Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να εμβαθύνουμε στη λειτουργία των φωτοβολταϊκών πλαισίων λεπτού φίλμ (και συγκεκριμένα των πλαισίων άμορφου πυριτίου - a-Si - και CIS) και μέσα από τα αριθμητικά δεδομένα, να αποφανθούμε πώς η λειτουργία σε πραγματικές συνθήκες μπορεί να επηρεάσει την παραγόμενη ισχύ τους. Στα πλαίσια αυτά, πραγματοποιήθηκαν πειραματικές μετρήσεις, στο χώρο της ταράτσας του κτιρίου του τμήματος των Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, με φωτοβολταϊκά πλαίσια άμορφου πυριτίου και CIS ισχύος αιχμής 32 και 75 W αντίστοιχα. Οι μετρήσεις πραγματοποιούνταν μια φορά την εβδομάδα κατά τη διάρκεια ενός ημερολογιακού έτους (Μάιος 2009-Απρίλιος 2010) υπό διάφορες συνθήκες ακτινοβολίας και θερμοκρασίας και για αρκετές γωνίες κλίσης, με σκοπό να αποκτήσουμε μια ολοκληρωμένη εικόνα της ενεργειακής τους συμπεριφοράς. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με τη βοήθεια του μηχανήματος PVPM 2540C το οποίο αποτυπώνει τη χαρακτηριστική ρεύματος-τάσης του προς μέτρηση πλαισίου για μια χρονική στιγμή (σε χρόνο δυο δευτερολέπτων περίπου), ενώ επιπλέον σημειώναμε την ακτινοβολία, τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, καθώς και την κλίση τοποθέτησής τους. Επίσης μελετούσαμε πώς επηρεάζει τη χαρακτηριστική καμπύλη I-V, και κατά συνέπεια την απόδοση, τυχόν σκίαση από παρακείμενο αντικείμενο. Ο προσανατολισμός των πλαισίων ήταν πάντα προς το Νότο, ώστε να έχουμε περισσότερες ώρες ηλιοφάνειας, διότι η Ελλάδα είναι χώρα του βόρειου ημισφαιρίου. Κατά την επεξεργασία των μετρήσεων καταλήξαμε στην βέλτιστη κλίση τοποθέτησης των πλαισίων ανά εποχή καθώς και σε μία βέλτιστη κλίση τοποθέτησης για όλο τo χρόνο για την περιοχή της Πάτρας. Επιπλέον, υπολογίσαμε με τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια την ετήσια ενεργειακή απόδοση του κάθε πλαισίου για όλο το έτος και συγκρίναμε τα παραγόμενα αποτελέσματα. Τέλος, με τη βοήθεια του προγράμματος PV*Sol, κάναμε μια μοντελοποίηση του χρησιμοποιούμενου συστήματος για να συγκρίνουμε μ’ αυτή τα πειραματικά μας αποτελέσματα. / The aim of this diploma thesis is to understand deeply the operation of thin-film (specifically amorphous silicon and CIS ) modules and through the numerical data of measurements and calculations, to make a conclusion considering how the operation in real conditions can influence their produced power. Measurements of current and voltage have been realized on the roof of the building of the department of Electrical and Computer Engineering using an amorphous silicon and a CIS photovoltaic module of 32 and 75 W peak power respectively. The measurements took place once a week during one a year (May 2009-April 2010) and our goal was to obtain measurements under various conditions of radiation and temperature and for some tilt angles so that we acquire enough knowledge on their energy behaviour. The measurements were taken by the “pve PVPM 2540C“ device, which plots the characteristic curve of current and voltage of a module (in space of two seconds) and we also noted down the radiation, the ambient temperature, as well as the tilt angle of the modules. Moreover, we have tested how a possible natural shading from an adjacent object influences the characteristic I-V curve, and as a result the efficiency of the module. The orientation of the module was always South, in order to gain more hours of sunlight, as Greece is a country of the northern hemisphere. While processing the measurements, we found the optimal tilt angle of the modules per season as well as per year for Patras area. Moreover, we tried to calculate with the maximum possible accuracy, the annual energy yield by the two different types of modules and compare the results. Finally, by using the computer modelling system “PV*sol”, we tried to simulate our photovoltaic system, in order to compare the measured results to the experimental.

Bifacial photovoltaic (PV) modules have greater energy yield than traditional monofacial modules because they convert front and rear incident irradiance to electrical energy. Single-axis tracking systems can further increase energy yield and reduce the levelized cost of energy by rotating the modules throughout the day. However, racking elements in tracking systems introduce both shade and reflections on the rear face, increasing irradiance nonuniformity and fostering further electrical mismatch that reduces module power. The impact of racking, particularly that of the torque tube which spans the middle of the rear collector surface, must be accurately quantified in energy yield predictions to increase stakeholder confidence, and hasten the adoption of tracked bifacial modules. Isolating the torque-tube-reflected irradiance incident on the modules is crucial for this work. This is achieved by implementing arbitrary two-dimensional (2D) irradiance sampling on a module under test in bifacial_radiance, a ray tracing bifacial PV model, and taking the difference in rear irradiance profiles for simulations with a reflective and an absorptive torque tube at each timestamp. We calculate the TT reflection for the central one-in-portrait (1P) and two-in-portrait (2P) modules on horizontal single-axis trackers over hourly timestamps in a typical meteorological year in Livermore, California, USA. We introduce the TT reflection 2D irradiance profiles as additional light sources in DUET to quantify the TT reflection's impact on irradiance, electrical mismatch, and energy yield, as well as an incidence angle modifier's impact on TT reflection. We analyze the TT reflection based on sun zenith and diffuse fraction to group consistent illumination conditions across the year. We identify that TT reflection reduces electrical mismatch by partially offsetting TT shading, and increases annual energy yield by 0.11% and 0.18% in our particular 1P and 2P systems. While the overall impact of TT reflection is greater in the 2P system due to direct beam light incident on the TT, the TT reflection's greatest instantaneous relative contribution to total energy yield is larger for the 1P system, at high diffuse fractions and sun zeniths. For future work, we recommend validating simulation results with and without TT reflection against experimental data. The simulation method used for isolating the TT reflection may also be repurposed to help inform new TT designs that minimize electrical mismatch. Finally, instead of relying on bifacial_radiance to isolate the TT reflection, we recommend incorporating the TT as a Lambertian reflective surface in 3D view factor models with detailed shading for further TT reflection simulations.