• No results found

Simulation and experimental study of power losses due to shading and soiling on photovoltaic (PV) modules

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Simulation and experimental study of power losses due to shading and soiling on photovoltaic (PV) modules"

Copied!
123
0
0

Laster.... (Se fulltekst nå)

Fulltekst

(1)

Simulation and experimental study of power losses due to shading

and soiling on photovoltaic (PV) module

Norwegian University of Life Sciences Faculty of Environmental Science and Technology

Department of Mathematical Sciences and Technology

Master Thesis 2015 30 credits

Anna Derås Pettersen

(2)

Preface  

This  thesis  is  a  result  of  an  initiative  take  by  Institute  for  Energy  Technology  (IFE)  and   was  carried  out  to  determine  the  power  losses  due  to  shading  and  soiling  accumulation   on  a  photovoltaic  (PV)  module.  

A  simulation  tool  was  used  to  construct  a  model  that  can  handle  complex  shading   profiles.  An  experimental  basis  was  established  for  quantifying  the  transmission  losses   due  to  the  natural  accumulation  of  soiling  in  Norway  in  the  period  of  October-­‐

November  2014.  The  simulation  model  was  used  for  predicting  power  losses  from  a   partial  snow  cover  on  PV  modules  at  a  PV-­‐plant  located  at  Evenstad,  and  was  verified  by   production  data.      

The  development  of  the  solar  industry  in  Norway  is  at  an  early  stage.  This  thesis   provides  a  basis  of  knowledge  on  the  power  losses  directly  related  to  the  natural  

accumulation  of  soiling,  due  to  the  Norwegian/Scandinavian  climate.  Simulation  studies   provide  an  understanding  of  how  partial  snow  accumulation  on  PV  modules  can  cause   major  power  losses.  

I  would  like  to  thank  my  supervisors  at  IFE,  Erik  Stensrud  Marstein  and  Josefine  Helene   Selj  for  their  huge  engagement  and  for  always  taking  the  time  to  help  me.  I  would  also   like  to  thank  my  supervisor  at  Norwegian  University  of  Life  Sciences  (NMBU)  Dr.  Ing.  

Espen  Olsen  for  valuable  advices.  Thanks  to  Statsbygg  for  login  in  permission,  access  to   all  the  production  data  and  information  about  the  PV-­‐plant  at  Evenstad.    

I  would  like  to  thank  my  cousin  Ola  Kristoffer  Derås  Verlo  for  one  of  our  last  

conversations  together,  involving  the  future  of  renewable  energy.  This  thesis  is  written   in  memory  of  you.      

 

Ås,  February  2nd  2015    

 

Anna  Derås  Pettersen    

(3)

Abstract  

A  model  for  predicting  and  quantifying  the  effects  of  complex  partial  shading  profiles  on   a  PV-­‐module  has  been  constructed  by  using  the  simulation  tool  LTspice  IV.  The  model  is   constructed  according  to  the  two-­‐diode  model  equivalent  circuit  for  solar  cells.  

Technical  specifications  from  REC255PE  were  implemented  in  the  model,  and  partial   shade  was  simulated  by  applying  shade  normal  to  the  strings,  and  along  the  strings  on   the  module.    

An  experimental  basis  has  been  established  for  quantifying  the  transmission  losses  due   to  the  natural  accumulation  of  soiling  in  Norway.  The  soiling  accumulation  is  caused  by   several  typical  Norwegian  weather  conditions  in  the  period  of  10.25.14-­‐11.23.14.  

Results  show  that  the  transmission  is  reduced  by  up  to  0.92%  and  1.1%  during  one   week  for  a  standard  module  glass  and  an  anti-­‐soiling  coated  glass  respectively.  The   results  show  no  positive  effect  of  the  anti-­‐soiling  coated  glass  relative  to  a  standard   module  glass,  which  is  opposing  to  other  previous  studies.  A  longer  measurement  series   is  required  in  order  to  make  a  significant  conclusion.  This  experimental  basis  was  also   established  for  measuring  the  transmittance  through  snow  covers  at  various  depths  and   implement  snow  as  soft  shade  in  the  LTspice  model  to  predict  power  losses  due  to  snow   accumulation.  Due  to  the  heat  dissipated  by  the  light  source  on  the  experimental  setup,   and  the  fact  that  the  setup  was  located  indoors,  this  experimental  setup  was  not  

sufficient  for  measurements  on  snow.    

The  simulation  model  was  used  to  predict  power  losses  due  to  partial  snow  cover  on  a   PV  module  at  a  PV  plant  located  at  Evenstad,  Norway.  The  simulation  results  were   verified  by  inverter  data  at  Evenstad.  Simulation  results  showed  that  if  one  PV  module,   where  5  of  10  rows  were  snow  covered,  the  power  output  was  reduced  by  40%  for  the   entire  inverter-­‐string,  assuming  snow  depth  of  less  than  10  cm.  For  thick  snow  depths,   assumingly  higher  than  10  cm,  the  power  produced  from  a  module  string  is  assumed  to   be  close  to  zero  due  to  very  low  transmittance  through  the  snow  and  the  fact  that  the   modules  are  installed  in  upraised  position.    

Simulation  results  show  that,  for  this  particular  scenario,  installing  the  modules  in   laying  position  would  increase  the  power  produced  by  each  module  with  about  19%.  

   

(4)

Sammendrag  

I  denne  masteroppgaven  er  en  simuleringsmodell  konstruert  for  å  predikere  og  

kvantifisere  effekten  av  delvis  skygge  på  solcellemoduler.  Modellen  ble  konstruert  etter   to-­‐diode  ekvivalentkrets-­‐modellen  for  solceller.  REC  255PE  ble  modellert  i  

simuleringsverktøyet  LTspice  IV,  basert  på  tekniske  spesifikasjoner  tilgjengelig  fra   produsenten.  Skyggeprofiler  på  tvers  og  på  langs  av  modulstrengene  ble  simulert.    

En  eksperimentell  metode  er  utviklet  for  å  utføre  systematiske  transmisjonsmålinger  på   modulglass.  Måledataene  ble  brukt  til  å  beregne  transmisjonstap  gjennom  to  typer   modulglass  som  følge  av  naturlig  tilsmussing.  Resultatene  viser  at  transmisjonen   gjennom  et  standard  modulglass  og  et  glass  med  anti-­‐soiling  belegg  ble  redusert  med   opptil  henholdsvis  0,92  %  og  1,1  %  ukentlig  i  måleperioden  25.10.14-­‐23.11.14.  

Resultatene  fra  disse  målingene  viser  ingen  effekt  av  anti-­‐soiling  glass  relativt  til   standard  modulglass,  som  er  motstridende  med  andre  tidligere  studier.  En  lengre   måleserie  er  derfor  påkrevd  for  å  kunne  foreta  en  signifikant  konklusjon.  Det   eksperimentelle  oppsettet  er  ikke  tilstrekkelig  for  målinger  av  snø  og  is,  og  krever   videre  utvikling.  Dette  på  grunn  av  varmen  som  avgis  av  lyskilden,  og  at  målingene   utføres  innendørs.  

