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https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4352| Tipo: | Tese |
| Título: | Caracterização de efeitos ambientais no desempenho de células solares bem como sua modelagem e ajustes |
| Autor(es): | SILVA, Alessandro José da Silva |
| Primeiro Orientador: | RUGINGER, Rero Marques |
| metadata.dc.contributor.advisor-co1: | OLIVEIRA, Adhimar Flávio |
| Resumo: | O crescente interesse em energia solar fotovoltaica (FV) exige uma compreensão aprofundada do desempenho dos módulos em condições reais de operação, que frequentemente divergem das condições-padrão de teste. Neste trabalho, apresenta-se uma metodologia robusta para a caracterização e modelagem do comportamento elétrico de quatro tecnologias distintas de módulos FV: silício multicristalino (mSi), telureto de cádmio (CdTe), seleneto de cobre, índio e gálio (CIGS) e heterojunção (HIT). O principal objetivo foi investigar a dependência dos coeficientes térmicos e de irradiância em módulos fotovoltaicos, para que os modelos possam ser empregados em futuras estimativas de desempenho de matrizes fotovoltaicas sob diferentes condições climáticas, investigando a dependência dos cinco parâmetros do modelo de um único diodo (SDM) em função da irradiância e da temperatura. Para isso, utilizaram-se dados experimentais de curvas corrente-tensão I-V e um algoritmo de otimização meta-heurística — a Evolução Diferencial Auto-Adaptativa (SADE) — para extrair os parâmetros do modelo com alta precisão. Os resultados da análise dos coeficientes de temperatura dos parâmetros elétricos evidencia diferenças significativas no comportamento térmico das distintas tecnologias fotovoltaicas, refletindo suas propriedades físicas e os mecanismos de transporte e recombinação de portadores. A corrente fotogerada (𝐼𝑝ℎ) apresenta coeficientes positivos ou levemente negativos, indicando um aumento moderado da corrente com a temperatura, mais pronunciado em CdTe e mSi e menos significativo em CIGS. A corrente de saturação (𝐼0) exibe forte dependência térmica em todas as tecnologias, contribuindo para a redução da tensão de circuito aberto, com maior sensibilidade observada em CIGS e mSi. O fator de idealidade (𝑛) diminui com o aumento da temperatura, sendo a tecnologia HIT a mais afetada, o que indica alterações mais intensas nos mecanismos de recombinação. Entre os parâmetros resistivos, a resistência série (𝑅𝑠) tende a diminuir em CdTe e mSi, enquanto aumenta em CIGS e HIT, sugerindo maior impacto de perdas ôhmicas nessas tecnologias. A resistência shunt (𝑅𝑠) reduz-se com a temperatura em todos os casos, indicando a intensificação de perdas paralelas, especialmente em HIT. Esses resultados ressaltam a importância de considerar a dependência térmica específica de cada tecnologia para uma modelagem e previsão de desempenho mais realistas em condições de operação. Os coeficientes de irradiância evidenciam diferenças claras no comportamento elétrico entre as tecnologias fotovoltaicas. A corrente fotogerada (𝐼𝑝ℎ) apresenta maior sensibilidade à irradiância no módulo HIT, refletindo sua elevada eficiência quântica e baixa recombinação, enquanto o CdTe exibe a menor resposta. A corrente de saturação (𝐼0) mostra variações reduzidas, sendo mais estável no HIT e mais sensível em CdTe e CIGS, associadas à maior densidade de defeitos. O fator de idealidade (𝑛) diminui com a irradiância em CdTe e CIGS, indicando redução de mecanismos não ideais, enquanto permanece praticamente constante no HIT. As resistências série (𝑅𝑠) e shunt (𝑅𝑠ℎ) tendem a diminuir com o aumento da irradiância, com variações mais acentuadas em mSi e CIGS, ao passo que o HIT apresenta maior estabilidade, coerente com sua estrutura heterojunção e menor influência de caminhos de fuga. Assim, a metodologia proposta, baseada na extração precisa de parâmetros por meio do algoritmo SADE, mostra-se adequada para capturar tais dependências e fornece uma base consistente para a modelagem e a previsão mais realista do desempenho de módulos e matrizes fotovoltaicas sob condições climáticas reais. Os resultados obtidos neste estudo contribuem de forma significativa para a literatura ao disponibilizar dados quantitativos específicos que ampliam a precisão dos modelos de simulação. Ademais, as evidências apresentadas reforçam o potencial do método para o aprimoramento do projeto e da otimização de sistemas fotovoltaicos em operação sob condições reais de clima. |
