Experimental analysis of the impact of soiling on photovoltaic modules performance

PV module soling, i.e. the accumulation of dust, dirt, pollen and other environmental contaminants on photovoltaic modules, is the third most important environmental factor determining the output of a PV power plant after the irradiance and the air temperature. In the following work are reported the results of an experimental campaign carried out at the Solar Tech Lab, located on the roof of the Dipartimento di Energia of the Politecnico di Milano. The methodology adopted follows the trend of the most recent works evaluating the soiling effect on PV performances: a side-by-side comparison of two co-planar calibrated PV modules, one kept continuously clean, and the other one allowed to naturally accumulating soiling. The results of the experimental analysis are consistent with the studies found in the literature, where is measured an average weekly soiling loss of 1.2% on the value of the electric power for the 30° tilted PV modules. Furthermore, a numerical model was implemented in MATLAB which, taking as inputs the operative conditions recorded (air temperature, irradiance and wind) and the PV module parameters, estimates the electric power that the panel would produce in the same environmental conditions but without soiling. It is then possible to evaluate the soiling losses comparing the effective power with the one computed. Lastly, the validity of the results is tested by means of another model, computing the transmittance losses from the size distribution of the airborne dust. Taking as input dust parameters and meteorological variables, the model simulates the two processes of dry deposition and adhesion of dust particles and then evaluates the soiling losses.

L’accumulo di polvere e di altri contaminanti ambientali sulle superficie di pannelli fotovoltaici, costituisce il terzo fattore ambientale più importante nella produzione di energia elettrica per un impianto PV dopo la radiazione solare e la temperatura dell’aria. Nella seguente tesi vengono presentati i risultati di una campagna sperimentale condotta presso il Solar Tech Lab, situato sul tetto del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. Il metodo adottato è in linea con le ricerche più recenti del settore che si basano sul confronto tra due moduli fotovoltaici calibrati complanari, uno pulito quotidianamente e l’altro lasciato libero di accumulare polvere. I risultati ottenuti sono coerenti con quelli degli altri studi dove viene registrata una diminuzione media settimanale del valore della potenza elettrica pari a 1.2% per un modulo fotovoltaico inclinato di 30°. Inoltre, è stato implementato un modello numerico in MATLAB il quale, partendo dalle condizioni operative registrate (temperatura dell’aria, irraggiamento e vento) e dai parametri caratteristici del modulo fotovoltaico, stima il valore della potenza elettrica che il pannello produrrebbe nelle stesse condizioni ambientali se fosse completamente pulito. Confrontando la potenza effettiva con quella ottenuta in assenza di polvere sulla superficie del modulo è possibile valutare la relativa perdita. La validità dei risultati è stata infine verificata da un ulteriore modello basato sulla distribuzione dimensionale della polvere nell’aria e sulle condizioni ambientali. Simulando i processi di deposizione secca e di adesione delle particelle sulle superficie dei moduli fotovoltaici, il modello valuta le relative perdite di trasmittanza.