Development of methodologies for performance analysis of grid-connected photovoltaic systems

Abstract

The growth of renewable energy - especially photovoltaic energy worldwide, and –more specifically- in Greece, is remarkable. There exist numerous grid-connected PV systems in Greek territory which have already completed ten years of operation. A challenging task for these systems is performance analysis, investigation of possible degradation in system’s efficiency, formulation of a detailed solar potential record for each region and the study of factors which affect PV efficiency in each region. Furthermore, their inspection and maintenance needs are increasing fast. Thus, it becomes necessary to systematically characterize and classify the more important types of defects and correlate them to possible causes. This study has set five objectives which have been investigated through specific experimental and test set-ups. These set-ups comprise grid-connected PV installations in Thessaly and one off-grid experimental set-up in the University of Thessaly. The first objective was to present real-world efficiency data for photovoltaic panels and photovoltaic parks, as function of air mass and environmental conditions. The experimental set-up consisted of a 2MWp grid-connected system as well as a single PV panel. The PV efficiency is observed to deteriorate quickly when the solar altitude is less than 45 degrees, or the solar insolation drops below 200 W/m2. The second objective was to attempt a systematic compilation of defects and devise a simple procedure to spot them by means of optical inspection, infrared inspection and electrical inspection. The experimental set-up consisted of five grid-connected 99,84kWp PV systems and one 9,88kWp rooftop installation. A methodology and guide for on-site PV inspection has been developed that may also be employed for screening newly installed PV panels on site. The third objective was the formulation of an evaluation procedure for the photovoltaic plant’s performance, based on routinely collected, real world system monitoring data. The role of air mass and clearness index variations in this context is well established and the analysis is conducted with the aid of these factors. The experimental set-up consists of a 99,84kWp grid connected PV system in Central Greece. The analysis has been carried out according to the following three directions: (i) evaluation of three existing models, (ii) performance ratio calculation and (iii) the formulation of an evaluation procedure based on normalization to Standard Reporting Conditions. A 10% fluctuation in yearly energy production was observed for the period 2013–2015. This fluctuation was investigated by means of performance ratio analysis, normalization procedure and model comparison. All results pointed to a decrease in PV panel’s efficiency from the first year of operation. However, this was a small decrease covered by the terms of the manufacturer’s warranty. The fourth objective was to analyze the performance of a grid-connected 12,84 kWp PV system in central Greece for a six year period of operation. The analysis methodology was based on three axes: (i) calculation of the daily PR and yearly PR and their comparison for the 6 years of operation. The daily PR is further correlated with the averaged clearness index in order to assess the atmospheric effect on the PV performance. (ii) Application of a mathematic model, which describes PV power, to the available data. Computed values act as the reference values and deviation of the measured values thereof hint to probable changes in PV system performance. (iii) Computation of normalized efficiency to STC conditions. This included the computation of DC power from available AC data and inverters’ efficiency, temperature normalization according to the temperature coefficients of manufacturer and comparison of efficiency at various weather conditions and computation of yearly average values, respectively, with Air mass. The analysis results hint to a small performance deterioration over the years, with degradation rates ranging from 1 to 4%. The fifth objective was the performance analysis of a grid-connected PV system with focus on the effects of dust accumulation on PV panels surface and aerosol mass concentration in Central Greece. The methodology of analysis developed in the previous objective is employed in combination with aerosol measurements. The results show that only heavily soiled surfaces have significant impact on PV performance and particularly a decrease of 5,6%. On the other hand, light or medium soiling have negligible impact on PV performance. As far as aerosol mass concentration is concerned, it does not significantly influence PV normalized efficiency in clear sky conditions.

