Degradation rate estimation in photovoltaics

Abstract

Η πρόοδος που παρατηρείται τα τελευταία χρόνια στην τεχνολογία κατασκευής φωτοβολταϊκών (ΦΒ) πλαισίων έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του σταθμισμένου κόστους ηλεκτρικής ενέργειας. Δύο βασικοί παράγοντες που θα μειώσουν το κόστος ακόμη περισσότερο είναι: 1) εξασφάλιση της βέλτιστης λειτουργίας των ΦΒ εγκαταστάσεων, και 2) ακριβής εκτίμηση της υποβάθμισης της απόδοσης των ΦΒ πλαισίων και σύγκριση με την εγγύηση του κατασκευαστή. Αυτό προϋποθέτει ενεργή παρακολούθηση και εποπτεία των ΦΒ εγκαταστάσεων, ανάλυση των μετρήσεων που καταγράφονται και εκτίμηση του ρυθμού της υποβάθμισης μέσα στο διάστημα της στατιστικής εμπιστοσύνης. Η ακριβής εκτίμηση θα επιτρέψει επίσης την πρόβλεψη της ενεργειακής απόδοσης της ΦΒ εγκατάστασης καθ' όλη τη διάρκεια της ζωής των ΦΒ πλαισίων. Η διατριβή αυτή περιγράφει την ανάπτυξη μιας γενικευμένης μεθολογίας ανάλυσης δεδομένων η οποία στηρίζεται σε στατιστική ανάλυση πραγματικών μετρήσεων από έντεκα ΦΒ συστήματα διαφόρων τεχνολογιών. Τα συστήματα αυτά εγκαταστάθηκαν και λειτουργούν από τον Ιούνιο 2006 στο χώρο δοκιμών του Εργαστηρίου ΦΒ Τεχνολογίας του Πανεπιστημίου Κύπρου. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε σχεδιάστηκε για να παρέχει ακριβή και εύρωστη εκτίμηση του ρυθμού της υποβάθμισης, χωρίς επίβλεψη. Σχεδιάστηκε για εφαρμογή σε εμπορικά ΦΒ συστήματα όπου οι δυνατότητες σε αισθητήρες και καταγραφή δεδομένων είναι περιορισμένες λόγω κόστους. Οι ελάχιστες απαιτήσεις είναι ακριβείς μετρήσεις της ισχύος από το ΦΒ σύστημα και ακριβής μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας. Η μεθοδολογία προσφέρει μια πιθανή λύση σε τέσσερα κύρια προβλήματα στον τομέα της υποβάθμισης των ΦΒ: 1) αξιολόγηση των πρωτογενών μετρήσεων και δημιουργία ενός ιδανικού συνόλου μετρήσεων για περαιτέρω ανάλυση, 2) ανίχνευση περιστατικών μειωμένης απόδοσης, 3) ανάλυση χρονοσειρών της απόδοσης και εκτίμηση της τάσης για υποβάθμιση, και 4) αντικατάσταση των ad hoc μεθοδολογιών με στατιστικά κριτήρια για μείωση της μεροληψίας (bias) και αυτοματοποίηση της προτεινόμενης μεθοδολογίας. Για να γίνει αυτό, αναπτύχθηκε μια προγραμματιστική μεθοδολογία που υλοποιεί τις επιμέρους λειτουργίες. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκαν εκτεταμένες πειραματικές μελέτες για την εκτίμηση του ρυθμού της υποβάθμισης σε πρότυπες συνθήκες δοκιμής (STC) και δημιουργία του συνόλου αναφοράς. Οι μελέτες διεξήχθησαν σε περιβάλλον εργαστηρίου, χρησιμοποιώντας εξειδικευμένο εξοπλισμό ακριβείας (ηλιακός προσομοιωτής, διάταξη ηλεκτροφωταύγειας, διάταξη υπέρυθρης θερμογραφίας) για μέτρηση της ονομαστικής ισχύος όλων των πλαισίων σε STC και μη-καταστροφικό χαρακτηρισμό της ποιότητας των ΦΒ κυψέλων. Κατά τη συνολική διάρκεια των δοκιμών που περιγράφονται στη διατριβή αυτή, η ποιότητα των μετρήσεων εξασφαλιζόταν μέσω ιχνηλάσιμης βαθμονόμησης και περιοδικών ελέγχων. Τα αποτελέσματα από τις δοκιμές σε STC χρησιμοποιήθηκαν ως σημείο αναφοράς για αξιολόγηση της εγκυρότητας της μεθοδολογίας ανάλυσης δεδομένων που αναπτύχθηκε. Μέσω της αξιολόγησης συγκρίθηκε η υποβάθμιση κάτω από πραγματικές συνθήκες λειτουργίας και κάτω από πρότυπες συνθήκες δοκιμής και επιβεβαιώθηκε η ακρίβεια της μεθοδολογίας που αναπτύχθηκε. Τα αποτελέσματα από τις δοκιμές σε STC ήταν πιο ακριβή από τα αποτελέσματα της ανάλυσης των εξωτερικών μετρήσεων σε περιπτώσεις όπου υπήρχαν ελαττωματικά πλαίσια. Όμως, οι δοκιμές σε περιβάλλον εργαστηρίου προϋπόθεταν ρίσκο λόγω του χειρισμού των ΦΒ πλαισίων και προσωρινή διακοπή της λειτουργίας των ΦΒ συστημάτων. Τέλος, η μεθοδολογία ανάλυσης μετρήσεων που αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής είχε ως αποτέλεσμα την ακριβή εκτίμηση του ρυθμού της υποβάθμισης και της μακροχρόνιας τάσης της απόδοσης των ΦΒ συστημάτων χωρίς ελαττωματικά πλαίσια.|

