Modeling and development of a low-cost embedded system for MPPT of hybrid photovoltaic thermal system

Abstract

Technological improvements and appropriate modeling of solar hybrid PVT systems continue to pose significant challenges. This thesis introduces an improved modeling and implementation approach aimed at improving the effective efficiency of hybrid PVT systems by increasing their overall energy output. It also presents an innovative classification system developed through a comprehensive review of recent literature as well as a parametric analysis model that includes various optimization and performance-based parameters. Parameters characterization, identification and sensitivity analysis are also conducted to assess the sensitivity and overall effect of the system. A mathematical model of both electrical and thermal sections of the PVT system is obtained and incorporated in the simulation model. The simulation model based on the proposed approach is developed using MATLAB environment. An effective efficiency comparison analysis is performed using an appropriate cooling and heat transfer mechanism with different heat exchanger pipes, and the results are discussed. A novel, non-iterative, optimum MPPT technique based on an analytical solution is introduced and compared with the other existing classical approaches. A set of simple low cost instruments and an embedded system is developed for the real time measurement, simulation and optimization purpose. Additionally, a robust monitoring and fault diagnosis system is also presented for the system reliability; - Resumo: Modelação e Desenvolvimento de um Sistema Embebido de Baixo Custo para Seguimento do Ponto de Máxima Potência num Sistema Híbrido Fotovoltaico-Térmico - Os avanços tecnológicos e a modelação apropriada dos sistemas PVT híbridos solares continuam a representar desafios significativos. Esta tese apresenta uma abordagem aperfeiçoada de modelação e implementação com o objetivo de melhorar a eficiência efetiva dos sistemas PVT híbridos, aumentando a produção global de energia. Apresenta também um sistema de classificação inovador, partindo de uma revisão aprofundada da literatura recente, bem como de um modelo de análise paramétrica que inclui vários parâmetros de otimização e desempenho. A caracterização dos parâmetros, a identificação e a análise de sensibilidade são também conduzidas para avaliar a sensibilidade e o efeito global do sistema. Um modelo matemático da secção elétrica e térmica do sistema PVT é obtido e incorporado no modelo de simulação. O modelo de simulação baseado na abordagem proposta é desenvolvido utilizando o ambiente MATLAB. É realizada uma análise de comparação de eficiência eficaz utilizando um mecanismo apropriado de arrefecimento e transferência de calor, com diferentes tubos de permutador de calor, e os resultados são discutidos. Uma nova técnica MPPT ótima, não iterativa e baseada em solução analítica é introduzida e comparada com outras abordagens clássicas existentes. Um conjunto de instrumentos simples e de baixo custo e sistemas embebidos são desenvolvidos para fins de medição, simulação e otimização em tempo real. Além disso, é também apresentado um sistema robusto de monitorização e diagnóstico de avarias para garantir a fiabilidade do sistema.