Cloud Enhancement Phenomenon : Characteristics of overirradiance events and their effect on photovoltaic power generation

Abstract

Pilvien auringonsäteilyä vahvistava vaikutus on yleisesti tiedostettu ilmiö, mutta sen vaikutuksia aurinkosähkövoimalaitoksen toimintaan ei ole tutkittu kattavasti. Aurinkosähkövoimalan maksimitehopisteen teho riippuu lähinnä säteilyvoimakkuudesta. Jos säteilyvoimakkuus on odotettua korkeampi, voimalan maksimitehopisteen teho voi olla ajoittain korkeampi kuin voimalan nimellinen teho. Tämä väitöskirja analysoi pilvivahvistusilmiöstä johtuvien auringonsäteilyn vahvistusalueiden ja aurinkosähkövoimalaitosten ylitehotapahtumien ominaisuuksia. Tulokset perustuvat auringon säteilytehon mittauksiin usealla anturilla, sekä ympäristön ja aurinkopaneelien toimintalämpötilan mittauksiin.

Pilvivahvistusilmiön aiheuttamien säteilynvahvistusalueiden halkaisijat ovat tyypillisesti useita kymmeniä metrejä ja enimmillään useita kilometrejä, eli ne voivat vaikuttavaa kaiken kokoisten aurinkosähkövoimalaitosten toimintaan. Vahvistusalueiden halkaisijat ja esiintyvyys kuitenkin pienenee mitä voimakkaammasta tapahtumasta on kyse. Voimakkaimpien vahvistusalueiden halkaisijat ovat joitakin kymmeniä metrejä. Vahvistustapahtumien kesto on tyypillisesti useista sekunneista joihinkin kymmeniin sekunteihin, ja enimmillään näiden kesto voi olla useita minuutteja. Aurinkosähköjärjestelmän koon ei havaittu vaikuttavan vahvistustapahtumien maksimikestoon, mutta tapahtumien esiintyvyys pienenee voimalaitoksen koon kasvaessa. Myös säteilyn voimakkuus pienenee voimalaitoksen koon kasvaessa.

Ylitehotapahtumien kesto on tyypillisesti useista sekunneista joihinkin kymmeniin sekunteihin, ja pisimmillään ne voivat olla joitakin minuutteja. Koska paneelin toimintalämpötilan laskeminen kasvattaa sen toimintajännitettä, auringon säteilyn vahvistustapauksia edeltävien varjojaksojen havaittiin olevan edellytys kaikkein voimakkaimmille ylitehotapahtumille. Ylitehotapahtumat nostavat entisestään paneelien toimintajännitettä, koska aurinkosähköjärjestelmä toimii näiden aikana tehonrajoitustilassa. Koska ylitehotapahtumat ovat kestoltaan lyhyitä, toimintajännitteiden nousulla ei ole merkittävää vaikutusta komponenttien elinikään tai toimintaan.

While the cloud enhancement (CE) of solar irradiance is a well-known phenomenon, its effects on the operation of photovoltaic (PV) power plants have not been thoroughly analyzed. The maximum power point (MPP) power of a PV generator depends mainly on irradiance; therefore, if it is enhanced, the actual MPP power can occasionally exceed the nominal nameplate power. This dissertation analyzes overirradiance and overpower events caused by the CE phenomenon from a PV power generation point of view. The analyses are based on irradiance measurement data from an array of irradiance sensors, and PV panel operating and ambient temperature data.

The diameters of overirradiance areas are typically several tens of meters, and at maximum they can be several kilometers so that they can affect the operation of all PV power plants sizes. The diameter and occurrence of overirradiance events decreases with increasing irradiance. The diameter of the strongest overirradiance areas is of the order of some tens of meters. The duration of the overirradiance events varies typically from some seconds to some tens of seconds, and at maximum they can be several minutes. The size of the photovoltaic generator was not found to affect the maximum duration of the events, but the occurrence and irradiance decreases with increasing PV generator size.

The duration of overpower events is typically from some seconds to some tens of seconds, and at maximum, it can be several minutes. Because the decrease of the operating temperature of PV panels increases the open circuit voltage, the shade periods preceding the overirradiance events were found to be prerequisites for the strongest overpower events. Overpower events increase the operating voltage, because photovoltaic power systems are operating in power-limiting mode during them. Because the duration of the most extreme overpower events is short, the increase of operating voltage does not unduly affect the lifetimes and operation of system components.