Applicability of Existing Photovoltaic Module Temperature Model Parameters to Bifacial Solar Panels

Abstract

The bifacial solar cell technologies have been gaining interest in renewable energy sector due to their ability to absorb irradiance from both front and rear surfaces and, thus, increase the total energy production. In addition, the vertically installed bifacial panels can be used to balance the mismatch between energy consumption and production. Modeling the operation of commercial solar panels is important for predicting both instantaneous and long-term performance, but also for comparing the profitability of various technologies. Due to the temperature dependence of electrical efficiency, understanding the thermal behavior of solar panels is essential. In the performance models of bifacial solar panels, the impact of operating temperature on efficiency is often estimated using semi-empirical temperature models initially designed for monofacial panels. However, the applicability of these temperature model parameters to bifacial panels has not been extensively studied.

In this thesis, the thermal model, built using COMSOL Multiphysics, and the PVLib irradiance model are applied to simulate the operating temperatures of solar panels with different installation configurations in varying ambient conditions. The simulated temperature data is used to determine the parameters of common temperature models (Sandia, Faiman, Mattei, TRNSYS). The main objective of this thesis is to evaluate the suitability of common temperature model parameters, initially designed for monofacial solar panels, for estimating the operating temperature of bifacial panels. Moreover, the aim is to compare the accuracy of temperature model estimations with different inputs for irradiance.

The results confirm that the temperature of bifacial panels can be estimated with good accuracy using the model parameters of monofacial panels if the tilt angles of the panels are similar. However, the model parameters of vertical panels are about 10–30 % higher than those of tilted panels. Furthermore, the results present that the most accurate temperature estimations are obtained by applying either experimentally or computationally determined plane of array irradiance (POA) to the models. The use of global horizontal irradiance (GHI) as a model input for irradiance cannot be recommended.

Kaksipuoleiset aurinkokennoteknologiat ovat kasvavan kiinnostuksen kohteena uusiutuvan energiantuotannon alalla, koska ne pystyvät absorboimaan säteilyä myös takapinnaltaan ja siten kasvattamaan energian kokonaistuotantoa. Lisäksi vertikaalisesti asennettuja kaksipuoleisia paneeleja voidaan hyödyntää energiankulutuksen ja -tuotannon tasapainottamiseen. Kaupallisten aurinkopaneelien toiminnan mallintaminen on tärkeää sekä reaaliaikaisen että pitkän aikavälin suorituskyvyn ennustamiseksi, mutta myös erilaisten teknologioiden kannattavuuden vertailemiseksi. Sähköisen hyötysuhteen lämpötilariippuvuuden vuoksi ymmärrys aurinkopaneelien lämpökäyttäytymisestä on olennaista. Useissa kaksipuoleisten aurinkopaneelien tehomalleissa toimintalämpötilan vaikutusta hyötysuhteeseen arvioidaan käyttäen alun perin yksipuoleisille paneeleille suunniteltuja puoliempiirisiä lämpömalleja. Näiden lämpömallien parametrien soveltuvuutta kaksipuoleisille paneeleille ei ole kuitenkaan laajasti tutkittu.

Tässä opinnäytetyössä sovelletaan COMSOL Multiphysics -ohjelmalla luotua lämpömallia sekä PVLib-säteilymallia eri kallistuskulmiin asennettujen aurinkopaneelien toimintalämpötilojen simuloimiseen vaihtelevissa ympäristön olosuhteissa. Simuloitua lämpötiladataa hyödynnetään yleisten lämpömallien (Sandia, Faiman, Mattei, TRNSYS) parametrien määrittämiseen. Opinnäytetyön keskeisenä tavoitteena on arvioida yksipuoleisille paneeleille suunniteltujen lämpömalliparametrien soveltuvuutta kaksipuoleisien aurinkopaneelien lämpötilan ennustamiseen. Lisäksi tavoitteena on vertailla lämpömalliennusteiden tarkkuutta erilaisilla säteilyn syötteillä.

Tulokset vahvistavat, että kaksipuoleisten paneelien lämpötila voidaan ennustaa hyvällä tarkkuudella käyttäen yksipuoleisten paneelien malliparametrejä, mikäli paneelien kallistuskulmat ovat samanlaiset. Toisaalta pystysuuntaisten paneelien malliparametrien arvot ovat noin 10–30 prosenttia suurempia kuin kallistettujen paneelien vastaavat. Lisäksi tulokset osoittavat, että tarkimmat lämpötilaennusteet saadaan, kun säteilyn syötteenä käytetään paneeliin saapuvaa kokonaissäteilyä (POA), joka on määritetty joko kokeellisesti tai laskennallisesti. Horisontaalista kokonaissäteilyä (GHI) taas ei voida suositella käytettäväksi säteilyn syötteenä.