Τα τελευταία χρόνια υπάρχει ραγδαία εξέλιξη των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και ιδίως των Φωτοβολταϊκών συστημάτων. Στην Ελλάδα υπάρχει σημαντικός αριθμός εγκαταστάσεων διασυνδεδεμένες με το δίκτυο οι οποίες λειτουργούν την τελευταία δεκαετία. Ένας τομέας με ιδιαίτερο ερευνητικό ενδιαφέρον είναι η ανάλυση της απόδοσης τους, η διερεύνηση της γήρανσης τους, η καταγραφή μιας βάσης δεδομένων με το ηλιακό δυναμικό και τους παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση τους. Η παρούσα διατριβή βασίζεται σε 5 θεματικές ενότητες οι οποίες διερευνώνται από 5 πειραματικές διατάξεις οι οποίες αποτελούνται από Φωτοβολταϊκά πάρκα στην περιοχή της Θεσσαλίας και μια διάταξη στο πανεπιστήμιο Θεσσαλίας. Η πρώτη ενότητα διερευνά την απόδοση σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας σε συνάρτηση με το air mass και τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Η υπό εξέταση εγκατάσταση ήταν ένα ΦΒ πάρκο 2MWp διασυνδεμένο με το δίκτυο της υψηλής τάσης και από ένα ΦΒ πλαίσιο σε πειραματική εκτός δικτύου διάταξη στο Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας. Τα αποτελέσματα δείχνουν μείωση της απόδοσης για γωνίες ηλιακού ύψους μικρότερες από 45 μοίρες ή πτώση της ηλιακής ακτινοβολίας κάτω από 200 W/m2. Η δεύτερη ενότητα περιλαμβάνει τον συνδυασμό της υπέρυθρης θερμογραφίας με την οπτική επιθεώρηση σε πέντε ΦΒ συστήματα 99,84kWp και ένα σε επί στέγης 9,88kWp. Αναπτύχθηκε μια μεθοδολογία και ένας οδηγός για θερμογράφηση των εγκαταστάσεων. Η Τρίτη ενότητα περιλαμβάνει την διαμόρφωση μια μεθοδολογίας για αξιολόγηση της απόδοσης ΦΒ συστημάτων σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας. Στην διαδικασία της ανάλυσης χρησιμοποιήθηκαν το airmass και το Clearness index της ατμόσφαιρας. Το υπό εξέταση σύστημα αποτελείται από ένα ΦΒ πάρκο διασυνδεδεμένο 99,84kWp στην Κεντρική Ελλάδα. Η ανάλυση διεξήχθη σύμφωνα με τις ακόλουθες τρεις κατευθύνσεις: (i) αξιολόγηση τριών μαθηματικών μοντέλων, (ii) υπολογισμός του performance ratio (iii) διαμόρφωση μιας διαδικασίας αξιολόγησης βασισμένης στην κανονικοποημένη απόδοση στις STC συνθήκες. Τα αποτελέσματα δείχνουν σημαντική διακύμανση της ετήσιας παραγωγής ενέργειας κατά 10% την περίοδο 2013-2015. Αυτή η διακύμανση διερευνήθηκε μέσω της προτεινόμενης διαδικασίας ωστόσο, πρόκειται για μια μικρή μείωση της απόδοση των ΦΒ η οποία είναι εντός των ορίων της εγγύησης του κατασκευαστή. Η τέταρτη ενότητα περιλαμβάνει την ανάλυση της απόδοσης ενός φωτοβολταϊκού συστήματος 12,84 kWp διασυνδεδεμένου στο δίκτυο στην κεντρική Ελλάδα για έξι χρόνια λειτουργίας. Η μεθοδολογία ανάλυσης βασίστηκε σε τρεις άξονες: (i) υπολογισμό του ημερήσιου PR και ετήσιου PR και σύγκριση για τα 6 έτη λειτουργίας (ii) Εφαρμογή ενός μαθηματικού μοντέλου (iii) Υπολογισμός της κανονικοποιημένης απόδοσης σε συνθήκες STC. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης δείχνουν μικρή μείωση της απόδοσης κατά τη διάρκεια των ετών, με ποσοστά που κυμαίνονται από 1 έως 4%. Η πέμπτη ενότητα περιλαμβάνει την ανάλυση της απόδοσης ενός φωτοβολταϊκού συστήματος 12,84 kWp διασυνδεδεμένου στο δίκτυο στην κεντρική Ελλάδα με στόχο την διερεύνηση της επίδραση της σκόνης στην επιφάνεια των ΦΒ πλαισίων και αέριων ρύπων. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι μόνο ή έντονη συσσώρευση σκόνης έχει σημαντικό αντίκτυπο στην απόδοση των ΦΒ συστημάτων με μείωση κατά 5,6% της απόδοσης. Ωστόσο, η επίδραση των αερίων ρύπων παρατηρείται να μη έχει σημαντική επίδραση στην απόδοση.