Performance assessment of solar photovoltaic technologies under different climatic conditions in Brazil

Abstract

A geração fotovoltaica (FV) centralizada tem apresentado um importante crescimento no Brasil nos últimos anos, consequência de intensa redução de seus custos de produção. As elevadas temperaturas de operação, os altos níveis de umidade e irradiância e uma distribuição de irradiância em um espectro desviado para o azul em comparação com o espectro padrão ASTM G-173, levam a resultados operacionais contrastantes das várias tecnologias FV comercialmente disponíveis, que são evidenciados nesta tese. Este trabalho avalia oito Módulos de Avaliação (MAs) idênticos instalados em oito regiões climáticas do Brasil, cada um possuindo uma potência instalada de 54 kWp e utilizando as seguintes tecnologias fotovoltaicas: Silício amorfo (a-Si), Silício microcristalino (µc-Si), Telureto de Cádmio (CdTe), Disseleneto de Cobre-Índio-Gálio (CIGS), Silício mono e multi-cristalino (c-Si e m-Si). Todas os sistemas operam com inclinação idêntica à latitude local correspondente. Parâmetros elétricos e ambientais em todos os locais são medidos continuamente em intervalos de um segundo. Os resultados mostram uma análise detalhada das perdas de energia para todas as tecnologias. Os módulos fotovoltaicos de filmes finos com baixo coeficiente de temperatura apresentaram elevada taxa de desempenho. Módulos de silício cristalino revelaram intensa degradação em áreas com alta umidade relativa e temperatura. Apesar das diferentes tecnologias FV avaliadas, os resultados encontrados estão diretamente associados aos fabricantes dos módulos utilizados e não necessariamente refletem o comportamento destas tecnologias como um todo. Os efeitos de sobreirradiância causados por eventos de borda de nuvem resultaram em picos de irradiância de até 1845 W/m², com eventos que duraram vários minutos acima de 1600 W/m², resultando em frequentes queimas de fusíveis, mesmo quando foram observadas as recomendações dos fabricantes dos módulos fotovoltaicos. A soma de todos os efeitos observados e descritos nesta tese demonstra que o dimensionamento e operação de usinas solares fotovoltaicas de grande porte nas distintas regiões do Brasil apresentam peculiaridades que até o presente pouco foram descritas na literatura científica especializada.

Abstract: Utility-scale photovoltaic (PV) generation is being ramped-up in Brazil in recent years, as a result of intense price reductions. Extreme operating temperatures, high humidity, and irradiance levels, and a blue-biased distribution of irradiance in comparison with the standard ASTM G-173 spectrum lead to contrasting operational outputs of the various commerciallyavailable PV technologies. The performance assessment of six different PV technologies installed at eight different climatic regions in Brazil is presented. This thesis evaluates eight identical, 54 kWp Evaluation Sites (ESs), all with the following PV technologies: amorphoussilicon (a-Si), microcrystalline-silicon (a-Si/µc-Si), cadmium-telluride (CdTe), copper-indiumgallium- diselenide (CIGS), mono- and multi-crystalline silicon (c-Si and m-Si). All installations operate at a fixed-tilt equal to the corresponding local latitude. Electrical and environmental parameters at all sites are measured continuously at one-second intervals. A detailed energy loss analysis for all technologies is presented. Thin-film PV modules with a low temperature-coefficient of power presented superior performance. Crystalline silicon modules revealed severe degradation in areas with high relative humidity and temperature. Even though several PV technologies were assessed, the results presented are directly related to the specific manufacturers of the modules employed in the project, and not necessarily reflect the PV technologies behavior as a whole. Cloud-edge and cloud-enhancement effects of solar irradiance resulted in irradiance peaks of up to 1845 W/m², with long overirradiance events which lasted many minutes over 1600 W/m², resulting in the frequent blowing of string fuses when manufacturers maximum fuse ratings were employed. The combined effect of all the phenomena observed and described in this thesis demonstrates that the sizing and operating of utility-scale PV in the different climatic regions in Brazil presents peculiarities which have not been extensively described in the scientific literature so far.