Experimental study of soiling on photovoltaic modules in a Nordic climate

Abstract

The purpose of this study is to investigate how dust and soil accumulate and affect optical values of glass surfaces used in photovoltaic solar modules, in a Nordic climate. Investments in and utilization of electrical solar energy has increased substantially in Europe during the recent years. As from January 2015, Norwegian inhabitants can receive public subsidies for installing solar panels at home. A wide range of research has been conducted to investigate the effect of soiling on photovoltaic modules, but these are mainly focused around the Middle East or other geographical areas with environmental characteristics that differs from a Nordic climate.

The first step in evaluating how dust and soil accumulate on glass was to establish a test-setup at a rooftop of the Institute for Energy Technology (IFE) at Kjeller. The setup consists of both normal glass samples and glass samples coated with an anti-soiling coating (TripleO), with a tilt angle of 45˚. Measurements are conducted every week, from February 17 to April 14, on glass samples exposed to natural soiling.

Sammendrag Formålet med denne masteroppgaven er å undersøke hvor mye støv og andre avsetninger akkumulerer på og påvirker optiske verdier på overflaten av glassplater som dekker fotovoltaiske (PV) solcellepaneler i et nordisk klima, representert ved Kjeller (Akershus). Elektrisk solenergi har sett stor økning og satsning i Europa de senere årene, og fra januar 2015 fikk også norske innbyggere økonomiske insentiver for privat utbygging av solceller. Det har blitt gjennomført en rekke forskningsprosjekter tilknyttet støv på solceller, men disse er hovedsakelig gjennomført i områder rundt Midtøsten eller ved andre geografiske områder preget av ulike karakteristikker og forhold enn dem vi ser i et nordisk klima. Det første steget for å vurdere hvordan støv akkumulerer på glassflater brukt i solcellemoduler var å sette opp et test-anlegg på et tak tilknyttet Institutt For Energiteknikk (IFE) på Kjeller. Anlegget bestod av både normale glassplater og glass belagt med et anti-støvbelegg (TripleO), med en helningsvinkel på 45˚. Målinger ble foretatt hver uke, gjennom en periode fra 17. februar til 14. april, på glassprøver eksponert for naturlig støv. Resultater viser at det samler seg omtrent 29 % mer støv på anti-støvglassene enn på normalglassene etter en uke med naturlig støvakkumulering, men at støvmengden på begge glassene er svært avhengig av nedbør. Regn bidrar til å vaske glasset, men selv kraftig nedbør var ikke nok til å vaske glassplatene helt rene for støv. Det er observert en støvtetthet på 37 mg/m2 og 50 mg/m2 etter en uke med mye regn for henholdsvis normale og anti-støvglassplater. For uker uten regn er det målt en støvtetthet på opptil 102 mg/m2 og 125 mg/m2 for henholdsvis normal og anti-støvglassene. Dette svarer til en økning på henholdsvis 176 % og 150 %. Ukentlige optiske målinger viser at transmittansen gjennomsnittlig reduseres fra 91,5 % til 90,3 % for normalglasset, og fra 90,8 % til 89,9 % for anti-støvglasset. Transmittansen er mest påvirket ved korte bølgelengder. Den reduserte transmittansen for normalglassplatene svarer til en reduksjon i effektiviteten til en standard c-Si solcelle på 0,2-0,3%. Det er en tilnærmet lineær sammenhengen mellom redusert transmisjon og akkumulert støvtetthet. Det forventes en reduksjon i transmittansen på 0,09 % og 0,11 % per 10 mg/m2 for henholdsvis normal og anti-støvglassene. Støvanalyser viser at oksygen, silisium og karbon dominerer. Dette er vanlige partiklene i naturlig støv. Bilder av glassflatene tyder på at støvpartiklene har en diameter i størrelsesorden d < 101. Det er da grunn til å anta at Mie- og Rayleigh spredning forekommer.