The performance of household PV systems in Southeastern Norway

Abstract

The recent price reduction of rooftop photovoltaic (PV) systems has led to an increased the demand in Norway. However, poor system design and modelling may cause the system cost to increase and the system credibility to decrease. To prevent this, it is important to illuminate the system performance, to assess the models used to estimate in-plane irradiance, to study the effect of data used in the models, and to assess loss factors connected to the systems.

The purpose of this thesis is to assess the performance of rooftop PV systems in southeastern Norway. This starts with an assessment of the available irradiance models to ensure quality and improve the accuracy of the PV system performance evaluation. The second part is to find out whether it is possible to use irradiance data collected in another location compared to the PV systems. The third part is the performance evaluation of the individual PV systems and their loss factors, before the orientation dependent performance is being investigated in the fourth part. In the final part, the performance of the inverters was assessed to further study the loss factors present in the systems.

Based on the evaluation of irradiance models in the period December to March, the Dirint/Isotropic model combination got the lowest root mean square error (RMSE) with a value of 24.48 W/m2 compared to 27.28 W/m2 for the Disc/Isotropic model combination, and 28.04 W/m2 for the Dirint/Perez model. The higher performance of the Isotropic sky model is connected to the low irradiance in Norway, especially during the winter period, that is suitable for the Isotropic model. The Dirint decomposition model had the best performance explained by the larger data set used to determine the empirical coefficients.

The study has also shown that it is possible to use irradiance data collected from other areas. However, it is important to note that the uncertainty increase towards winter, and that the local environment and climate impact the result.

Although large uncertainty, the temperature corrected performance ratio (PR_corr) is above 0.8 for most systems in large periods of the year. The total PR is however greatly reduced due to the low production during the winter months as there are available irradiance but close to zero production. Performance ratio (PR) was also shown to be in the same range of performance ratios reported by other assessments.

Due to the large measurement uncertainty of the inverters and the pyranometers, and the environment differences between PV and pyranometer locations, it is not possible to conclude whether the performance is different between systems oriented east compared to west, or not. The comparison of total PR_corr did not show any evidence of better performance for east faced systems compared to west. This is explained by the large impact of the low production on the performance during the winter months. However, comparing monthly values during the summer period showed higher PR_corr of systems oriented to the east compared to systems in the west.

The inverter study confirmed that the inverter performance correspond to the performance characteristics that are given by the producer, and that the inverter performance was predominantly above 95%. The inverter test show a better specific yield of the largest inverter string. Although the difference in specific yield, it is not possible to confirm the hypothesis as the inverter reading uncertainty is to high.

De siste årenes pris reduksjon for solcellesystem har økt etterspørselen for slike systemer i Norge. Dårlig design og modellering kan imidlertid øke prisen og kredibiliteten for systemene. For å unngå dette er det viktig å belyse solcellesystemers ytelse, vurdere modellene som blir brukt til å estimere innstråling i planet, studere hvilken effekt data som er målt i et annet område har på resultatet av PV system ytelsen, og å vurdere tapsfaktorer tilknyttet systemene i Norge.

Formålet med denne avhandlingen er derfor å vurdere ytelsen til solcellesystemer installert på tak i sør-øst Norge. Dette starter med en vurdering av de tilgjengelige innstrålingsmodellene for å sikre kvalitet og minske usikkerheten til systemytelse evalueringen. Del to er å evaluere om bruk av data målt på en annen lokasjon kan brukes til å evaluere ytelsen til solcellesystem. I del tre vil ytelsen til 12 forskjellige solcellesystem bli evaluert samt tapsfaktorer og andre usikkerhetsmoment, før en evaluering av ytelsens avhengighet av orientering. Til slutt vil omformerne bli studert for videre evaluering av tapsfaktorer i systemet.

Evaluering av innstrålingsmodellene i perioden desember til mars viste at dekomponeringsmodellen Dirint og den Isotropiske transponeringsmodellen hadde minst root mean square error (RMSE) på 24.48 W/m2 sammenliknet med 27.28 W/m2 for modelkombinasjonen Disc/Isotropic og 28.04 W/m2 for modelkombinasjonen Dirint/Perez. Den høyere ytelsen til modelkombinasjonen Dirint/Isotropisk kan knyttes til den lave innstrålingen i Norge, spesielt på vinteren noe som kan være gunstig ved bruk av modelkombinasjonen Dirint/Isotropisk.

Studien viser også at det er mulig å bruke data fra en annen lokasjon. Det er imidlertid viktig å påpeke at usikkerheten øker dess nærmere vinteren og at lokale variasjoner påvirker resultatet.

Generelt sett er temperaturkorriger "performance ratio" (PR_corr) over 0.8 for de fleste systemer i store perioder av året. Den totale PR_corr blir sterkt påvirket av den lave produksjonen i vintermånedene, selv om sollys er til stedet. Systemenes "performance ratio" (PR) var også vist til å være i samme område som rapporterte ytelser i andre systemevalueringer.

På grunn av den høye usikkerheten knyttet til omformerne og pyranometerne, og lokale ulikheter mellom lokasjonen til PV system og pyranometer, er det ikke mulig å konkludere om det faktisk er en forskjell på ytelsen til systemer orientert mot øst sammenliknet med systemer orientert mot vest. Dette forklares med en stor reduksjon av PR_corr i vintermånedene. Sammenlikning av månedlige verdier i sommerperioden viste at de kalkulerte verdiene til østvendte system er større enn vestvendte system. Det er imidlertid umulig å konkludere om det faktisk er en forskjell pga. den nevnte måleusikkerheten.

Studien av omformerne bekreftet at omformerytelsen korresponderer med dens karakteristikk gitt av produsenten. Evalueringen viste også at virkningsgraden til omformerne er over 95% i store deler av tiden. Invertertesten viste at den spesifikke ytelsen er størst for strenger med mange moduler sammenliknet med en streng av få moduler. Også her er usikkerheten for stor til å konkludere om det faktisk er en forskjell mellom strengene.