PV-EYE – Photovoltaic systems on flat roofs with highest energy yields per area

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502309
• Projekttitel Englisch: PV-EYE – Photovoltaic systems on flat roofs with highest energy yields per area

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Analyse zur PV- Ertragsoptimierung auf Flachdächern, um deren Ertragspotential und/oder den wirtschaftlichen Nutzen zu optimieren. Dabei werden insbesondere spezifische Eigenschaften von Flachdächern und die Rahmenbedingungen in der Schweiz berücksichtigt. Um einen hohen Gesamtertrag pro gegebener Fläche zu erzielen, bedingt der begrenzte Platz auf Flachdächern eine dichte Anordnung von PV-Modulen. Neben konventionellen Ansätzen werden auch PV Systeme mit zusätzlichen Reflektoren, einachsig nachgeführte Systeme und resultierende Synergieeffekte untersucht.

Kurzbeschreibung (Englisch)

Analysis of PV yield optimization on flat roofs in order to optimize their yield potential and/or economic benefits. In particular, specific properties of flat roofs and the general conditions in Switzerland are taken into account. In order to achieve a high overall yield per given area, the limited space on flat roofs requires a dense arrangement of PV modules. Besides conventional ap-proaches also PV systems with additional reflectors, single-axis tracking systems and synergies of those systems are examined.

Schlussbericht (Deutsch)

Bei der am meisten verbreiteten Installationsart von PV-Modulen auf Flachdächern werden die Module bodennah in Ost/West-Ausrichtung unter geringen Neigungswinkeln montiert. Trotz geringerem spezifischem Energieertrag (kWh/kWp) als bei einer optimierten Südausrichtung ermöglicht sie bei hohen Flächenausnutzungsgraden hohe Energieerträge pro Fläche. Diese Installationsart wurde als Referenzsystem gewählt. Dieses Projekt befasst sich mit der Frage, ob der Energieertrag pro Fläche durch alternative Systemdesigns weiter gesteigert werden kann. 

Bifaziale Module mit Abstand vom Boden und reflektierender Dachoberfläche sind eine Möglichkeit den Energieertrag zu steigern. Mit diesem Ansatz können die ohnehin notwendigen Wartungsgänge als reflektierende Flächen zur Ertragssteigerung sinnvoll genutzt werden. Die Realisierung einer hohen Albedo ist auf Dachflächen über Folie oder Farbe einfacher möglich als beispielsweise auf Freiflächen. Mit einem miniaturisierten Testsystem wurde experimentell eine Ertragssteigerung von ca. 15 % gegenüber der Referenz ermittelt. Der Effekt nimmt allerdings bei großen Systemausdehnungen und geringerer Installationshöhe ab, da nur Licht aus Randbereichen reflektiert wird. Auch wenn eine Verallgemeinerung somit schwierig ist, birgt der Einsatz bifazialer Module bei hoher Albedo die Möglichkeit einer signifikanten Ertragssteigerung. 

Ein weiterer untersuchter Ansatz sind Systeme mit vertikal aufgeständerten bifazialen Modulen. Auch mit hoher Albedo und bei geringen Reihenabständen kann jedoch der flächenspezifische Energieertrag gegenüber dem Referenzsystem nicht gesteigert werden. Dies ist auch dann der Fall, wenn reflektierende Strukturen zwischen den Modulen installiert werden. Dadurch werden dann zwar vergleichbare spezifische und flächenspezifische Erträge erzielt wie mit Standardsystemen, aber bei höherem Aufwand und höheren Kosten. Vertikal installierte Module auf Flachdächern mit gut reflektierendem Untergrund könnten zukünftig, aufgrund ihres Ertragsprofils von Interesse sein. Sinnvoll ist ihre Verwendung bereits heute in Kombination mit Dachbegrünung aufgrund von Synergieeffekten, allerdings bei bewusst in Kauf genommenem geringerem PV-Ertrag, sowie bei der Anwendung in alpinen Regionen (keine Schneebedeckung der Module, bifazialer Gewinn durch Schneereflexion). 