Simuleringsmodellen  ble  brukt  til  å  predikere  effekttapet  som  følge  av  et  delvis  

snødekke  på  en  modul  på  solcelle  anlegget  på  Evenstad  i  Norge.  Simuleringsresultatene,   verifisert  ved  produksjonsdata  fra  Evenstad,  viser  at  et  delvis  snødekke  kan  få  store   konsekvenser  for  produksjonen.  Dette  skyldes  at  modulene  er  koblet  i  serie,  11  og  12   moduler  til  hver  inverter.  Modulen  med  mest  skygge  eller  dekke,  vil  påvirke  de  andre   modulene  i  samme  streng,  og  nedjustere  effekten  levert  fra  de  ikke-­‐skyggede  modulene   til  samme  effekt  som  den  skyggede  modulen.  I  dette  tilfellet  tilsvarer  det  et  predikert   effekttap  på  40  %  for  hele  inverter  strengen.  

Ved  å  installere  moduler  i  liggende  posisjon,  kan  effekten  som  leveres  av  en  skygget   modul  økes  på  grunn  av  bypass  diodenes  plassering.  Simuleringsresultater  viser  at  det   for  det  undersøkte  snødekket  vil  øke  effekten  fra  modulen  med  ca.  19  %.  

   

 

(5)

List  of  Figures  

Figure  1.1:  Plot  showing  the  predicted  PV  market  (cumulative)  development  in  Europe.  

Figure  is  taken  from  (EPIA  2014)  p.32.  ...  8  

Figure  1.2:  Mean  values  of  insolation  (W/m2)  measured  at  Evenstad  by  tilted   pyranometer  (Sunny  Portal).  ...  10  

Figure  2.1:  Intensity  of  sunlight  (W/m2nm)  as  a  function  of  wavelength,  representing   the  AM1.5  spectra  (International  ISO  9845-­‐1  AM1.5G  spectra  1992).  ...  14  

Figure  2.3:  Sketch  of  a  6’’  multi-­‐crystalline  Si-­‐solar  cell,  with  contact  grid  and  fingers,   size  and  the  approximate  thickness  of  a  cell.  Picture  from  (IFE  Department  for  Solar   Energy).  ...  17  

Figure  2.4:  The  two-­‐diode  model  equivalent  circuit  to  a  solar  cell.  ...  18  

Figure  2.5:  Simulated  I(V)-­‐  and  P(V)-­‐plot  for  a  single  solar  cell  under  STC.  ...  20  

Figure  2.6:  Simulated  I(V)-­‐plot  for  various  series  resistances  Rs  (Ω)  at  STC.  ...  21  

Figure  2.7:  Simulated  I(V)-­‐plot  for  various  values  for  the  shunt  resistance  RSH  (Ω)  at  STC.  ...  22  

Figure  2.8:  Simulated  I(V)-­‐plot  for  various  saturation  current  densities  for  diode  2.  ...  23  

Figure  2.9:  Simulated  I(V)-­‐plot  for  various  saturation  current  densities  for  diode  1.  ...  24  

Figure  2.10:  Simulated  I(V)-­‐plot  for  various  cell  temperatures.  ...  25  

Figure  2.11:  Cross  section  to  illustrate  the  layers  of  a  standard  PV  module.  ...  26  

Figure  2.12:  Basic  illustration  of  how  hard  shade  (left),  and  soft  shade  (right)  affects  the   transmitted  sunlight  through  a  surface.  ...  27  

Figure  2.13:  Simulated  I(V)-­‐  plots  of  a  single  solar  cell  for  irradiances  200,  400,  600,  800   and  1000W/m2  at  temperature  25°C.  ...  28  

Figure  2.14:  Sketch  of  shade  applied  along  (left)  the  module  strings,  and  along  the   module  strings  (right).  ...  30  

Figure  2.15:  Uniform  fresh  snowfall  coverage  of  PV  modules,  at  Kjeller,  Skedsmo  (left),   and  Evenstad  (right).  ...  34  

Figure  3.1:  Numbered  cells  and  placement  of  the  bypass  diodes  of  60  cell  PV  module.  ..  41  

Figure  3.2:  Sub-­‐circuit  for  the  solar  cell  defining  two-­‐diode  model.  ...  42  

Figure  3.3:  An  extract  of  the  syntax  used  for  series  connecting  cells  and  implementing   parameter  values.  ...  43  

Figure  3.4:  Solar  simulator  sketch  (IFE  Department  for  Solar  Energy).  ...  47  

Figure  3.5:  Glass  samples  placed  on  a  rooftop  located  at  IFE.  The  samples  has  equal  tilt   angle  as  the  adjacent  PV  modules.  ...  52  

Figure  3.6:  Schematic  of  the  transmittance  measurement  setup  (IFE  Department  for   Solar  Energy).  ...  53  

Figure  3.8:  Sketch  of  PV  plant  at  Evenstad,  Hedmark,  Norway.  Picture  provided  by   (Statsbygg).  ...  59  

Figure  3.9:  Screenshot  of  live  view  at  Evenstad,  where  one  module  in  string  1.2  has  5/10   rows  covered  with  snow  (login  required,  permission  given  by  Statsbygg).  ...  60  

Figure  3.10:  Sketch  of  REC255PE  whereas  5/10  rows  are  covered  with  snow.  ...  61  

Figure  3.11:  Mean  values  of  the  mean  insolation  measured  by  a  pyranometer  at   Evenstad,  Hedmark,  Norway  (Sunny  Portal).  ...  62  

Figure  3.12:  Module  temperature  (mean  values),  and  wind  speed  (mean  values)   measured  at  Evenstad,  Hedmark,  Norway  (Sunny  Portal).  ...  63  

Figure  3.13:  Sketch  of  laying  module  position,  whereas  5/6  rows  are  covered  with   snow.  ...  66  

(6)

Figure  4.1:  Plot  of  table  4.1,  ISC  plotted  as  a  function  of  number  of  fingers  shaded,  with   corresponding  linear  trend  line.  ...  69   Figure  4.2:  Modeled  I(V)-­‐plot  (blue)  and  P(V)-­‐plot  (red)  from  LTspice  model  at  STC.  ....  70   Figure  4.3:  Sketch  of  hard  shade  applied  across  all  strings  of  PV  module,  50%  cell  area   (left)  and  100%  cell  area  (right)  ...  72   Figure  4.4:  Simulated  I(V)-­‐  and  P(V)-­‐plot  of  hard  shade  across  strings  applied  to  50%  of   the  cell  area  of  all  bottom  cells.  ...  73   Figure  4.5:  Simulated  I(V)  and  P(V)-­‐plot  of  hard  shade  across  all  the  strings  applied  to   100%  of  cell  area  of  all  bottom  cells.  ...  74   Figure  4.6:  Sketch  of  hard  shade  applied  along  one  string  on  a  PV  module,  50%  of  cell   area  (left),  and  100%  cell  area  (right).  ...  75   Figure  4.7:    Simulated  I(V)  and  P(V)-­‐plot  of  hard  shade  along  one  string  applied  to  50%  

