Performance evaluation of solar tracking photovoltaic systems operating in Canada

Mehrtash, Mostafa (2013). Performance evaluation of solar tracking photovoltaic systems operating in Canada. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

In 2011, the total installed PV capacity in Canada was almost 289 MW and it could reach between 9 and 15 GW by 2025. According to previous studies, sun tracking PV systems can capture 20% to 50% more solar radiation than fixed systems. Solar tracker is a device that keeps PV panels perpendicular to the sun rays. There is a lack of knowledge about the performance of sun tracking PV systems operating under weather conditions of Canada.

Three principal objectives were defined for this research. The first objective is the performance evaluation of various configurations (fixed and tracking) of PV systems. This objective is achieved by simulation and analysis of four orientations of PV systems: horizontal, inclined, single-axis tracking, and dual-axis tracking systems. These systems are analysed in yearly and daily periods. Four cities with different typical weather conditions have been studied: Montreal (Canada), Casablanca (Morocco), Ouagadougou (Burkina Faso), and Olympia (U.S.A). The results from simulations show that the dual-axis tracking PV systems have the best performance in all selected locations.

The second objective is the investigation of environmental effects on the performance of PV systems. This objective is achieved by studying the ambient temperature and reflected radiation from the snow (albedo effect) influences. Reflected radiation from the snow accumulated on the ground causes an increase in arrays irradiation up to 4.1%, 5.6%, and 6.9% for tilted, single-axis tracking, and dual-axis tracking systems over the winter, respectively.

The final objective of this thesis is developing the optimum tracking method for Canada. This objective is achieved by analyzing various orientations of PV systems in some typical days: a clear winter day, a clear summer day, an overcast day for both winter and summer, and calculation of tracking advantage during these days.

According to the daily analyses, tracking the sun is effective in clear days and unnecessary in overcast days. These results are supported by previous researches. Our results allow proposing a method that tracks the sun in clear conditions and go to horizontal position in overcast conditions. In partially cloudy conditions, depending on the clearness index and reflected radiation from the ground, tracking the sun could be effective or counterproductive. Furthermore, going to horizontal position consumes energy. If the reflected radiation from the snow is considerable, the PV system should stay in final position as it doesn’t consume any energy.

Résumé traduit

En 2011, la capacité totale installée du Photovoltaïque au Canada était de 289 MW et elle pourrait atteindre entre 9 et 15 GW d'ici 2025. Selon des études antérieures, des systèmes de suivi solaires PV peuvent capturer 20% à 50% plus de rayonnement solaire que les systèmes fixes. Un suiveur solaire est un dispositif qui maintient les panneaux photovoltaïques perpendiculaires aux rayons du soleil. Il y a un manque de connaissances sur la performance des systèmes solaires photovoltaïques de suivi d'exploitation dans les conditions météorologiques sévères du Canada.

Trois objectifs principaux ont été définis pour cette recherche. Le premier objectif est l'évaluation des performances en fonction de la stratégie de suivi pour les systèmes PV. Cet objectif est atteint par la simulation et l'analyse de quatre systèmes PV: horizontal fixe, incliné fixe, suivi selon un axe et suivi selon deux axes. Ces systèmes sont analysés au cours des périodes annuelles, mensuelles et journalières. Quatre villes avec des conditions météorologiques différentes ont été étudiées: Montréal (Canada), Casablanca (Maroc), Ouagadougou (Burkina Faso), et Olympia (USA). Les résultats obtenus à partir de simulations montrent que les systèmes de suivi selon deux axes présentent les rendements les plus élevés dans tous les endroits choisis.

Le deuxième objectif est de déterminer l'orientation optimale d'un système d'exploitation PV dans des conditions climatiques du Canada. Cet objectif est atteint en enquêtant sur la météo et les conditions environnementales du Canada qui touchent les systèmes PV, y compris les basses températures en hiver et le rayonnement réfléchi par la neige (effet albédo). Le rayonnement réfléchi par la neige cumulée sur le sol entraîne une augmentation de l'irradiation des panneaux jusqu'à 4,1%, 5,6% et 6,9% pour les systèmes inclinées, avec suivi selon un axe, et avec suivi selon deux axes pendant l'hiver, respectivement. Les systèmes de suivis selon un axe et deux axes reçoivent 28% et 33% de plus de rayonnement solaire que le système incliné sur un an. De plus, le suivi du soleil pourrait précipiter le phénomène de fusion de la glace et de la neige accumulée sur les panneaux photovoltaïques.

L'objectif final de cette thèse est le choix de la méthode de suivi optimale pour le Canada. Cet objectif est atteint par l'analyse de diverses orientations des systèmes PV dans les jours typiques: une journée d'hiver claire, une claire journée d'été, et une journée nuageuse d’hiver et d’été.

Selon les analyses quotidiennes, le suivi du soleil est efficace les jours de soleil direct (clairs), contre-productif les jours nuageux, et dépend de l'indice de clarté dans les jours très nuageux. Ces résultats sont corroborés par des recherches antérieures. Les résultats permettent de proposer une méthode qui permet de suivre le soleil dans des conditions claires et d’aller à la position horizontale dans des conditions nuageuses. En conditions nuageuses partielles, la stratégie de suivi à adopter dépend de l'indice de clarté et de rayonnement réfléchi par le sol.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillement of the requirements for the master's degree in mechanical engineering" Bibliogr. : f. [169]-174.
Mots-clés libres:	Énergie solaire. Systèmes photovoltaïques. Albédo. Canada - Climat. performance, suivi
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Rousse, Daniel R.
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	22 févr. 2013 18:42
Dernière modification:	10 mars 2017 20:17
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1138

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