Bifacial Photovoltaic yield Simulation as a Function of the Albedo

Produktbeschreibung

Die Bifacial-Photovoltaik-(PV-)Technologie markiert einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der Solarenergie. In der vorgelegten Dissertation wird mit BifacialSimu ein innovatives, ganzheitliches Open-Source-Simulationstool für die Energiesystemsimulation von bifazialen Photovoltaik-Systemen präsentiert. Dieses Tool unterscheidet sich signifikant von existierenden Methoden durch die Integration eines umfassenden Analyseansatzes, der die Albedo berücksichtigt und spezialisierte Lösungsstrategien für diverse Anwendungsgebiete, einschließlich agrarwirtschaftlicher PV-Installationen, bietet. Dadurch leistet die Dissertation einen bedeutenden Fortschritt in der photovoltaischen Forschung und Praxis, indem sie den Zugang zu fortgeschrittenen Simulationswerkzeugen demokratisiert und die Effizienzsteigerung sowie Optimierung bifazialer PV-Systeme unterstützt.

Index
1 Introduction 1
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Research objectives and approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Dissertation outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 State of the Art of bifacial PV system modelling 6
2.1 Parameters that influence rear side irradiance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Sky models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Rear-side irradiance models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.1 View factor model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.2 Ray tracing method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.3 Comparison of different models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 Albedo models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4.1 Constant albedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.2 Simplified variable albedo model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.4.3 Geometrical spectral albedo model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.4 Further factors influencing the albedo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5 Bifacial tracking models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.5.1 1-axis tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5.2 Backtracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.3 2-axis tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.6 Thermal model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.7 Soiling models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.7.1 Bergin model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.7.2 You model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.7.3 Coello model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.7.4 Adaptation for bifacial PV modules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.8 Energy yield models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.8.1 Analytical electrical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.8.2 Empirical electrical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.9 Availability of weather and albedo datasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.10 Determining model and database selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3 Research methodology and procedure 41
3.1 Design of the simulation tool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 Albedo measurement setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.3 Global Sensitivity Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 Validation method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4 BifacialSimu – Holistic bifacial PV system modelling 52
4.1 Bifacial PV modelling challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 Simulation algorithm design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.3 Modelling method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.1 Bifacial PV irradiance model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.3.2 Sky model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.3 Albedo model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
4.3.4 Single-axis tracking model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.5 Soiling model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.6 Electrical model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.3.7 Thermal model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.3.8 Performance indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4 Graphical User Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73INDEX VII
5 Measurement of the albedo 75
5.1 Measurement of red soil in Ghana . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2 Measurement at TH Koln ¨ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3 Measurement at Agri-Photovoltaic system in Aasen . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.4 Uncertainty analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
6 Model validation on specific fields 87
6.1 Study 1: Validation of the irradiance models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.1.1 Evaluation of the results from a PV plant in USA . . . . . . . . . . . . 87
6.1.2 Evaluation of the results from PV plant in Germany . . . . . . . . . . . 89
6.1.3 Conclusion study 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.2 Study 2: Validation with a vertical fixed-tilt agriphotovoltaic plant . . . . . . . . 90
6.2.1 Evaluation of the results from an agriphotovoltaic plant . . . . . . . . . 90
6.2.2 Conclusion study 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
6.3 Study 3: Validation with miniaturised bifacial PV modules . . . . . . . . . . . 93
6.3.1 Design and construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.3.2 Evaluation of the results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
6.3.3 Study 3 uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
6.3.4 Conclusion study 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.3.5 Improvement of the miniaturised modules . . . . . . . . . . . . . . . . 98
6.4 Study 4: Validation of model for electrical losses . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6.4.1 Evaluation of electrical results from comparison with PVSyst . . . . . 101
6.4.2 Conclusion study 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.5 Study 5: Evaluation of methods for optimizing a ray tracing simulation . . . . 103
6.5.1 Evaluation of the results from the GSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
6.5.2 Conclusion study 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7 Validation of the yield simulation of bifacial PV systems 108
7.1 Validation datasets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
7.1.1 Dataset: Golden, USA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
7.1.2 Dataset: Florianopolis, Brazil ´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.1.3 Dataset: Heggelbach, Germany . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
7.2 Model optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.2.1 Simulation assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7.2.2 Bugfixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.2.3 Simulation of module temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.2.4 Simulation speed optimisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
8 Discussion 126
8.1 Performance of the module with fixed tilt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
8.1.1 Heggelbach, Germany . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.1.2 Florianopolis, Brazil ´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.1.3 Conclusion: Simulation with fixed tilt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
8.2 Performance of the module with single-axis tracking . . . . . . . . . . . . . . 135
8.2.1 Florianopolis, Brazil ´ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
8.2.2 Golden, USA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
8.2.3 Conclusion: Simulation with single-axis tracking . . . . . . . . . . . . 142
8.3 Performance of the albedo model under snow condition . . . . . . . . . . . . 143
8.4 Performance of the modules with different
albedo modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
8.5 Performance of the modules with field and simulated weather data . . . . . . 150
8.6 Performance of ray tracing and cumulative sky simulation . . . . . . . . . . . 151
8.7 Performance of the module with different
electrical modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
8.8 Comparison with Commercial Software PVSyst . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
9 Conclusion and perspectives 157
9.1 Conclusion on the novelty of this thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
9.2 Conclusion on the validation of specific models
in BifacialSimu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159INDEX IX
9.3 General conclusion and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
APPENDICES 163
A Simulation Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
B BifacialSimu Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
B.1 Multiprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
B.2 Albedo model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
B.3 Soiling model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
C Description of Graphical User Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
C.1 GUI: Simulation Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
C.2 GUI: Soiling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
C.3 GUI: Simulation Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
C.4 GUI: Module Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
C.5 GUI: Wire Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
C.6 GUI: Inverter Parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
C.7 GUI: Start Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
D Additional Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
D.1 Validation: Golden, USA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
D.2 Validation: Heggelbach, Germany . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
D.3 Optimisation: Simulation assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
D.4 Validation: Simulation parameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
D.5 Discussion: Error estimation in Golden, USA . . . . . . . . . . . . . . 188
REFERENCES 190

Keywords: Bifaziale Photovoltaik, Simulation, Energiesystemsimulation, Energiewende, Albedo, AgriPhotovoltaik, open-source, Bifacial photovoltaic, simulation, energy system simulation, energy transition, albedo, agri-photovoltaics, open-source