The effect of ground surface material choice on bifacial utility-scale solar PV system viability from albedo and cost perspectives

Abstract

Bifacial photovoltaic (PV) systems are becoming increasingly prevalent in the global and Finnish markets due to their increasing cost competitiveness. Thus, it is necessary to quantify the effects of the ground surface material of such a PV system to the PV system yield. The purpose of the thesis is to categorise PV system ground material candidates and some associated ancillary activity and analyse their viability as a part of a PV system through characteristics such as surface albedo, availability, and cost.

The analysis is based on computer modelling using an open-source PV system modelling library pylib-python, a newly developed albedo modelling function that uses a combination of satellite measurement and local weather data, and literature and Nordpool derived cost, price, and qualitative factor estimates. The model is tested and calibrated against an empirical test setup utilising both bifacial PV-panels and varying ground material.

Variation in the median surface albedo between the native Finnish ground surface materials was found to be relatively low at 0.11–0.14, while the supplementary white sand albedo was noticeable higher at 0.45. Consequently, there was a correspondingly slight variation in modelled PV system revenue across the differing surface materials, except for white sand, which performed better.

There is a certain amount of uncertainty as to the accuracy of the satellite measurement-based albedo model, which appears to underestimate the albedo of grass and sand when compared to literature values.

Kaksipuoliset aurinkosähköjärjestelmät yleistyvät sekä maailmanlaajuisesti että myös Suomessa kustannustehokkuutensa parantumisen takia. Siksi on tarpeellista määrittää aurinkosähköjärjestelmän maatyypin vaikutus järjestelmän tuottavuuteen. Työn tarkoitus on luokitella aurinkosähköjärjestelmän mahdollisia maatyyppejä sekä niiden mukana esiintyviä lisätoimintoja ja arvioida niiden kannattavuutta aurinkosähköjärjestelmän osana sellaisten ominaisuuksien kuten maan heijastavuuden, käytettävyyden, ja kustannusten osalta.

Arviointi perustuu tietokonemallinnukseen avoimen lähdekoodin pvlib-python aurinkosähköjärjestelmäkirjaston ja uutena kehitetyn maan heijastavuuden mallinnusfunktion avulla. Heijastavuuden mallinnusfunktio perustuu yhdistelmään satelliittipohjaista mittausta ja paikallista säätietoa. Malliin tuloksia arvioidaan sekä kirjallisuus- ja Nordpool-pohjaisien kustannus, hinta ja laadullisten tekijöiden avulla. Tietokonemallia säädetään ja arvioidaan kokeellisella testikentällä, jossa käytetään kaksipuolisia aurinkopaneeleita ja eri pohjamateriaaleja.

Maan heijastavuuden mediaani vaihtelu Suomen paikallisessa pohjamateriaalissa havaittiin suhteellisen pieneksi välillä 0.11–0.14, mutta lisätyn valkoisen hiekan albedo oli huomattavasti suurempi arvolla 0.45. Seurauksena mallinnetun aurinkosähköjärjestelmän tuoton vaihtelu paikallisilla maatyypeillä oli vähäistä valkoista hiekka lukuun ottamatta, joka puolestaan lisäsi tuottoa.

Satelliittimittaukseen perustuvan heijastuvuusmallin tarkkuus on jokseenkin kyseenalainen, sillä se näyttää aliarvioivan sekä ruoho- että hiekkapohjan heijastavuutta kirjallisuusarvoihin verrattuna.