of  the  cell  area.  ...  76   Figure  4.8:  Simulated  I(V)  and  P(V)-­‐plot  of  hard  shade  along  one  string  applied  to  100%  

of  the  cell  area.  ...  77   Figure  4.9:  Sketch  of  soft  shade  applied  across  all  strings,  and  along  one  string  on  the   modeled  PV  module.  ...  78   Figure  4.10:  Simulated  I(V)-­‐  and  P(V)-­‐plot  of  soft  shade  with  t=20%  to  t=100%  applied   across  all  strings,  100%  cell  area.  ...  79   Figure  4.11  Simulated  I(V)-­‐  and  P(V)-­‐plot  of  soft  shade  with  t=20%  to  t=100%  applied   along  one  string,  100%  cell  area.  ...  80   Figure  4.12:  Plot  of  Pmax  for  various  transmission  t,  from  Figure  4.10  and  Figure  4.11.  ..  81   Figure  4.13:  Precipitation  measured  at  Skedsmo,  Norway,  the  closest  weather  station  to   Kjeller,  at  the  given  period  of  the  experiment.  Data  downloaded  from  (eKlima).  ...  83   Figure  4.14:  Simulated  I(V)  and  P(V)-­‐plot  for  PV  module  without  snow  coverage.  ...  92   Figure  4.15:  Simulated  I(V)  and  P(V)  for  PV  module  with  5/10  rows  snow  covered.  ...  93   Figure  4.16:  Production  data  for  inverter  1  at  Evenstad  from  1/8/2015  (Sunny  Portal).

 ...  94   Figure  4.17:  Simulated  I(V)  and  P(V)  for  PV  module  with  5/6  rows  snow  covered,  with   t=20%  through  snow  in  laying  position  ...  96  

 

   

(7)

Table  of  contents  

Preface  ...  1  

Abstract  ...  2  

Sammendrag  ...  3  

List  of  Figures  ...  4  

1   Introduction  ...  8  

1.1   Background  ...  8  

1.2   Thesis  statement  ...  11  

1.3   Thesis  structure  ...  11  

2   Theoretical  background  ...  13  

2.1   Definitions  related  to  solar  radiation  ...  13  

2.1.1   Reference  solar  spectra  ...  13  

2.1.2   Absorptance,  reflectance  and  transmittance  ...  15  

2.2   Physics  of  solar  cells  ...  16  

2.2.1   Semiconductors  ...  16  

2.2.2   Solar  cell  ...  16  

2.3   The  two  diode  model  ...  18  

2.3.1   Parameters  of  the  two-­‐diode  model  ...  19  

2.4   PV  module  ...  26  

2.5   Shading  ...  27  

2.5.1   Partial  shade  ...  28  

2.5.2   Shading  of  single  solar  cell  ...  29  

2.5.3   Shading  of  PV  module  ...  30  

2.6   Soiling  ...  32  

2.6.1   Dust  and  pollution  ...  32  

2.6.2   Snow  ...  33  

2.6.3   Soiling  accumulation  due  to  Norwegian  climate  ...  35  

2.6.4   Anti-­‐soiling  coatings  ...  36  

3   Experimental  methodology  ...  38  

3.1   Modeling  a  PV  module  ...  39  

3.1.1   Introduction  to  modeling  software:  LTspice  IV  ...  39  

3.1.2   60-­‐cell  PV  module  ...  39  

3.1.3   REC  255PE  ...  43  

3.1.4   Shade  simulation  ...  46  

3.2   Validation  of  simulation  model  ...  46  

3.2.1   Shading  of  solar  cell  ...  47  

3.2.2   Shading  of  PV  module  ...  48  

3.3   Soiling  ...  51  

3.3.1   Field-­‐test  location  and  experimental  setup  ...  51  

3.3.2   Transmission  measurement  setup  ...  53  

3.3.3   Five-­‐week  transmission  loss  ...  57  

3.3.4   Weekly  transmission  losses  ...  58  

3.3.5   Observations  of  glass  samples  ...  58  

3.4   Predicted  power  losses  due  to  snow  accumulation  on  PV  module  ...  59  

3.4.1   Location  ...  59  

3.4.2   Snow  accumulation  ...  60  

3.4.3   Data  availability  ...  62  

4   Results  and  discussion  ...  68  

(8)

4.1   Validation  of  simulation  model  ...  68  

4.1.1   Shading  of  solar  cell  ...  68  

4.1.2   Shading  of  PV  module  ...  70  

4.1.3   Section  summary  ...  81  

4.2   Soiling  ...  82  

4.2.1   Reference  transmission  measurements  ...  84  

4.2.2   Five  week  transmission  loss  ...  85  

4.2.3   Effect  of  washing  glass  samples  ...  87  

4.2.4   Weekly  transmission  loss  ...  88  

4.2.5   Observations  of  glass  samples  ...  90  

4.2.6   Section  summary  ...  91  

4.3   Predicted  power  losses  due  to  snow  accumulation  on  PV  module  ...  91  

4.3.1   Section  summary  ...  97  

5   Conclusions  ...  98  

Further  work  ...  99  

References  ...  100  

Appendix  ...  105  

A.1:  REC255PE  model  ...  105  

A.2  Transmission  plots  ...  113  

A.3  Images  of  glass  samples  ...  118    

 

 

(9)

1 Introduction  

1.1 Background  

According  to  a  report  predicting  the  global  market  outlook  for  2014-­‐2018,  published  by   European  Photovoltaic  Interest  Organization  (EPIA),  the  PV-­‐industry  represents  a   growing  market.  This  is  despite  of  economic  recessions  such  as  the  financial  crisis   between  2007  and  2010.  In  the  same  report  it  is  suggested  that  for  a  high  scenario   future  prediction,  the  European  PV-­‐marked  is  to  increase  up  to  an  installed  capacity  of   156  GW  in  2018,  compared  to  about  81  GW  in  2013  (see  Figure  1.1).  It  is  also  predicted   that,  without  major  changes  of  policy,  the  PV  technology  will  contribute  with  about  7-­‐

11%  of  the  total  European  electricity  demand  in  2030  (EPIA  2014).  

 

 

Figure  1.1:  Plot  showing  the  predicted  PV  market  (cumulative)  development  in  Europe.  Figure  is  taken  from   (EPIA  2014)  p.32.  

 

The  total  capacity  in  Norway  is  about  11  MW,  whereas  0.6  MW  was  installed  in  2013   (IEA  2013).  

The  sun  is  an  unlimited  resource.  Still,  typical  cell  efficiencies  are  16-­‐24%.  The  

efficiency  is  measured  as  the  percentage  of  sunlight  that  can  be  converted  to  electricity   by  a  solar  cell  under  ideal  standardized  illuminating  conditions.    

(10)

Since  1990,  a  combination  of  increased  solar  cell  efficiencies  and  cost  reduction  due  to   decreased  wafer  thickness  and  decreasing  silicon  prices  has  reduced  the  price  of  solar   cells  (ISE  2014).  

