Comparative study on the performance of photovoltaic modules and their sensitivity to external parameters based on an experimental analysis

Abstract

In this thesis, four photovoltaic (PV) technologies were experimentally compared, aiming to quantify the impact of the external parameters on PV performance. Two of the technologies studied are quite common in the market: polycrystalline (p-Si) and monocrystalline (m-Si). The third technology, bifacial, allows the conversion of the solar radiation reaching the back face of the modules, providing a yield gain. Modules with multijunction cells under concentration (HCPV) were also included in the analysis. They use a larger solar spectrum range and lenses to concentrate the beam radiation thanks to a 2-axis tracker constantly following the Sun. The PV modules were tested and had their ratings experimentally determined using modeling approaches developed in this thesis. All modules were assembled on the PV tracker to provide the same operating conditions, and the measurement campaign was carried out for 12 months. The experimental records, at one-minute timestep, were checked for synchronicity, interpolated, and aggregated. Several filtering approaches were discussed and applied to provide an adequate balance between noise removal and data retention. The PV arrays were then studied concerning their particularities, starting with the identification of the most influencing operating parameters, in order of relevance, and their impact on the output power. Then, the effect of the operating temperature was assessed, and the actual temperature coefficients for the DC power were determined. Finally, a sensitivity analysis targeting the DC power relative to the operating parameters was performed based on filters and mathematical models developed for each PV array. Special attention was given to the bifacial array since this technology is very promising due to its interesting cost-benefit relation; novel methods to determine the effective irradiance and the bifacial gain were also developed. Two different methods were applied to characterize the PV modules. It was found that their actual performance is not as good as reported on the datasheets. The m-Si array was the least sensitive to the operating temperature, followed by the p-Si and bifacial modules. In turn, the HCPV devices were the most impaired by the temperature, air mass, and humidity. The wind speed influence was small for the HCPV modules; the arrays most benefited by the wind were the p-Si and m-Si. The bifacial array presented the greatest final yield (with a bifacial gain of 6.2 %), followed by m-Si and p-Si. In turn, the HCPV array presented the poorest yield, mainly due to their responsiveness only to the beam irradiance and the high temperature coefficient for the DC power.

Dans cette thèse, quatre technologies photovoltaïques (PV) ont été comparées expérimentalement afin de quantifier l'impact des paramètres externes sur leurs performances. Deux des technologies étudiées sont courantes sur le marché : le polycristallin (p-Si) et le monocristallin (m-Si). La troisième technologie, bifaciale, convertit également le rayonnement solaire atteignant la face arrière des modules, apportant ainsi un gain de rendement. Enfin, des modules à cellules multi-jonctions sous concentration (HCPV), permettant d’utiliser un plus large spectre solaire, sont également étudiés ; ils utilisent des lentilles pour concentrer le rayonnement et ont besoin d’un tracker biaxial pour recevoir et convertir le rayonnement direct perpendiculaire au plan des modules. Les modules PV ont été testés et leurs caractéristiques déterminées expérimentalement à l'aide d'approches de modélisation développées dans cette thèse. Tous les modules ont été assemblés sur le même tracker pour offrir les mêmes conditions de fonctionnement, et la campagne de mesures a duré 12 mois. Les enregistrements expérimentaux – mesurés à un pas de temps d'une minute – ont été vérifiés pour leur synchronicité, interpolés et agrégés. Plusieurs approches de filtrage ont été appliquées et discutées pour atteindre un équilibre adéquat entre suppression du bruit et conservation des données. Les paramètres les plus influents, par ordre de pertinence, et leur impact sur la puissance des quatre générateurs PV ont été étudiés. L'effet de la température a été évalué et les coefficients de température réels ont été déterminés. Une analyse de sensibilité de la puissance par rapport aux paramètres de fonctionnement a été réalisée sur la base de filtres et de modèles mathématiques développés pour chaque générateur PV. Une attention particulière a été accordée aux modules bifaciaux car cette technologie est très prometteuse du fait de son bon rapport coût-bénéfice ; de nouvelles méthodes pour déterminer l’irradiance efficace et le gain bifacial ont été développées. Deux méthodes ont été appliquées pour caractériser les modules PV. Il a été constaté que leurs performances réelles n’étaient pas aussi bonnes que celles indiquées sur les fiches techniques. La technologie m-Si était la moins sensible à la température, suivi des modules pSi et bifaciaux. Les modules HCPV étaient les plus altérés par la température, la masse d’air et l’humidité. L’influence du vent est moins marquée pour les modules HCPV mais plus importante pour le p-Si et le m-Si. Les modules bifaciaux ont des performances plus élevées (gain bifacial de 6,2 %), suivi du m-Si et du p-Si. Le générateur HCPV présentait la production la plus faible, principalement en raison de l’utilisation de la seule composante directe du rayonnement et du coefficient de température élevé.