Decision-making tool for solar system selection and design optimization

Abstract

La cuota de mercado mundial de la generación de electricidad renovable aumentó a una tasa compuesta promedio del 15% entre 2015 y 2020 y 348 GW solo en 2022, lo que podría resultar en una cuota renovable del 45 % en la generación de energía en 2030 si la tendencia actual continúa. Por lo tanto, es necesario tomar medidas para reducir la cantidad de soluciones subóptimas que se obtienen como resultado de una tasa de adopción acelerada, al mismo tiempo que se garantiza la continuidad del crecimiento exponencial. Se propone un nuevo enfoque para optimizar el flujo de trabajo en los procesos de diseño de instalaciones solares residenciales mediante el desarrollo de una herramienta digital. Esta solución está estructurada en dos capas, la primera es un modelo de las diferentes tecnologías solares prevalentes, a saber, fotovoltaica (PV), solar térmica (ST) y fotovoltaica térmica (PVT) en Simulink, y la segunda capa contiene una herramienta de análisis económico desarrollada en MATLAB. El modelo inicial realiza una simulación transitoria de la instalación solar en el transcurso de un año, considerando las condiciones genéricas de la instalación proporcionados por el cliente, como el área de superficie disponible, el consumo de energía, el modelo de panel solar, la ubicación y las condiciones ambientales, y luego extrapola a la vida útil del sistema. Posteriormente, la segunda capa utiliza los resultados del modelo transitorio para realizar un análisis económico, identificando los parámetros económicos clave de la instalación con el objetivo de determinar los parámetros técnicos óptimos, como el área del colector, el tamaño del almacenamiento y la participación solar, entre otros. Se realizó un estudio practico en un edificio residencial sueco con área de techo limitada,utilizando la herramienta desarrollada, con un número variable de paneles solares instalados. Las eficiencias efectivas eléctricas y térmicas variaron de 9,2% a 10,9% y de 20,2% a 51,8% para los sistemas fotovoltaicos y ST,respectivamente, según la cantidad de paneles en la instalación. Para los sistemas PVT, las eficiencias eléctricas, térmicas y totales efectivas variaron de 9,0% a 11,5%, 17,2% a 43,7% y 26,3% a 55,2%, respectivamente. Un análisis del valor actual neto (VAN) indicó que la instalación óptima comprendía 70 paneles fotovoltaicos y 30 paneles ST, lo que resultó en un VAN de 117 888 €.

The global market share of renewable electricity generation increased at an average compound rate of 15% between 2015 and 2020 and 348 GW in 2022 alone, which could result in a renewable share of 45% in energy generation by 2030 if the current trend continues. Therefore, action is required to reduce the number of suboptimal solutions resulting from the accelerated adoption rate,while ensuring the continued exponential growth. A novel approach to streamline the workflow in residential solar installation design processes through the development of a digital tool is proposed. The solution istructured into two layers. The first layer comprises a Simulink model of the most prevalent solar technologies, namely Photovoltaic (PV), Solar Thermal (ST) and Photovoltaic Thermal (PVT). The second layer contains an economic analysis tool developed in MATLAB. The initial model performs a transient simulation of the solar installation over the course of a year, considering generic clientprovided inputs, such as the available surface area, energy consumption, solar panel model, location and ambient conditions, and then extrapolates for the lifespan of the system. Subsequent to this, the second layer utilises the outputs from the Simulink model to conduct an economic analysis, identifying the key economic parameters of the installation with the objective of determining the optimal technical parameters, such as collector area, storage size and solar share,among others. A case study was conducted on a Swedish residential building with limited roof area, utilising the developed tool, with a changing number of installed solar panels. The electric and thermal effective efficiencies varied from 9.2% to 10.9% and from 20.2% to 51.8% for PV and ST systems,respectively,depending on the number of panels in the installation. For PVT systems, the effective electric, thermal and total efficiencies varied from 9.0% to 11.5%,17.2% to 43.7%, and 26.3% to 55.2%,respectively. A Net Present Value (NPV) analysis indicated that the optimal installation comprised 70 PV panels and 30 ST panels, resulting in an NPV of €117 888.

Elektrizitate berriztagarriaren sorkuntzaren munduko merkatu-kuotaren %15eko batez besteko tasa konposatura igo zen 2015 eta 2020 bitartean, eta 348 GW 2022an bakarrik. Horrek esan nahi du 2030ean energia-sorkuntzan %45eko kuota berriztagarria izan daitekeela, egungo joerak bere horretan jarraitzen badu. Beraz, neurriak hartu behar dira adopzio-tasa azeleratuaren ondorioz lortzen diren disoluzio suboptimoen kopurua murrizteko, eta, aldi berean, hazkunde esponentzialaren jarraitutasuna bermatuko da. Etxeko eguzki-instalazioen diseinu-prozesuetan lan-fluxua optimizatzeko ikuspegi berri bat proposatzen da, tresna digital bat garatuz. Soluzio hori bi geruzatan egituratuta dago. Lehenengoa, eguzki-teknologia nagusien eredu bat da:fotoboltaikoa (PV), eguzki-energia termikoa (ST) eta fotoboltaikoa termikoa (PVT) Simulink-en. Bigarren geruzak, MATLABen garatutako analisi ekonomikorako tresna bat du. Hasierako ereduak eguzki-instalazioaren simulazio iragankor bat egiten du urtebetean, bezeroak instalazioaren kondizio generikoak —hala nola azalera erabilgarria, energia-kontsumoa, eguzkipanelaren eredua, kokapena eta ingurumen-baldintzak— kontuan hartuta, eta,gero, sistemaren bizitza erabilgarrira estrapolatzen du. Ondoren, bigarren geruzak eredu iragankorraren emaitzak erabiltzen ditu analisi ekonomiko bat egiteko, eta instalazioaren funtsezko parametro ekonomikoak identifikatzen ditu parametro tekniko egokienak zehazteko, hala nola kolektorearen azalera,biltegiratzearen tamaina eta eguzki-parte-hartzea, besteak beste. Sabai-eremu mugatuko bizitegi-eraikin suediar batean azterketa praktikoa egin zen,garatutako tresna erabiliz, eta instalatutako eguzki-panelen kopurua aldatu egin zen. Eraginkortasun elektriko eta termiko eraginkorra %9,2tik %10,9ra eta %20,2tik %51,8ra bitartekoa izan zen sistema fotoboltaikoetan eta STetan,hurrenez hurren, instalazioko panel-kopuruaren arabera. PVT sistemetarako,eraginkortasun elektriko, termiko eta guztizko eraginkorrak % 9,0tik %11,5era, % 17,2tik % 43,7ra eta % 26,3tik % 55,2ra, hurrenez hurren. Egungo balio garbiaren (VAN) azterketa batek adierazi zuen instalazio optimoak 70 panel fotovoltaiko eta 30 ST panel zituela, eta 117 888 €-ko VAN bat zela.