Even  though  the  sun  is  an  unlimited  resource,  there  are  several  external  factors,  such  as   shade  caused  by  environmental  factors,  and  shade  from  the  surrounding  objects  that   might  interfere  with  sunlight  interacting  with  PV  systems.    

Environmentally  caused  shade  due  to  snow,  ice,  frost,  dust,  pollution,  sand,  pollen,  leafs   and  bird  droppings  that  accumulate  on  module  glasses  are  to  a  large  extent  difficult  to   predict.  In  the  PV  industry,  the  word  soiling  is  used  to  describe  this  broad  term.  Due  to   different  climate  and  topographies  around  the  world,  the  power  losses  caused  by  soiling   vary  to  a  large  extent.  Studies  on  soiling  accumulation  have  mainly  been  carried  out  in   the  Middle  East  and  California.    

In  Norway,  the  development  of  the  solar  industry  is  at  an  early  stage,  and  there  is  little   knowledge  about  the  power  losses  directly  related  to  the  soiling  accumulation  due  to   the  Norwegian/Scandinavian  climate.  In  countries  like  Norway,  snowfall  is  assumed  to   cause  the  highest  annual  power  loss,  due  to  the  frequency  of  the  snowfall  and  the   duration  of  the  winter.  Little  knowledge  about  how  snow  accumulates  on  tilted  PV   modules  and  how  this,  often  partial,  shading  affects  the  power  output  on  modules   results  in  uncertain  expected  power  productions.    

Figure  1.2  shows  mean  values  of  insolation  measured  at  a  PV-­‐plant  at  Evenstad  in   Norway,  by  a  pyranometer  tilted  on  rooftop  (Sunny  Portal).  As  it  appears,  the  insolation   level  is  low  during  winter  months  such  as  October-­‐February  and  is  significantly  higher   in  March-­‐September.    

(11)

 

Figure  1.2:  Mean  values  of  insolation  (W/m2)  measured  at  Evenstad  by  tilted  pyranometer  (Sunny  Portal).    

 

The  electricity  needs  are  at  its  highest  during  winter  months  in  Norway,  and  in  these   months  the  power  produced  from  PV-­‐plants  will  be  low.  During  winters  with  frequent   snowfall,  the  power  production  can  at  times  be  close  to  zero.  Thus  in  the  absence  of   power  production  from  the  PV-­‐plant,  the  demand  of  external  power  supply  increases.  

There  is  little  knowledge  whether  snow  removal  is  cost  effective  compared  with  the   cost  of  additional  electricity  during  the  winter.  Little  knowledge  and  experience  on  this   subject  of  matter  might  lead  to  great  economic  loss  for  installers  and  investors.  This   particularly  applies  in  periods  from  March  to  April,  because  of  relatively  high  insolation   levels,  and  periods  of  snowmelt,  where  snow  may  partially  cover  PV-­‐modules  and  cause   large  power  losses.  

In  order  to  limit,  or  predict  these  power  losses  it  is  necessary  to  understand  the   behavior  of  a  PV  system  under  these  conditions.  Field-­‐testing  can  be  expensive,  and   requires  supervision,  and  the  results  do  not  necessarily  apply  to  other  locations.  A   simulation  model  is  therefore  an  important  tool  to  understand  the  behavior  of  a  PV   system,  and  also  to  predict  the  power  losses  due  to  the  effects  of  shading.    

   

(12)

1.2 Thesis  statement  

The  thesis  addresses  two  goals.    

The  first  goal  is  to  construct  a  simulation  model  to  predict  the  effects  of  shading  on  a  PV   module,  which  can  also  handle  complex  partial  shading  conditions.  The  simulation   results  are  compared  with  experimental  results  to  verify  the  model  accuracy.  The  term   shading  can  be  divided  into  two  parts;  shading  in  terms  of  hard  and  soft  shade.  The  soft   shade  represents  the  case  of  some  degree  of  transmission  through  the  shaded  area,  and   the  hard  shade  represents  the  case  of  no  transmission  through  the  shaded  area.    

The  second  goal  of  this  thesis  is  establish  an  experimental  basis  for  quantifying  the   transmission  losses  due  to  the  natural  accumulation  of  soiling  in  Norway.  The  soiling   accumulation  is  caused  by  several  typical  Norwegian  weather  conditions  in  the  period   of  October-­‐November.  The  simulation  model  will  also  be  used  to  apply  soft  shade  due  to   snow  coverage  on  PV  modules,  and  to  predict  the  power  losses  this  leads  to.      

 

1.3 Thesis  structure    

The  structure  of  this  thesis  is  as  follows:  

Chapter  1:  In  this  chapter  the  thesis  statement  is  defined,  thereby  the  goals  for  this   project.  A  motivational  background  is  presented.  

Chapter  2:  In  this  chapter,  the  theoretical  background  that  is  required  to  understand   the  methodology  and  experiments  that  are  set  up  in  this  thesis.  Physics  of  solar  cells,   and  definitions  related  soiling  and  shading  are  presented.  Previous  work  and  studies  of   relevance  to  this  thesis  are  presented.  

Chapter  3:  In  this  chapter  the  experimental  methodology  is  presented.  The  simulation   program  LTspice  is  introduced  and  shade  implementation  in  the  mode  is  defined.  

The  experimental  setup  for  the  experiments  carried  out  to  quantify  the  transmission   losses  due  to  soiling  accumulation  is  presented.  In  this  chapter  the  procedure  for  using   the  simulation  model  to  predict  power  losses  due  to  snow  accumulation  is  presented,   and  how  this  is  applied  to  a  specific  scenario  at  a  PV-­‐plant  at  Evenstad  is  presented.  

(13)

Chapter  4:  Simulation  results,  and  experimental  results,  carried  out  according  to  the   methodology  described  in  Chapter  3  are  presented  and  discussed.    

Chapter  5:  An  overall  conclusion  for  this  thesis  is  given.  

Further  work:  Suggested  further  work  is  presented  

Appendix:  All  relevant  appendixes  is  included  is  this  section.    

   

(14)

2 Theoretical  background  

In  this  chapter,  the  theory  required  to  understand  the  methodology  and  the  

experiments  in  this  thesis  is  given.  There  are  many  theoretical  aspects  related  to  the  PV   technology,  and  in  this  chapter  some  brief  introductions  are  given  to  some  of  these   theoretical  aspects,  with  references  to  further  literature.  In  order  to  understand  the   effect  of  shading  on  PV  modules,  and  the  theoretical  assumptions  made  to  construct  the   simulation  model,  electronics  related  to  solar  cells  and  PV  modules  are  presented.  Some   subjects  within  optics  are  presented  in  order  to  understand  how  soiling  accumulates  on   a  module  glass,  and  how  this  affects  the  transmission  through  the  glass.  All  the  I(V)-­‐  and   P(V)-­‐  plots  in  this  chapter  are  modeled  using  the  simulation  tool  LTspice.  The  I(V)-­‐plot   expresses  the  current  I  as  a  function  of  the  voltage  V,  and  P(V)  is  the  power  output  P  as   a  function  of  V.  For  further  information  on  LTspice,  see  chapter  3.1.  

