Resolving snow challenges for increased deployment of photovoltaic systems

Abstract

Photovoltaic (PV) systems are becoming more competitive due to a cost reduction of the technology and increased electricity prices. As the technology extends to cold climates with lower irradiance, a knowledge gap in how PV systems are affected by the environment arises, which can limit PV system deployment. This thesis focuses on the impact of snow, which is perhaps the most distinguished environmental impact compared to the high irradiance climates where PV systems traditionally have been deployed. An interdisciplinary perspective is used to investigate different snow challenges connected to the deployment of PV in cold climates, and how they can be resolved.

One of the challenges explored in the thesis is the development of snowdrifts in ground mounted PV plants. This challenge is relevant for PV systems installed in exposed snowdrift climates. To document the challenge itself, field measurements of snowdrift development in a small-scale PV plant in a polar climate were performed. The study concludes that PV plants designed with established principles commonly used at lower latitudes are susceptible to snowdrift accumulation. To achieve a snowdrift resilient plant, the design of the plant itself can be adapted. This strategy is further investigated in a numerical study using Computational Fluid Dynamics and energy yield simulations to quantify the impact of changing the design parameters on the snowdrift accumulation conditions and the energy yield. It is found that all the design parameters can be adjusted to improve the snowdrift conditions, with variable effect on the yield. Based on these results, adaptions to local climate conditions can be made to increase the snowdrift resiliency of the PV plant while minimizing an adverse impact on the yield, enabling the use of ground mounted PV plants in exposed snowdrift climates.

Another of the investigated snow challenges is the use of active snow mitigation with PV systems on existing building roofs. Such systems reduce heavy snow loads so that roofs which lack structural capacity can be utilised for PV power production. In the thesis, PV snow mitigation systems are analysed in two separate studies focusing on the influence of active snow mitigation with PV systems on (i) the structural safety of building roofs, and (ii) the energy consumption and production compared to ordinary PV systems. The results provide a foundation for estimating which structures and climates PV snow mitigation systems are suitable. The research address former knowledge gaps for the use of PV snow mitigation systems and can contribute to increased utilisation of roof area for PV power production in the built environment.

Snow contributes to an uncertainty in the yield of PV systems as it is difficult to predict snow shedding from the PV modules. There are several models for estimating yield losses in PV systems based on empirical data of snow shedding, but due to being developed based on single systems, the applicability to different configurations in different snow climates are limited. With the intent of achieving a model with wider applicability, an existing snow loss model is improved by considering the influence of snow depth on the snow shedding. By applying the model to seven different PV systems in different snow climates, the error in estimation of snow loss is reduced by 23 percentage points compared to the original model. The model contributes to reducing the uncertainty in PV yield estimations without the need for system specific empirical data of snow shedding.

The overall contribution of the work is to resolve specific snow challenges which limit the deployment of PV systems in cold climates. Additional snow challenges have been identified during the work with the thesis, and recommendations for paths for future work are suggested. With ongoing research on this topic, the limitations for PV deployment in cold climates can be resolved and PV systems can contribute to increased renewable energy production in cold climates.

Reduserte produksjonskostnader og økte strømpriser øker konkurransedyktigheten til solcelleanlegg. Solcelleanlegg har vært mest utbredt i, og delvis blitt utviklet for, varme klima med mye stråling, men når solcelleanlegg sprer seg til kaldere klima begrenses bruken av teknologien av manglende kunnskap om klimapåkjenninger. En av de største forandringene i klimapåkjenninger i kalde klima kontra varme klima er påvirkningen fra snø. Denne avhandlingen omhandler hvordan snø begrenser bruk av solcelleanlegg og hvordan slike utfordringer kan løses.

En av utfordringene som undersøkes er snøfonndannelse i bakkemonterte solcelleanlegg. For å undersøke hvor utsatt solcelleanlegg er for snøfonndannelse er det gjennomført feltforsøk på et bakkemontert solkraftverk i et polart klima. Studien viser at solcelleanlegg som er designet ut ifra samme prinsipper som på lavere breddegrader gir en utforming som er svært utsatt for snøfonndannelse. En måte å redusere risikoen for snøfonndannelse på er å tilpasse designet av anlegget. For å undersøke denne tilpasningsstrategien er det gjennomført en numerisk studie som anvender fluidmekanikk- og energiytelsessimuleringer til å kvantifisere hvilken påvirkning det gir å endre utformingen av solkraftverket. Resultatene viser at alle de undersøkte designparameterne i solcelleanlegg kan tilpasses for å redusere risikoen for snøfonndannelse, men at de forskjellige designparameterne gir forskjellig påvirkning på energiytelsen. Resultatene fra disse studiene gir et grunnlag for å tilpasse utformingen av solkraftverk til klima med betydelig snødriv samtidig som ytelsen ivaretas.

En annen utfordring som undersøkes er hvordan solcelleanlegg med snøsmeltefunksjon kan benyttes på eksisterende takkonstruksjoner som ikke tåler den totale vekten av snølasten og solcelleanlegget. I avhandlingen undersøkes det hvordan slike solcelleanlegg påvirker konstruksjonssikkerheten til bygg ved å benytte statistiske metoder. Resultatene tydeliggjør påvirkningen styringen og designet av slike anlegg har på konstruksjonssikkerheten til bygg, samt hvordan forskjellige kapasitets- og lastforutsetninger påvirker utbyttet av slike anlegg. I tillegg til påvirkningen på konstruksjonssikkerhet undersøkes energibehovet og hvilken potensiell produksjonsøkning det medfører å aktivt redusere snølasten på tak i en studie som benytter en kombinasjon av numeriske verktøy. Resultatene viser hvilke type klimatiske forhold som gir lavest energibruk og høyest økning i produksjon. En sammenstilling av resultatene fra de to studiene danner et grunnlag for å vurdere hvilke konstruksjoner og klima som egner seg for å benytte solcelleanlegg med snøsmeltefunksjon. Forskningen reduserer kunnskapshull for bruken av solcelleanlegg på tak med begrenset bæreevne og kan bidra til økt utnyttelse av eksisterende takflater til solstrømproduksjon.

Den siste undersøkte utfordringen omhandler modellering av påvirkningen snø har på solcelleanleggs ytelse. En begrensing med mange eksisterende modeller for ytelsestap fra snø er at de er utviklet med empiriske data fra ett type snøklima og ikke nødvendigvis gir gode resultater når de anvendes i andre klimaforhold. Dette forsøkes å forbedres ved å videreutvikle en eksisterende snøtapsmodell til å ta hensyn til snødybde i avsklidningen av snø fra solcellepanelene. Sammenlignet med den opprinnelige snøtapsmodellen reduseres nøyaktigheten til modellen med 23 prosentpoeng når den anvendes til syv forskjellige solcelleanlegg. Modellen kan bidra til å redusere usikkerheten til ytelsen av solcelleanlegg i forskjellige type snøklima.

Det overordnede bidraget til avhandlingen er å løse utfordringer snø gir for bruk av solcelleanlegg. Gjennom arbeidet har det blitt oppdaget ytterligere utfordringer. På bakgrunn av dette foreslås det hva som er aktuelt å fokusere på i fremtidig forskning på solcelleanlegg i klima med snø. Videre forskning på temaet kan føre til at bruken av solcelleanlegg i mindre grad hindres av snø og til å redusere klimautslipp i kalde klima.