Recent advances in PV module manufacturing have resulted in the production of highly efficient cells and modules and the significant reduction of the levelized cost of electricity. Two key factors that will reduce the cost even further are: 1) ensuring the optimal operation of deployed PV plants, and 2) accurately estimating the performance degradation rate. This requires active monitoring and supervision of the deployed PV plants, analysis of field measurement data for estimating the degradation rate, RD, with statistical confidence and comparison with manufacturer warranties. Accurate estimation of the RD for a PV plant will also enable more accurate and precise lifetime energy yield forecasts and stricter performance guarantees, reducing investment risk and increasing confidence in the technology. This work deals with developing a generalized data analysis methodology based on statistical principles, for estimating the energy degradation rate using field measurement data. Eleven different grid-connected PV plants operating side-by-side since June 2006 at the PV Technology test site of the University of Cyprus were used. The methodology was designed to provide accurate and robust estimates with a measure of uncertainty. Also, it was designed for application on commercial PV plants, where sensor deployment is sparse and data logging capabilities are low due to cost. Minimum requirements for the realization of the developed methodology are accurate measurements of power and irradiance. The methodology was developed to address four main issues: 1) creation of a clean data set from uncertain sources, 2) detection of suboptimal performance from the measurement data and assessment of the effect on the estimated degradation rate, 3) analysis of time series of constructed performance metrics to extract and analyse the trend, and 4) substitution of ad hoc analyses and empirical parameterisation with formal statistical tests, to enable the applicability of the methodology in an unsupervised way. A data pipeline consisting of measurement qualification, creation of performance metrics, detection and treatment of outliers and trend modelling procedures was thus developed. The computational expense of implementing such a methodology was explored and alternative ways were proposed to further reduce it. Extensive experimental work has also been performed in order to benchmark the developed methodology by estimating the RD of the studied PV arrays under STC. The experiments were performed ex situ, using high quality laboratory equipment (i.e. flasher, electroluminescence, infrared thermography), with traceable calibration. The experimental results were more traceable and certain, but indoor testing required a significant amount of manual labour and system downtime and introduced risk due to module handling. Benchmarks of the accuracy of the developed unsupervised methodology have shown that the estimated degradation rates were comparable to the ones obtained through indoor testing at STC, in the case of modules without physical defects due to weathering. This was one of the most important outcomes of this work as this kind of long-term comparison on multiple, co-located PV technologies which were monitored and characterized in a research-grade environment was extremely rare in the bibliography.