 

2.1 Definitions  related  to  solar  radiation    

2.1.1 Reference  solar  spectra  

The  optical  path  length  light  travels  through  the  Earth's  atmosphere  can  be  defined  as   the  irradiance  per  unit  area  (W/m2).  With  no  atmosphere  to  pass  through,  the  Air  Mass   is  defined  as  0  (AM0).  This  defines  the  spectra  just  outside  the  atmosphere  (Chen  2011).  

 AM  is  in  general  a  measurement  of  the  atmospheric  length  the  light  travels  when  the   sun  is  at  zenith  angle  𝜃,  the  angle  given  by  the  position  of  the  sun  relative  to  the   perpendicular  position  of  the  sun  (Chen  2011).  A  standardized  measure  for  

representing  the  mid-­‐latitudes,  in  the  case  of  1.5  atmosphere  thickness,  is  the  AM1.5G   spectra.  This  is  used  by  the  solar  energy  industry  as  a  reference  spectrum.  The  

corresponding  zenith  angle  to  this  atmospheric  length  can  be  expressed  by      

 

  𝐴𝑀=   1

cos  (𝜃).   2.1  

(15)

By  inserting  1.5  as  the  value  of  AM,  and  solving  the  equation  for  𝜃,  AM1.5G  corresponds   to  a  zenith  angle  of  48.2  degrees.  

Global  radiation  is  defined  as  the  sum  of  diffuse  and  direct  radiation  (Markvart  2000).  

The  G  in  AM1.5G  specifies  that  the  spectrum  is  for  global  radiation.  Using  a  

pyranometer,  which  measures  the  incoming  radiation  per  unit  area,  on  a  horizontal  or   tilted  surface,  global  radiation  can  be  measured.  These  measurements  are  locally  

dependent  on  the  solar  altitude,  and  weather  conditions  limiting  the  incoming  radiation,   such  as  cloud  formation  and  the  presence  of  aerosols  in  the  air.    

The  intensity  of  sunlight  as  a  function  of  wavelength  is  shown  in  Figure  2.1  for  the   AM1.5G  spectrum.  

 

Figure  2.1:  Intensity  of  sunlight  (W/m2nm)  as  a  function  of  wavelength,  representing  the  AM1.5  spectra   (International  ISO  9845-­‐1  AM1.5G  spectra  1992).  

 

The  AM1.5G  spectra  includes  several  atmospheric  effects,  see  Chen  (2011)  further   literature.  The  integrated  power  of  the  AM1.5G  spectra  is  about  1000  W/m2  according   to  the  ASTM  G-­‐173-­‐03  (International  ISO  9845-­‐1  AM1.5G  spectra  1992),  and  is  often   referred  to  as  1  sun.

   

0   0,2   0,4   0,6   0,8   1   1,2   1,4   1,6   1,8  

0   500   1000   1500   2000   2500   3000   3500   4000  

Intensity  (W/m2nm)  

Wavelenght  (nm)  

AM1.5G  

(16)

The  intensity  of  light  can  also  be  expressed  by  the  intensity  of  photons  (#photons/m2s)   the  sun  emits  per  wavelength.  Since  the  energy  of  the  photons  is  wavelength  dependent,   the  spectra  will  look  different  than  the  spectra  for  the  intensity  of  light  (W/m2).  The   AM1.5  spectra  with  the  intensity  of  sunlight  in  W/m2nm  will  be  used  further  in  this   thesis.  

 

2.1.2 Absorptance,  reflectance  and  transmittance  

Sunlight  interacts  with  matter  by  reflecting,  absorbing  and  transmitting  the  incident   light.  The  reflectance  (r)  absorptance  (a)  and  transmittance  (t)  are  wavelength   dependent  fractions.  Assuming  that  all  incoming  radiation  from  the  sun  at  a  specified   wavelength  will  interact  with  matter,  the  energy  is  conserved.  Thus  the  fractions  will   equal  to  1  (Chen  2011),  and  can  be  expressed  according  the  following  equation    

  𝑎 𝜆 +𝑟 𝜆 +𝑡 𝜆 = 1.   2.2  

 

Figure  2.2  illustrates  how  incoming  radiation  perpendicular  to  a  surface  transmits  a   larger  fraction  of  the  incoming  radiation,  and  reflects  and  absorbs  a  smaller  fraction:  

 

Figure  2.2:  Sketch  of  how  incoming  radiation  is  reflected,  absorbed  and  transmitted  on  surfaces  such  as  glass.  

(17)

Examples  of  matter  that  interacts  in  a  similar  manner  as  the  above  figure  are  glass  and   other  transparent  surfaces.  It  is  for  this  thesis  important  to  distinguish  between  the   terms  transmittance  and  transmission.  Transmission  is  defined  as  an  overall  

measurement  of  how  much  incident  light  that  passes  through  a  surface.  Transmittance   can  be  defined  as  the  fraction  of  incident  light  with  a  defined  wavelength  that  passes   through  a  surface.  

 

2.2 Physics  of  solar  cells  

Solar  radiation  can  be  converted  to  electricity  by  the  photovoltaic  effect,  using  a  solar   cell  as  an  electrical  device.  In  this  subsection  provides  an  overview  of  the  structure  and   property  of  the  solar  cell  and  the  PV  module  consisting  of  several  series  connected  solar   cells.    

 

2.2.1 Semiconductors  

A  semiconductor  is  the  main  component  in  a  solar  cell.  Semiconductors  have  the   property  of  having  a  narrow  energy  gap  (Green  1982).  There  are  several  types  of  

semiconductors  that  are  suitable  as  solar  cells,  as  they  have  material  characteristics  that   fit  the  spectra  of  available  sunlight.  Examples  of  materials  are  crystalline  silicon,  and   thin  film  materials  like  CdTe,  CIGS,  a-­‐Si  and  GaAs.  In  2014,  silicon  based  solar  cells   represent  about  90%  of  the  total  market  (ISE  2014).  

 

2.2.2 Solar  cell  

The  energy  of  the  electrons  in  the  crystal  structure  of  the  semiconductor  material  is   aligned  in  defined  bands;  the  valence  band  and  the  conduction  band.  The  band-­‐gap   between  these  two  bands  represents  an  energy  state  the  electrons  cannot  occupy.  The   band  gap  for  crystalline-­‐Si  is  about  1.11  eV  which  represents  the  minimum  energy   required  to  excite  an  electron  from  the  covalent  band  to  the  conduction  band  (Chen   2011).  The  valence  band  represents  the  band  of  energy  states  containing  valence   electrons.  The  next  higher  energy  state  is  the  conduction  band,  where  the  electron  has   the  energy  level  required  to  move  freely.    

