Vertical bifacial photovoltaic system

Abstract

Työn tavoitteena oli rakentaa pystyyn asennettu kaksipuolinen aurinkosähköjärjestelmä osana Turun ammattikorkeakoulun aurinkosähkötutkimusta. Työ tehtiin yhteistyössä amerikkalaisen Sandia National Laboratories:in kanssa, ja he tulevat käyttämään järjestelmän tuottamaa dataa mallintaakseen kaksipuolisten aurinkopaneelien potentiaalia globaalisti. Kaidemuotoiseen järjestelmään rakennettiin myös mittausjärjestelmä, joka kykenee mittaamaan jokaisen moduulin sähkötehoa, lämpötilaa ja vertailtavaa säteilytehoa molemmilta puolilta järjestelmää. Projektin tarkoituksena oli tutkia tällaisen järjestelmän kannattavuutta sekä tuoda esiin esimerkkejä ja yksityiskohtia käytännön kautta. Tämän lisäksi työ sisältää alustavaa tuotannon analysointia sekä teoreettisen vertailun kyseisen systeemin omakäyttöasteesta, jossa käytettiin kulutuksena keskiarvoista suomalaiskotitaloutta.

Järjestelmä toimii kuten suunniteltu. Mittausjärjestelmä on toiminut luotettavasti eikä järjestelmässä ei ole havaittavissa vakavaa varjostusta. Suunnittelun ja rakentamisen aikana ilmenneitä kriittisiä alueita ovat varjostusten minimointi sekä rakennushetkellä tarvittavat muutostyöt kaupallisesti saataviin komponentteihin.

Omakäyttöasetta verrattiin lähes etelään (220°) suunnattuun yksipuoliseen aurinkopaneeliin. Rakennetun tutkimusjärjestelmän teoreettinen omakäyttöaste oli 8-16% suurempi kuin etelään suunnatun verrokin. Ero oli riippuvainen järjestelmän mitoituksesta: Mitä suurempi järjestelmän mitoitus oli, sitä paremmin kaksipuolinen järjestelmä suoriutui verrattuna yksipuoliseen. Ero oli suurin, kun järjestelmä oli mitoitettu 70% tai 105% kulutuksesta. Mitoituksen mennessä yli 105%, ei ero enää kuitenkaan kasvanut.

The objective of the thesis was to construct a railing of bifacial photovoltaic modules and measurement- and data collection system at a location in Southern Finland (60°N 22°E). Measurement system included module level power, module temperature and string level irradiance -measurement from both sides of the system. Measurements were taken every second. By so, it was possible to study about the usability of this kind of technology commercially, as well as to present best practices when designing and building such a system. Additionally, a preliminary performance analysis and conformity of the sunny day production curve and average Finnish household consumption curve was studied.

The thesis was made in Turku University of Applied Science Solar laboratory, in an international collaboration with Sandia National Laboratories, which uses the data produced to understand the factors that affect the power production of bifacial photovoltaics. The result suggest that the system is performing as desired. Measurement and data collection system has been reliable. No severe shadowing was observed in the module level production graphs. The experience gained from building this system also note, that it is important to consider the shading of the mounting fixtures as well as the rack itself when designing a bifacial system. For vertical system, surrounding objects shading are also as important as for tilted systems. Standards and best practices regarding such system were also considered to be not efficient for commercial systems at the time of building, as customizations had to be made for components of the system.

The systems self-consumption potential in sunny weather situation was 8-16% better than the compared near South facing monofacial system, depending from the sizing of the system: The larger the peak power of the system compared to the consumption, the more did the bifacial system gain advantage. Biggest difference in this system was found when the system was sized 70% and 105% of the consumption. Going beyond 105% did not increase the advantage of the bifacial any further.