Ertragssteigerungen im Vergleich zur Referenz sind auch durch den Einsatz von horizontal ausgerichteten Trackern (HSAT) möglich. Um den flächenspezifischen Energieertrag zu steigern ist auch beim HSAT ein geringer Reihenabstand notwendig, was den sinnvoll anfahrbaren Winkelbereich begrenzt, um Verschattungsverluste zu vermeiden. Experimentell konnte aus den Daten ein optimaler Winkelverlauf bestimmt werden. Nur durch das das Tracking allein wurden experimentell, bei annähernd dichter Flächenbelegung, im Jahresmittel Energieertragssteigerungen von ca. 6 % im Vergleich zu fix installierten flach aufgeständerten bifazialen Modulen erzielt (Referenz bifazial). Der experimentell ermittelte Mehrertrag liegt höher als durch Simulationen vorhergesagt. Mit dem im Projekt verwendeten HSAT-Testsystem konnte bauartbedingt nicht das volle Ertragspotential des Ansatzes aufgezeigt werden, bei optimierter Ausführung kann somit mit einem höheren Mehrertrag gerechnet werden. Rein durch den Mehrertrag pro Fläche ist es im Mittelland jedoch voraussichtlich dennoch nicht möglich, ein wirtschaftlich attraktives HSAT-System auf Flachdächern zu realisieren. Berücksichtigt man stündlich zeitabhängige Stromtarife oder Berglagen mit Schnee könnte sich bei grösseren Reihenabständen aufgrund des günstigeren Gestehungsprofils ein anderes Bild ergeben.

Auch durch Reflektoren ausserhalb des Kollektorfeldes können die Erträge abhängig von der Grösse des Reflektors und des Kollektorfeldes deutlich gesteigert werden. Bei den durchgeführten Messungen wurden an einzelnen Tagen Mehrerträge von 30 % erzielt. Zeitlich dynamische Reflektoren, die je nach Wetterbedingungen ein- und ausgefahren werden können, könnten für alle Systeme und auch als Nachrüst-Kit eingesetzt werden. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um zu evaluieren, ob dies zu wirtschaftlichen Lösungen führen kann.

Kernbotschaften («Take-Home Messages»)

- Durch bifaziale Module in Kombination mit einer erhöhten Aufständerung und reflektierender Dachfolie können höhere spezifische und flächenspezifische Mehrerträge gegenüber typischen PV-Systemen auf Flachdächern erzielt werden. Mit einem Testsystem wurde experimentell eine Ertragssteigerung von ca. 15 % ermittelt. Eine Verallgemeinerung ist schwierig, dennoch birgt der Einsatz bifazialer Module bei hoher Albedo die Möglichkeit einer Ertragssteigerung bei vergleichsweise geringem Aufwand. 

- Mit vertikal installierten bifazialen Modulen kann im Vergleich zur klassischen aufgeständerten Referenz kein flächenspezifischer Mehrertrag pro Jahr erreicht werden. Mit zusätzlichen strukturierten Reflektoren zwischen den Modulreihen werden vergleichbare Jahreserträge erzielt, allerdings mit höherem Aufwand. Sinnvoll ist der Einsatz vertikaler Module in Höhenlagen insbesondere bei länger anhaltenden Schneelagen, in Kombination mit Gründächern und potenziell zukünftig aufgrund des netzdienlicheren Ertragsprofils.

- Durch horizontales einachsiges Tracking (HSAT) konnte bei annähernd dichter Anordnung ein experimenteller Jahresmehrertrag von ca. 6 % ermittelt werden, wobei durch Optimierung noch höhere Werte möglich sind. Eine wirtschaftlich sinnvolle Umsetzung rein durch die Tracking-Mehrerträge ist dennoch unwahrscheinlich. Über weitere Vorteile (Vermeidung Schneebedeckung, Wartungszugänglichkeit / Flächenausnutzung, Gründach-Kombination, Ertragsprofil) könnten HSAT-Anlagen auf Dächern eine Anwendung in der Praxis finden.