(18)

A  full  valence  band  prevents  the  electrons  from  being  able  to  move.  Thus,  a  pure  

semiconductor  is  really  an  insulator  (Markvart  2000).  To  make  semiconductors  able  to   conduct,  the  material  can  be  infused  with  impurities.  Silicon  has  four  outer  electrons,   bonded  within  covalent  bonds  in  the  crystal  structure.  As  the  most  common  appliance,   group  IV  atoms  such  as  phosphorus  are  added  to  silicone  as  the  phosphorous  atoms   contributes  fill  the  rest  of  the  valence  band  and  leaves  one  electron  to  the  conduction   band.  This  result  in  a  surplus  of  electrons,  thus  an  n-­‐type  material  is  created.  Adding   group  III  atoms  like  boron  to  silicon  creates  the  p-­‐type  material,  with  a  surplus  of  holes,   as  four  electrons  are  required  to  fill  the  valence  band  but  boron  only  has  three  (Green   1982).  When  the  p-­‐type  and  the  n-­‐type  material  are  brought  together,  excess  electrons   from  the  surface  of  the  material  diffuse  from  the  n-­‐type  material  to  the  p-­‐type  material.  

This  results  in  a  layer  of  phosphorus  ions,  which  are  positive  charged.  The  excess  holes   from  the  surface  of  the  p-­‐type  material  diffuse  into  the  n-­‐type  material,  leaving  a  layer   of  negatively  charges  boron  ions  (Markvart  2000).  This  build  in  potential  makes  the  pn-­‐

junction  work  as  a  diode.  The  pn-­‐junction  is  the  main  element  of  a  solar  cell.  

Further  and  more  detailed  literature  on  this  subject  can  be  found  in  chapter  2  in  (Green   1982).  

A  standard  Si-­‐solar  cell  is  made  from  a  wafer,  based  on  materials  like  mono-­‐  or  multi-­‐

crystalline  silicon  with  contact  grids  (most  commonly  two  to  three  vertical  lines)  made   from  busbars,  and  fingers  (several  horizontal  lines).  The  thickness  of  the  solar  cells  are   continuously  decreasing,  and  is  today  about  180-­‐200  µm  thick,  see  Figure  2.3.  

 

Figure  2.3:  Sketch  of  a  6’’  multi-­‐crystalline  Si-­‐solar  cell,  with  contact  grid  and  fingers,  size  and  the   approximate  thickness  of  a  cell.  Picture  from  (IFE  Department  for  Solar  Energy).  

(19)

2.3 The  two  diode  model  

The  solar  cell  is  a  complex  device  that  converts  sunlight  into  electricity.  By  treating  the   solar  cell  as  an  electrical  circuit,  the  behavior  of  a  solar  cell  can  be  further  examined.  An   accurate  model  is  to  treat  the  solar  cell  as  an  equivalent  circuit  consisting  of  two  diodes,   one  representing  current  losses  due  to  diffusion  (diode  1)  and  the  second  diode  

represents  current  losses  due  to  charge  recombination  losses  (diode  2).  Further  and   more  detailed  literature  on  these  losses  can  be  found  in  Markvart  (2000).  This  model  is   known  as  the  two-­‐diode  model.  The  electrical  circuit  for  this  model  is  illustrated  in   Figure  2.4:  

 

Figure  2.4:  The  two-­‐diode  model  equivalent  circuit  to  a  solar  cell.  

The  series  resistance  Rs  and  the  shunt  resistance  RSH,  represent  resistances  related  to   certain  power  losses,  which  will  be  further  described  in  the  upcoming  subchapter.      

Based  on  Kirchhoff’s  law,  the  current  generated  a  solar  cell  can  according  to  the  two-­‐

diode  model  be  expressed  by  the  following  equation:  

 

  𝐼 =𝐼!"−𝐼!"(𝑒!!!!!! !" −1)−𝐼!"(𝑒!!!!!! !!" −1)−!!!!! !

!" .        2.3  

 

In  the  above  equation,  V  is  the  voltage,  I  is  the  current  generated  by  the  solar  cell,  ISC  is   the  short  circuit  current,  T  is  the  cell  temperature,  and  q  is  the  electron  charge  and  k  is   the  Boltzmann  constant.  I0  and  I02  is  the  diode  saturation  current  of  diode  1  and  2   respectively.    

(20)

The  relationship  between  current  and  current  density  is    

  𝐼=𝑗𝐴,   2.4  

     

where  j  is  the  current  density  (A/m2)  and  A  is  the  total  area  of  the  solar  cell.    

From  equation  2.3  it  is  clear  that  the  currents  through  the  two  diodes  are  expressed  by   exponential  factors,  which  are  dependent  on  V,  I,  Rs,  and  T.  For  diode  1,  the  ideal  diode   factor  n  equals  to  1.  For  diode  2,  the  ideal  diode  factor  n  equals  to  2.  These  factors  are   expressed  as  the  factors  next  to  the  kT  expression  under  the  fraction  line.  Equation  2.3   is  implicit  and  numerical  methods  are  needed  to  solve  it.    

The  short  circuit  current  is  the  highest  possible  current  generated  by  a  solar  cell  and   will  for  an  ideal  solar  cell  equal  the  light  generated  current  IL.  This  is  at  the  scenario   when  RS=0  and  I02=0,  at  V=0  (Castaner  &  Silvestre  2003):  

 

  𝐼! =𝐼!"−𝐼!"(𝑒!!!! !" −1)−0(𝑒!!!!! !!" −1)−0+𝐼0

𝑅!" =  𝐼!".   2.5  

 

In  exception  from  ISC,  the  parameters  in  equation  2.4  are  usually  not  available  on   commercial  datasheets  for  PV  modules  or  solar  cells.  

 

2.3.1 Parameters  of  the  two-­‐diode  model    

In  this  sub-­‐chapter  the  parameters  in  the  two-­‐diode  model  will  be  further  examined.  All   the  following  plots  presented  are  simulation  results  from  the  model  constructed  in   LTspice  IV,  as  described  further  in  chapter  3.1.    

By  plotting  the  output  current  as  a  function  of  the  voltage,  solar  cells  characteristics  can   be  determined.  This  plot  is  known  as  an  I(V)-­‐plot  for  a  solar  cell.  As  a  reference,  

manufacturers  provide  technical  data  under  standard  test  conditions  (STC).  STC  is  a   condition  defined  as  an  irradiance  of  1000W/m2  (AM1.5G)  and  cell  temperature  25°C.  

The  most  common  characterizing  parameters  related  to  electricity  production  from  a   solar  cell  is  the  open-­‐circuit  voltage  VOC,  the  short  circuit-­‐current  ISC  and  the  maximum  

(21)

power  point  Pmax.  The  open  circuit  voltage  is  the  highest  voltage  across  the  cell   terminals,  and  occurs  when  the  net  current  generated  equals  to  zero.  These  

characteristic  points  on  an  I(V)-­‐  and  P(V)  plot  of  a  solar  cell  under  STC  is  shown  in   Figure  2.5:  

 

 

Figure  2.5:  Simulated  I(V)-­‐  and  P(V)-­‐plot  for  a  single  solar  cell  under  STC.  

The  power  produced  from  a  solar  cell  is  the  product  between  the  output  current  and  the   voltage.  

