Impact of hailstorms on PV module performance

Climate change is leading to an increase in extreme weather event, including hailstorms. Both the severity and frequency of hailstorms have risen, leading to a notable rise in average hailstone diameter and the number of hail reports. This thesis investigates the effects of hail impact on photovoltaic (PV) modules, focusing specifically on power loss, glass failure and cell damage. It analyzes the response of PV modules to hail impact of varying diameters, assessing the influence of parameters such as front glass thickness, module structure, cell technology and module design. The research utilizes data from SUPSI PVlab, the only accredited laboratory in Switzerland, collected between 2009 to 2024 from PV modules subjected to I-V characterization and Electroluminescence (EL) testing before and after experimental hail impact tests. EL images were analyzed and classified by MBJ module judgement criteria to assess the severity of cell cracks relative to the studied parameters. Results indicate that modules with thicker front glass and full-cell design generally exhibit higher resistance to hail impacts, displaying lower power loss, reduced cell damage and decreased glass failure rates. Resistance to impacts from hailstones exceeding 40 mm in diameter, however, remains a critical limitation, with current industry standard of 2-2 mm glass-glass modules proving inadequate against hailstones of this size. These findings underscore the need for improved resilience in PV modules to support long term sustainability in hail-prone regions. Future research should focus to optimize these design parameters to mitigate operational and financial risks associated with increasing hailstone size damage.

Il cambiamento climatico sta causando un aumento degli eventi atmosferici estremi, tra cui le grandinate. Queste sono aumentate sia in gravità che in frequenza, portando a un incremento significativo del diametro medio dei chicchi di grandine e del numero di segnalazioni di eventi di grandine. Questa tesi indaga gli effetti dell’impatto della grandine sui moduli fotovoltaici (FV), concentrandosi specificamente sulla perdita di potenza, la rottura del vetro e il danneggiamento delle celle. Viene analizzata la risposta dei moduli fotovoltaici a impatti di grandine di diversi diametri, valutando l’influenza di parametri quali lo spessore del vetro frontale, la struttura del modulo, la tecnologia delle celle e il design del modulo. La ricerca utilizza dati raccolti tra il 2009 e il 2024 dal SUPSI PVlab, l’unico laboratorio accreditato in Svizzera, su moduli PV sottoposti a caratterizzazione I-V e test di Elettroluminescenza (EL) prima e dopo i test sperimentali di impatto. Le immagini EL sono state analizzate e classificate secondo i criteri di valutazione dei moduli di MBJ per determinare la gravità delle crepe nelle celle in relazione ai parametri studiati. I risultati indicano che i moduli con vetro frontale più spesso e design a celle intere generalmente mostrano una resistenza maggiore agli impatti di grandine, con una perdita di potenza inferiore, danni ridotti alle celle e una minore frequenza di rotture del vetro. Tuttavia, la resistenza agli impatti provocati da chicchi di grandine di diametro superiore a 40 mm rimane una limitazione critica, poiché l’attuale standard industriale per i moduli vetro-vetro di 2-2 mm si dimostra inadeguato contro grandinate di queste dimensioni. Questi risultati evidenziano la necessità di migliorare la resilienza dei moduli fotovoltaici per garantire una sostenibilità a lungo termine nelle regioni soggette a grandinate frequenti. Le ricerche future dovrebbero concentrarsi sull’ottimizzazione di questi parametri di design per mitigare i rischi operativi e finanziari associati all’aumento della dimensione dei chicchi di grandine.