Ray-Tracing Simulation and Analysis of Bifacial PV with Multi-Albedo Surfaces
2025 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE credits
Student thesis
Abstract [en]
The global shift towards renewable energy has driven the advancement of bifacial photovoltaic (PV) systems, which generate electricity from both front and rear surfaces, capturing reflected light from the ground, known as albedo. This rear-side contribution significantly boosts energy yield, particularly when reflective surfaces are optimized. While traditional simulation tools like PVsyst approximate rear-side generation, they often oversimplify albedo's spatial and angular effects, leading to discrepancies with real-world performance. To overcome this, Sunsolve, a ray-tracing simulation tool, offers detailed modeling of light interactions, enabling more accurate predictions of bifacial gains over multi-albedo surfaces.
This thesis evaluates Sunsolve Yield’s, further referred to as Sunsolve, accuracy for bifacial PV systems installed at a site in France, where albedo booster sheets of varying widths (3m, 4m, 5m, and 6m) were deployed under specific inverter MPPTs. Real-world data, including inverter outputs, weather conditions, and measured albedo values, served as the reference for validating Sunsolve's predictions. The analysis focuses on:
• Gain Yield Analysis, comparing the additional energy from boosters against a grass baseline.
• Simulated vs. Actual Comparisons, highlighting booster-induced gains through daily resampled scatter plots.
• Error Metric Evaluation using RMSE, SMAPE, R², and RMBE to measure Sunsolve’s predictive accuracy.
• Sunny vs. Diffused Day Analysis, revealing variations in simulation accuracy under different irradiance conditions.
Results show that Sunsolve effectively captures albedo-induced bifacial gains, especially for larger booster configurations, but discrepancies arise from edge effects, spatial albedo variations, and inverter clipping. The study underscores the importance of site-specific properties and suggests enhancements like rear irradiance sensors and custom material inputs to improve simulation fidelity.
Overall, this research validates Sunsolve's capabilities while identifying pathways for optimizing both field setup and simulation accuracy in bifacial PV applications, paving the way for more reliable energy yield predictions in multi albedo environments.
Abstract [sv]
Den globala övergången till förnybar energi har drivit på utvecklingen av bifaciala solcellssystem (PV), som genererar elektricitet från både fram- och baksida genom att utnyttja reflekterat ljus från markytan, så kallad albedo. Detta baksidesbidrag kan väsentligt öka energiproduktionen, särskilt när reflekterande ytor optimeras. Traditionella simuleringsverktyg som PVsyst uppskattar baksidesgenereringen, men förenklar ofta albedons rumsliga och vinklade effekter, vilket kan leda till avvikelser från verklig prestanda. För att hantera detta erbjuder Sunsolve – ett strålspårningsbaserat simuleringsverktyg – en mer detaljerad modellering av ljusinteraktioner och möjliggör därmed noggrannare prognoser av bifaciala vinster över ytor med varierande albedo.
Denna avhandling utvärderar Sunsolve Yields noggrannhet – hädanefter benämnt Sunsolve – för bifaciala PV-system installerade på en plats i Frankrike, där albedoförstärkande ark med varierande bredd (3 m, 4 m, 5 m och 6 m) placerades under specifika MPPT:er hos växelriktare. Fältdata såsom växelriktarens effekt, väderförhållanden och uppmätta albedovärden användes som referens för att validera Sunsolves prognoser. Analysen fokuserar på:
• Analys av energivinst, där extra energi från förstärkarna jämförs med en gräsreferens.
• Simulering vs. verklighet, genom dagliga omprovade spridningsdiagram.
• Felanalys med RMSE, SMAPE, R² och RMBE.
• Analys av soliga och diffusa dagar för att visa noggrannhetsvariationer.
Resultaten visar att Sunsolve effektivt fångar albedobaserade bifaciala vinster, särskilt för bredare förstärkarkonfigurationer. Vissa avvikelser orsakas av kantpåverkan, rumslig albedovariation och växelriktarbegränsningar. Studien understryker vikten av platsspecifika faktorer och föreslår förbättringar såsom bakre irradianssensorer och anpassade materialdata för ökad simuleringsprecision.
Sammanfattningsvis bekräftar denna forskning Sunsolves potential och visar vägar för att optimera både fältlayout och simuleringsnoggrannhet i bifaciala PV-system – vilket möjliggör mer tillförlitliga prognoser av energiproduktion i miljöer med flera albedoytor.
Place, publisher, year, edition, pages
2025. , p. 117
Series
TRITA-ITM-EX ; 2025:111
Keywords [en]
Bifacial Photovoltaics, Albedo Boosters, Ray-Tracing Simulation, Sunsolve, Multi-Albedo Surfaces, PV Performance Validation, Renewable Energy Modeling
Keywords [sv]
Bifacial solceller, Albedoförstärkare, Strålgångssimulering, Sunsolve, Multi-albedoytor, Validering av PV-prestanda, Modellering av förnybar energi
National Category
Engineering and Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-371031OAI: oai:DiVA.org:kth-371031DiVA, id: diva2:2003239
External cooperation
Feedgy (Quantom SAS)
Supervisors
Examiners
2025-10-032025-10-032025-10-07Bibliographically approved