  𝑃= 𝐼𝑉   2.6  

 

The  maximum  output  power  from  a  solar  cell  is  expressed  in  peak  watts,  Pmax,  and  is   located  at  the  point  where  the  product  between  I  and  V  as  at  its  highest:    

 

  𝑃!"# =𝐼!"#𝑉!"#   2.7  

   

(22)

Pmax  is  located  at  the  peak  of  the  P(V)-­‐plot,  as  seen  Figure  2.5.    

 

According  to  the  two-­‐diode  model,  there  are  several  parameters  that  cause  losses  in   both  current  and  voltage.  All  the  following  plots  presented  in  this  section  are  simulation   results  in  terms  of  I(V)-­‐plots  from  LTspice  model  for  various  parameter  values  at  STC   unless  otherwise  is  stated.  These  simulation  results  provide  an  understanding  of  how   the  parameters  affect  both  the  current  and  voltage.  As  a  manufacturer  does  not  

commercially  provide  these  data,  the  results  from  these  plots  are  used  to  determine  the   values  of  the  parameters  in  the  two-­‐diode  model  so  they  fit  the  other  provided  technical   data  at  STC  for  a  given  module  that  will  be  further  described  in  chapter  3.1.  

The  series  resistance  is  resistances  from  contributions  such  as  busbars  and  the  contact   between  metal  grids  and  silicon  (Castaner  &  Silvestre  2003).  The  impact  of  the  series   resistance  is  illustrated  by  the  I(V)-­‐plots  for  various  series  resistances  in  Figure  2.6.    

 

 

Figure  2.6:  Simulated  I(V)-­‐plot  for  various  series  resistances  Rs  (Ω)  at  STC.  

It  appears  from  the  above  figure  that  values  for  RS  in  the  range  of  0.0001Ω  ≤  Rs  ≤  0.001Ω   does  not  cause  any  drastically  impacts  on  the  I(V)-­‐plot.  For  Rs  higher  than  0.1,  the  slope   is  drastically  changed.  Thus  RS  is  assumed  to  be  less  than  0.1  for  modern  solar  cells.  

0,00   1,00   2,00   3,00   4,00   5,00   6,00   7,00   8,00   9,00   10,00  

0,000   0,100   0,200   0,300   0,400   0,500   0,600   0,700  

Current  (A)  

Voltage  (V)  

Effect  of  the  series  resistance  R

S

 

Rs=0.0001   Rs=0.001   Rs=0.01   Rs=0.1   Rs=1  

(23)

Resistance  contributions  from  manufacturing  defects  are  parameterized  as  a  shunt   resistance  (Castaner  &  Silvestre  2003).  For  solar  cells  with  low  shunt  resistance,  the   light  might  be  provided  an  alternative  path,  thus  a  high  RSH  is  preferred.    

The  effect  of  various  shunt  resistances  on  a  single  solar  cell  is  illustrated  by  the  I(V)-­‐

plots  presented  in     Figure  2.7:  

 

Figure  2.7:  Simulated  I(V)-­‐plot  for  various  values  for  the  shunt  resistance  RSH  (Ω)  at  STC.  

The  above  figure  shows  that  the  plots  will  be  close  to  identical  for  values  for  RSH   between  100Ω  and  10  000Ω,  thus  RSH  is  assumed  to  be  higher  than  100Ω  for  modern   solar  cells.  Values  within  this  range  will  cause  little  impact  on  the  I(V)-­‐plot.    

   

0,00   1,00   2,00   3,00   4,00   5,00   6,00   7,00   8,00   9,00   10,00  

0,000   0,100   0,200   0,300   0,400   0,500   0,600   0,700  

Current  (A)  

Voltage  (V)  

Effect  of  the  shunt  resistance  R

SH

 

Rsh=10  000   Rsh=1000   Rsh=100   Rsh=10   Rsh=1   Rsh=0.1  

(24)

The  effect  of  the  diode  saturation  current  density  parameter  j02  in  the  two-­‐diode  model,   which  represents  charge  recombination  losses,  is  illustrated  in  Figure  2.8:    

 

Figure  2.8:  Simulated  I(V)-­‐plot  for  various  saturation  current  densities  for  diode  2.    

   

0,00   1,00   2,00   3,00   4,00   5,00   6,00   7,00   8,00   9,00   10,00  

0,000   0,100   0,200   0,300   0,400   0,500   0,600   0,700  

Current  (A)  

Voltage  (V)  

Effect  of  j

02

 

I(V):1E-­‐10  A/cm2   I(V):1E-­‐7  A/cm2   I(V):1E-­‐5  A/cm2   I(V):1E-­‐3  A/cm2  

(25)

The  effect  of  the  diode  saturation  current  density  parameter  j0  in  the  two-­‐diode  model,   which  represents  the  effect  of  diffusion  losses,  is  illustrated  in  Figure  2.9:    

 

Figure  2.9:  Simulated  I(V)-­‐plot  for  various  saturation  current  densities  for  diode  1.  

 

It  appears  in  Figure  2.8  and  Figure  2.9  that  by  decreasing  the  diode  saturation  current   density,  the  voltage  generated  by  the  solar  cell  will  increase.  Due  to  the  fact  that  the   diode  factor  n  of  diode  2  equals  2,  and  n  of  diode  1  equals  1,  they  will  have  a  different   impact  on  the  I(V)-­‐plot.  As  it  appears,  diode  2,  representing  recombination  losses  will   cause  a  higher  impact  on  the  voltage  generated  by  the  solar  cell  than  the  losses  due  to   diffusion.  These  parameter  values  should  be  chosen  so  that  the  I(V)-­‐plot  fit  VOC  provided   by  the  manufacturer.  

The  voltage  generated  by  a  solar  cell  is  also  temperature  dependent.  The  cell   temperature  does  not  equal  to  the  ambient  air  temperature,  as  solar  cells  is  heated   when  illuminated.  NOTC  (Normal  Operating  Test  Conditions)  is  the  electrical  data   provided  at  irradiance  800W/m²  and  ambient  temperature  20°C,  wind  speed  1m/s  and   AM1.5  (PVeducation).    

 

0,00   1,00   2,00   3,00   4,00   5,00   6,00   7,00   8,00   9,00   10,00  

0,000   0,100   0,200   0,300   0,400   0,500   0,600   0,700  

Current  (A)  

Voltage  (V)  

Effect  of  j

o

 

I(V):  1E-­‐12  A/cm2  

I(V):  1E-­‐10  A/cm2  

I(V):  1E-­‐7  A/cm2  

I(V):  1E-­‐5  A/cm2  

(26)

The  linear  relationship  between  the  cell  and  ambient  temperature  can  be  described  as    

  𝑇!"## = 𝑇!"#  𝑇!"#$ −20°𝐶

800𝑊/𝑚² 𝐺,    

2.8  

where  𝑇!"#$  is  the  cell  temperature  given  at  NOTC  and  𝑇!"##  is  the  cell  temperature,  and   G  is  the  irradiance  and  𝑇!"#  is  the  ambient  temperature  for  the  condition  the  cell  

temperature  corresponds  to.    