| Abstract: | The growing interest in solar photovoltaic (PV) energy demands a deep understanding of module performance under real operating conditions, which often diverge from standard test conditions. This work presents a robust methodology for characterizing and modeling the electrical behavior of four distinct PV module technologies: multicrystalline silicon (mSi), cadmium telluride (CdTe), copper indium gallium selenide (CIGS), and heterojunction (HIT). The main objective was to investigate the dependence of thermal and irradiance coefficients on photovoltaic modules, so that the models can be employed in future performance estimates of photovoltaic arrays under different climatic conditions, examining the dependence of the five parameters of the single diode model (SDM) as a function of irradiance and temperature. To this end, experimental data from currentvoltage I-V curves and a meta-heuristic optimization algorithm—the Self-Adaptive Differential Evolution (SADE)—were used to extract the model parameters with high precision. The results of the analysis of the temperature coefficients of the electrical parameters reveal significant differences in the thermal behavior of the distinct photovoltaic technologies, reflecting their physical properties and carrier transport and recombination mechanisms. The photogenerated current (𝐼𝑝ℎ) exhibits positive or slightly negative coefficients, indicating a moderate increase in current with temperature, more pronounced in CdTe and mSi and less significant in CIGS. The saturation current (𝐼0) shows strong thermal dependence in all technologies, contributing to the reduction in open-circuit voltage, with greater sensitivity observed in CIGS and mSi. The ideality factor (𝑛) decreases with increasing temperature, with HIT technology being the most affected, indicating more intense changes in recombination mechanisms. Among the resistive parameters, the series resistance (𝑅𝑠) tends to decrease in CdTe and mSi, while it increases in CIGS and HIT, suggesting a greater impact of ohmic losses in these technologies. The shunt resistance (𝑅𝑠ℎ) decreases with temperature in all cases, indicating the intensification of parallel losses, especially in HIT. These results highlight the importance of considering the specific thermal dependence of each technology for more realistic modeling and performance prediction under operating conditions. The irradiance coefficients reveal clear differences in electrical behavior among the photovoltaic technologies. The photogenerated current (𝐼𝑝ℎ) shows the highest sensitivity to irradiance in the HIT module, reflecting its high quantum efficiency and low recombination, while CdTe exhibits the lowest response. The saturation current (𝐼0) shows reduced variations, being more stable in HIT and more sensitive in CdTe and CIGS, associated with higher defect density. The ideality factor (𝑛) decreases with irradiance in CdTe and CIGS, indicating a reduction in non-ideal mechanisms, while it remains practically constant in HIT. The series (𝑅𝑠) and shunt (𝑅𝑠ℎ) resistances tend to decrease with increasing irradiance, with more pronounced variations in mSi and CIGS, whereas HIT shows greater stability, consistent with its heterojunction structure and lower influence of leakage paths. Thus, the proposed methodology, based on precise parameter extraction through the SADE algorithm, proves suitable for capturing such dependencies and provides a consistent basis for more realistic modeling and prediction of the performance of PV modules and arrays under real climatic conditions. The results obtained in this study contribute significantly to the literature by providing specific quantitative data that enhance the accuracy of simulation models. Furthermore, the evidence presented reinforces the potential of the method for improving the design and optimization of photovoltaic systems operating under real climatic conditions. |
| Palavras-chave: | Energia solar FV Modelagem de células solares Extração de parâmetros Evolução diferencial Meta-heurísticas |
| CNPq: | CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALÚRGICA |
| Idioma: | por |
| País: | Brasil |
| Editor: | Universidade Federal de Itajubá |
| Sigla da Instituição: | UNIFEI |
| metadata.dc.publisher.department: | IFQ - Instituto de Física e Química |
| metadata.dc.publisher.program: | Programa de Pós-Graduação: Doutorado - Ciência e Engenharia de Materiais |
| Citação: | SILVA, Alessandro José da Silva. Caracterização de efeitos ambientais no desempenho de células solares bem como sua modelagem e ajustes. 2025. 178 f. Tese (Doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais) – Universidade Federal de Itajubá, Itajubá, 2025. |
| Tipo de Acesso: | Acesso Aberto |
| URI: | https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/4352 |
| Data do documento: | 10-Dez-2025 |
| Aparece nas coleções: | Teses |
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