- Reflektoren im Randbereich des Kollektorfeldes bieten ein Potential für Ertragssteigerungen. Weitere Untersuchungen müssen zeigen, ob dies zu wirtschaftlichen Systemlösungen führen kann.

 

 

Zugehörige Dokumente

• Schlussbericht [PDF] 6'188 kB

Schlussbericht (Englisch)

In the most common type of installation of PV modules on flat roofs, the modules are mounted close to the ground in an east/west orientation at low tilt angles. Despite a lower specific energy yield (kWh/kWp) than with an optimised south orientation, it enables high energy yields per area with high degrees of area utilisation. This type of installation was chosen as the reference system. This project addresses the question of whether the energy yield per area can be further increased through alternative system designs. 

Bifacial modules at a distance from the ground and with a reflective roof surface are an option to increase the energy yield. With this approach, the maintenance walkways, which are necessary anyway, can be utilised as reflective surfaces to increase the yield. It is easier to achieve a high albedo on roof surfaces using film or paint than on open spaces, for example. With a miniaturised test system, a yield increase of approx. 15 % compared to the reference was determined experimentally. However, the effect decreases with large system expansions and lower installation heights, as only light from peripheral areas is reflected. Even if generalisation is therefore difficult, the use of bifacial modules with a high albedo offers the possibility of a significant increase in yield. 

Another approach investigated is systems with vertically mounted bifacial modules. However, even with a high albedo and small row spacing, the area-specific energy yield cannot be increased compared to the reference system. This is also the case if reflective structures are installed between the modules. Although this achieves comparable specific and area-specific yields to standard systems, it involves greater effort and higher costs. Vertically installed modules on flat roofs with a highly reflective substrate could be of interest in the future due to their yield profile. Their use already makes sense today in combination with green roofs due to synergy effects, albeit with a consciously accepted lower PV yield, as well as when used in alpine regions (no snow cover on the modules, bifacial gain due to snow reflection).

Yield increases compared to the reference are also possible by using horizontally aligned trackers (HSAT). In order to increase the area-specific energy yield, a small row spacing is also necessary with HSAT, which limits the angle range that can be sensibly approached in order to avoid shading losses. Experimentally, it was possible to determine an optimum angle curve from the data. Experiments have shown that tracking alone, with almost dense surface coverage, achieves an annual average energy yield increase of approx. 6 % compared to permanently installed, flat-mounted bifacial modules (reference bifacial). The experimentally determined additional yield is higher than predicted by simulations. Due to the design of the HSAT test system used in the project, it was not possible to demonstrate the full yield potential of the approach; a higher additional yield can therefore be expected with an optimised design. However, it will probably not be possible to realise an economically attractive HSAT system on flat roofs in the Central Plateau purely on the basis of the additional yield per area. If hourly time-dependent electricity tariffs or mountain locations with snow are taken into account, a different picture could emerge with larger row spacing due to the more favourable generation profile.

Depending on the size of the reflector and the collector field, yields can also be significantly increased by using reflectors outside the collector field. In the measurements carried out, additional yields of 30 % were achieved on individual days. Time-dynamic reflectors, which can be retracted and extended depending on weather conditions, could be used for all systems and also as a retrofit kit. Further investigations are required to evaluate whether this can lead to economical solutions.

 

Schlussbericht (Französisch)

Le type d'installation le plus répandu de modules PV sur les toits plats consiste à monter les modules près du sol, orientés est/ouest, avec de faibles angles d'inclinaison. Malgré un rendement énergétique spécifique (kWh/kWp) inférieur à celui d'une orientation optimisée vers le sud, il permet d'obtenir des rendements énergétiques élevés par unité de surface lorsque les taux d'utilisation de la surface sont élevés. Ce type d'installation a été choisi comme système de référence. Ce projet se penche sur la question de savoir si le rendement énergétique par surface peut encore être augmenté par des conceptions de système alternatives. 

