation is rising as worldwide energy demand increases. Therefore, reliability, safety, life cycle, and improved efficiency of photovoltaic plants have all become a major concern in research nowadays. In this context, monitoring systems are necessary to guarantee the required operating productivity and to avoid overpriced maintenance costs. This paper studies the non-ideal operating conditions for grid-connected photovoltaic plants and proposes an anomaly detection methodology that combines the advantages of the 2-sigma, short-window simple-moving average control charts with shading strength and irradiance transition parameters to detect early deviation in photovoltaic plant operation data. The key aspect of proposed methodology is that it requires neither historical data for model training procedure nor parameters from previous simulation. Only instantaneous meteorological and electrical parameters are required. The efficiency of the condition monitoring methodology has been validated through experimental results conducted in real operating conditions. Results demonstrated that the proposed methodology is effective to identify non-ideal operating conditions for grid-connected photovoltaic plants, i.e., (i) normal operating condition, (ii) natural dynamic shading, (iii) artificial dynamic shading, and (iv) artificial static shading. Moreover, a low-cost and non-invasive internet-of-things-based embedded architecture is proposed to monitor photovoltaic plant operation in real-time. As part of the research, an embedded monitoring architecture based on Internet of Things (SAD-IoT) concepts, low cost and non-invasive, is proposed to monitor the operation of the PV plant in real time. The performance requirements of the developed SAD-IoT (parameters and resolution) are compared according to the IEC61724 standard. Maximum errors of 1.20 % and 1.45 % are obtained for the parameters of the ambient temperature and the operating temperature of the PV modules, respectively. Regarding solar irradiance, a maximum error of 0.68 % is obtained, remaining within the maximum uncertainty range recommended by the standard. The main advantage of the developed SAD-IoT is its scalability, reliability and ease of changing sensors, in addition to providing real-time information collected using the Internet of Things MQTT protocol. Through permanent generation monitoring, it is possible to ensure that PV plants operate within ideal conditions and reach the expected generation levels throughout their useful life.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/57005
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