Performance Modeling of Bifacial PV Power Plants in a Nordic Climate

Abstract

Bifacial fotovoltaisk (PV) teknologi kan produsere energi fra begge sider av modulen, og kan dermed øke energitettheten ved å utnytte reflektert lys. Teknologien har også vist potensiale til å kunne redusere utjevnet elektrisitetskostnad (LCOE) for PV systemer. Imidlertid er økt usikkerhet forbundet med produksjonsestimater en stor hindring for bifacial PV systemer. Dette arbeidet er utført med det formål å redusere usikkerheten i modellert energiproduksjon fra bifacial PV-kraftverk, gjennom å undersøke effektene av tidsavhengige skyggevariasjoner, variasjoner i albedo og baksideinnstrålingstap. Disse undersøkelsene er gjennomført ved å sammenlikne målinger fra et bifacial PV-system ved Institutt for Energiteknikk (IFE) på Kjeller i Norge, med modellert ytelse. Analysene er utført ved å konstruere en 3D-modell av anlegget, støttekonstruksjon og omgivelser i bifacial_radiance, for å deretter kunne modellere irradians og skyggelegging med strålesporing. Modellen er anvendt til flere ulike simuleringsscenarioer, og to storskala felteksperimenter med presenninger er utført i anlegget som referanse. Arbeidet har vist at strålesporing med bifacial_radiance er i stand til å modellere baksideirradiansdisribusjon med høy nøyaktighet for systemet når de reflektive egenskapene til underlaget er kjent. Albedo ble identifisert som en av de mest innflytelsesrike parameterne for modelleringsusikkerhet for baksideinnstråling og flere bruksområder for metodene som er brukt i arbeidet er også identifisert som relevante i en industriell kontekst, som til evaluering av tap av baksideirradians som følge av støttekonstruksjonsdesign og til estimering av årlig mismatch, skyggefaktor for baksideinnstråling og bifacial gain. Fremtidig forskning bør fokusere på nøyaktig prediksjon av albedo, undersøkelser av skydekke- og sesongavhengighet og videre undersøkelser av påvirkningen av detaljnivået i modellering av ulike deler av PV-systemet, støttekonstruksjonen og omgivelsene på estimatene.

Bifacial photovoltaic (PV) technology increases energy density by utilizing ground reflected light for power production on the rear side of the module and has shown potential to drastically reduce the levelized cost of electricity (LCOE) for PV power plants. However, a major obstacle for bifacial PV is increased uncertainty in production estimates of bifacial PV power plants. To address this, the effects of time-varying shading scene, varying ground albedo and rear irradiance loss is investigated by comparing measurements from a bifacial PV power plant at Institute for Energy Technology (IFE) at Kjeller in Norway, with modeled performance. The assessment is performed by building a 3D-model of the plant, its supportive structure and surroundings in bifacial_radiance in order to model the irradiance and shadow cast at the site by backward ray-tracing. The model is used for various simulation scenarios, and two large scale artificial albedo field experiments using tarps have been performed at the site as a reference. The work has shown ray-tracing with bifacial_radiance is able to model rear irradiance distribution with high accuracy for the bifacial PV system when the reflective properties of the ground cover is known. Albedo was identified as one of the most influential parameters on rear irradiance modeling accuracy, and several areas of application for the methods used have been identified as relevant in an industrial context, like evaluation of rear irradiance loss of rear supportive structure designs and estimation of annual mismatch loss factor, rear irradiance shading factor and bifacial gain. Future research should focus on accurate prediction of ground reflection, investigations of cloud cover and seasonal dependence and further investigations of the influence of the level of detail in the modeling of different parts of the PV module, supportive structure and surroundings.