Les modules bifaciaux à distance du sol et la surface réfléchissante du toit sont une possibilité d'augmenter le rendement énergétique. Cette approche permet d'utiliser judicieusement les allées de maintenance, de toute façon nécessaires, comme surfaces réfléchissantes pour augmenter le rendement. La réalisation d'un albédo élevé est plus facile sur les surfaces de toit via un film ou une peinture que sur les surfaces libres par exemple. Un système test miniaturisé a permis de déterminer expérimentalement une augmentation du rendement d'environ 15 % par rapport à la référence. L'effet diminue toutefois en cas de grandes dilatations du système et de hauteur d'installation réduite, car seule la lumière des zones périphériques est réfléchie. Même si une généralisation est donc difficile, l'utilisation de modules bifaciaux en cas d'albédo élevé recèle la possibilité d'une augmentation significative du rendement. 

Une autre approche étudiée est celle des systèmes avec des modules bifaciaux montés verticalement. Même avec un albédo élevé et un faible espacement entre les rangées, le rendement énergétique spécifique à la surface ne peut toutefois pas être augmenté par rapport au système de référence. C'est également le cas lorsque des structures réfléchissantes sont installées entre les modules. Cela permet certes d'obtenir des rendements spécifiques et spécifiques à la surface comparables à ceux des systèmes standard, mais avec des efforts et des coûts plus élevés. Les modules installés verticalement sur des toits plats avec une base bien réfléchissante pourraient être intéressants à l'avenir en raison de leur profil de rendement. Leur utilisation est déjà judicieuse aujourd'hui en combinaison avec la végétalisation des toits en raison des effets de synergie, mais avec un rendement PV plus faible accepté sciemment, ainsi que pour l'application dans les régions alpines (pas de couverture neigeuse des modules, gain bifacial par réflexion de la neige).

Des augmentations de rendement par rapport à la référence sont également possibles grâce à l'utilisation de trackers orientés horizontalement (HSAT). Afin d'augmenter le rendement énergétique spécifique à la surface, un faible espacement entre les rangées est également nécessaire avec le HSAT, ce qui limite la zone angulaire pouvant être raisonnablement approchée afin d'éviter les pertes d'ombrage. Expérimentalement, les données ont permis de déterminer une trajectoire angulaire optimale. Le suivi seul a permis d'obtenir expérimentalement une augmentation du rendement énergétique d'environ 6 % en moyenne annuelle par rapport aux modules bifaciaux installés à plat (référence bifaciale), pour une occupation de surface presque aussi dense. Le rendement supplémentaire déterminé expérimentalement est plus élevé que celui prédit par les simulations. Le système de test HSAT utilisé dans le projet n'a pas permis, en raison de sa construction, de démontrer tout le potentiel de rendement de l'approche ; une exécution optimisée permet donc d'escompter un rendement supplémentaire plus élevé. Toutefois, le rendement supplémentaire par surface ne permettra probablement pas de réaliser un système HSAT économiquement intéressant sur les toits plats du Plateau suisse. Si l'on tient compte des tarifs horaires de l'électricité ou des situations de montagne avec de la neige, la situation pourrait être différente si les rangées sont plus espacées en raison du profil de production plus avantageux.

Les réflecteurs situés en dehors du champ de capteurs permettent également d'augmenter sensiblement les rendements, en fonction de la taille du réflecteur et du champ de capteurs. Lors des mesures effectuées, des rendements supplémentaires de 30 % ont été obtenus certains jours. Des réflecteurs dynamiques dans le temps, qui peuvent être rentrés et sortis en fonction des conditions météorologiques, pourraient être utilisés pour tous les systèmes et également comme kit de mise à niveau. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour évaluer si cela peut conduire à des solutions économiques.