Nordic irradiance conditions and the effects on solar module efficiency

Abstract

The purpose of this study is to characterize Nordic irradiance conditions and the effects on solar module efficiency. As of 2015, approximately 1.3 % of the world’s electrical energy production is covered by photovoltaics, which is a technology that will play a large part in the future power market. The rapid growth of electrical solar energy is also taking place in the Nordics, and hence there is a growing interest in the performance of photovoltaic systems under Nordic climate and insolation conditions. The high latitudes of the Nordic countries significantly affect both the intensity and the spectral distribution of the solar irradiation. Furthermore, it is well known that variations in the light intensity and solar spectrum give rise to technology dependent changes in the solar cell efficiency. This work aims to study the insolation conditions in the eastern and southern part of Norway and the resulting quantitative effects on two different solar cell technologies, p-Si and CIS. Global horizontal irradiance data obtained from the measurement station at Ås (NMBU) in the period 2011-2015 was used to study the relative energy contribution at different intensity levels. There is previously little precise data on the spectrally resolved irradiation data in Norway. Spectral irradiance is measured at some measuring stations in Norway, but only for specific wavelength intervals which results in a coarse spectral resolution. In this work measurements of spectral irradiance are performed using a spectroradiometer at two locations, Kjeller and Grimstad. The SMARTS modelling tool has been used to compliment the measured data. The highest relative energy contribution occurs at 400-500 W/m2, contributing with 14 % of the yearly irradiation. The relative energy contribution is homogeneously distributed at low and medium intensities, but is drastically decreased after 800 W/m2. Irradiance levels ranging between 800-1100 W/m2 only contribute with 4 % of the yearly irradiation. The average relative efficiencies of the CIS- and p-Si modules at light intensities 400-500 W/m2, with respect to the STC efficiency of each module, are 0.9978 and 0.9987, respectively. The measured sola spectra were characterized by a red richness, which was expected due to an overall high air mass. By analyzing the correlation between average photon energy and the spectral factor, it showed that the p-Si module performs better in red rich spectra compared to the CIS module which appears to perform better in blue rich spectra. Finding data concerning the aerosol- and gaseous composition of the atmosphere around Kjeller and Grimstad was a key element in establishing accurate input values to implement in SMARTS. Due to lack of atmospheric data, several parameters in SMARTS were varied in order to be able to compare measured and modelled spectra.

Formålet med denne masteroppgaven er å karakterisere innstrålingsforholdene i Norden og på hvilken måte disse forholdene påvirker effektiviteten til fotovoltaiske solcellemoduler. Omkring 1,3 % av verdens elektrisitetsproduksjon er produsert fra solcellemoduler, som er en teknologi som kommer til å spille en stor rolle i fremtidens kraftmarked. Den raske veksten av elektrisitet produsert fra fotovoltaiske teknologier skjer også i Norden, og det er derfor er økende interesse angående ytelsen til fotovoltaiske systemer i et nordisk klima, med varierende innstrålingsforhold. De høye lengdegradene til de nordiske landene påvirker både intensiteten og den spektrale distribusjonen til den solinnstrålingen. Det er kjent at varierende lysintensitet og solspektrum påvirker effektiviteten til forskjellige solcelleteknologier. Dette prosjektet fokuserer på å undersøke innstrålingsforholdene i de sørlige og østlige delene av Norge, og hvordan disse forholdene påvirker effektiviteten til de to forskjellige solcelleteknologiene p-Si og CIS. Global innstrålingsdata, på en horisontal flate, målt ved målestasjonen på Ås (NMBU) i perioden 2011-2015 ble benyttet til å analysere det relative energibidraget ved forskjellige lysintensiteter. Det er tidligere blitt utøvd lite målinger på den spektrale innstrålingsdistribusjonen i Norge. Spektralt oppløste målinger utføres ved noen målestasjoner i Norge, men bare for spesifikke bølgelengdeintervaller, noe som resulterer i grove målinger. I denne oppgaven er solspektrumet målt med et spektroradiometer ved to lokasjoner, Kjeller og Grimstad. Modelleringsverktøyet SMARTS er også blitt benyttet for å komplementere de målte dataene. Det høyeste relative energibidraget oppnås ved innstrålingsnivåer mellom 400-500 W/m2, som bidrar med 14 % av den innstrålte energien. Det relative energibidraget er homogent fordelt ved lave og middels intensiteter, men det relative bidraget er drastisk redusert etter 800 W/m2. Innstråling med intensiteter mellom 800-1100 W/m2 bidrar bare med 4 % av den årlig innstrålte energien. De gjennomsnittlige relative virkningsgradene til CIS- og p-Si modulene, ved lysintensitetene 400-500 W/m2 og sett i forhold til STC effektiviteten til hver modul, er henholdsvis 0,9978 og 0,9987. De målte solspektrene var forskjøvet mot den røde delen av spekteret, noe som var forventet på grunn av en generelt høye luftmassen. Ved å analysere sammenhengen mellom gjennomsnittlig fotonenergi og spektral faktor, viste det seg at p-Si modulen yter bedre i rødforskjøvet spektra i forhold til CIS modulen som viste seg å yte bedre i blåforskjøvet spektra. Innhenting av data vedrørende aerosol- og gass-sammensetningen av atmosfæren rundt Kjeller og Grimstad var en sentral del av arbeidet som måtte utføres for å etablere nøyaktige inngangsverdier til å brukes i SMARTS. På grunn av mangel på atmosfæriske data, ble flere parametere i SMARTS variert for å kunne sammenligne målte og modellerte spektra.