The  I(V)-­‐plots  for  a  solar  cell  at  various  cell  temperatures  is  shown  in  Figure  2.10:  

 

Figure  2.10:  Simulated  I(V)-­‐plot  for  various  cell  temperatures.  

 

As  seen  in  Figure  2.10,  VOC  decreases  for  increasing  cell  temperature,  thus  Pmax  decreases   for  increasing  temperature.  

   

0,00   1,00   2,00   3,00   4,00   5,00   6,00   7,00   8,00   9,00   10,00  

0,000   0,100   0,200   0,300   0,400   0,500   0,600   0,700  

Current  (A)  

Voltage  (V)  

Temperature  effects  

I(V):  0°C   I(V):  10°C   I(V):  20°C   I(V):  30°C   I(V):  40°C  

(27)

2.4 PV  module    

The  voltage  from  one  solar  cell  alone  is  not  enough  for  common  appliances.  By  

connecting  several  solar  cells  in  series,  the  terminal  voltage  is  multiplied  by  the  number   of  cells  that  are  connected.  Due  to  the  series  connection,  the  total  current  will  be  the   same  regardless  of  how  many  cells  connected.  

Solar  cells  are  sensitive,  and  the  materials  are  easily  affected  by  the  surroundings.  

Therefore,  the  connected  cells  are  covered  with  glass  surrounded  by  a  metal  frame.  The   cells  are  most  commonly  encapsulated  by  ethylene-­‐vinyl  acetate  plastic  (EVA)  

(Markvart  2000).  Silicon  has  a  reflectance  coefficient  at  approximately  0.34  (Chen   2011),  and  an  anti-­‐reflection  coating  (ARC)  is  necessary  to  reduce  the  reflectance  on  the   surface.  For  further  physics  of  ARC  see  chapter  9  in  (Chen  2011).  

For  most  common  applications,  the  backside  of  the  PV  module  consists  of  a  second  layer   of  EVA  and  a  back  sheet  layer.  See  Figure  2.11  for  a  basic  illustration  of  the  layers:  

 

Figure  2.11:  Cross  section  to  illustrate  the  layers  of  a  standard  PV  module.  

 

The  current  output  by  a  PV  module  is  direct  current  (DC),  and  by  connecting  an  inverter   to  a  PV  module,  the  current  can  be  converted  into  alternating  current  (AC),  to  be  

compatible  with  the  power  grid.  The  inverter  also  has  a  maximum  power  point  tracker   (MPPT).  The  MPPT  detects  the  voltage  and  current  that  provides  the  maximum  power   output.      

Several  solar  cells  connected  together  are  referred  to  as  a  string.  A  PV  module  usually   consists  of  several  strings  connected  in  series  and  with  bypass  diodes  connected  in   parallel  to  each  string.  The  most  common  application  is  one  bypass  diode  connected  to   each  string.    

(28)

The  purpose  of  connecting  bypass  diodes  to  a  PV  module  is  to  reduce  damages  and   power  losses  due  to  shading,  which  will  be  further  described  in  the  next  sub-­‐chapter.  

 

2.5 Shading    

The  definition  of  shade  needs  to  be  divided  into  two  terms,  as  the  two  terms  have   different  impacts  on  a  solar  cell,  or  PV  module.  Soft  shade  is  defined  as  a  shade  causing  a   transmission  drop  through  a  defined  area.  Hard  shade  is  defined  as  an  object  completely   blocking  the  incoming  light,  resulting  in  no  transmission  through  a  defined  area.    

A  basic  illustration  of  how  sunlight  is  transmitted,  reflected  and  absorbed  by  a  surface   such  as  glass  covered  with  hard  and  soft  shade  is  shown  in  Figure  2.12:  

 

 

Figure  2.12:  Basic  illustration  of  how  hard  shade  (left),  and  soft  shade  (right)  affects  the  transmitted  sunlight   through  a  surface.    

 

Soft  shade  might  cover  a  solar  cell  or  PV  module  uniformly,  with  the  same  overall   reduced  transmission  over  the  entire  module  area.  If  a  solar  cell  or  module  is  shaded   partly,  a  defined  area  of  the  module  has  reduced  transmission.    

   

(29)

I(V)-­‐plots  of  a  single  solar  cell  at  various  uniform  irradiance  G,  with  cell  temperature   25°C  is  shown  in  Figure  2.13:  

 

Figure  2.13:  Simulated  I(V)-­‐  plots  of  a  single  solar  cell  for  irradiances  200,  400,  600,  800  and  1000W/m2  at   temperature  25°C.  

As  it  appears  in  the  above  figure,  the  short  circuit  current  is  proportional  to  the   irradiance.  Hence,  this  relationship  can  to  a  good  approximation  be  expressed  as    

  𝐼!" 𝐺 = 𝐼!",!"#

1000 ∗𝐺    

2.9  

 

The  irradiance  will  also  affect  the  VOC,  but  not  to  the  same  extent  as  the  ISC.  VOC  is  a   logarithmic  function  of  irradiance.  See  Castaner  and  Silvestre  (2003)  for  derivation.    

 

2.5.1 Partial  shade  

Partial  shade  is  defined  as  shade  partially  covering  a  defined  area  of  a  solar  cell  or  PV   module.  Partial  shade  applied  to  PV  modules  might  result  in  complex  I(V)-­‐  and  P(V)-­‐

0,00   1,00   2,00   3,00   4,00   5,00   6,00   7,00   8,00   9,00   10,00  

0,000   0,100   0,200   0,300   0,400   0,500   0,600   0,700  

Current  (A)  

Voltage  

Irradiance  effects  

I(V):200W/m2   I(V):400W/m2   I(V):600W/m2   I(V):800W/m2   I(V):1000W/m2  

Referanser

RELATERTE DOKUMENTER

The objectives are: (1) Establish a revised methodology (compared to the 1990 calculations) for nitrogen (N) and phosphorus (P) losses, (2) calculate total losses of N and

Figure 5.10: Transmission loss and transmission loss difference plots from LYBIN runs using the first (true) and second (false) sound speed profile from CTD-line 1 in the Poseidon

We have studied substrates with rough surfaces due to rough polishing or etching: A substrate with flat transmission spectra was Everson etched resulting in an increased

The SPH technique and the corpuscular technique are superior to the Eulerian technique and the Lagrangian technique (with erosion) when it is applied to materials that have fluid

This causes an exacerbation of failure bunching effects, increasing the risk of blackouts, or High Impact Low Probability (HILP) events. This paper describes a

We then apply the approach for generating P I ∗ signals de- scribed above to each of the initial 16 model fits, thus generating a predefined number (M) of bootstrap samples. The

If the array is cleaned every 30 days, a constant soiling rate of 0.4%/day amounts to a 12% power loss at the end of the soiling period, and on aver- age a 6% production loss

Abstract—Due to the fast growth in global installed photovoltaic (PV) capacity, performance monitoring for large-scale PV systems is an increasingly relevant and important topic.