Handbook of Photovoltaic Science and Engineering

This Page Intentionally Left Blank

---

20
Energy Collected and Delivered
by PV Modules
Eduardo Lorenzo
Instituto de Energ´ıa Solar – Universidad Polit´ecnica de Madrid, Madrid, Spain
20.1 INTRODUCTION
This chapter deals with two different questions: “How much solar radiation reaches the
surface of a photovoltaic (PV) collector?” and “What is the conversion efficiency of
this solar radiation into electricity?” Both questions are analysed from the PV-system
designer’s point of view, whose ultimate interests, depending on the type of application,
are the determination of the PV collector surface needed to provide a certain required
service, and the estimation of the average electricity yield from a certain PV array.
The input information available for the PV designer is usually restricted to the
12 monthly mean values of global horizontal irradiation, that characterise the solar climate
of the location, and to the electrical characteristics of the PV modules under Standard
Test Conditions (STC), as provided by its manufacturers. This chapter contains a whole
set of procedures applicable to most PV engineering practical problems using only this
input information. In particular, models to predict the long-term evolution of the solar
radiation incident over any arbitrarily oriented surface, and also models to anticipate the
electricity output of PV arrays operating in other than STC are described. Looking for
practical usefulness, the chapter is, as far as possible, self-contained and the formulae are
presented in such a way, that they can be applied directly to practical problems, even if
sometimes empirical or cumbersome expressions have to be introduced. Some examples
intended to clarify the proper use of the formulae have also been included.
The two above-mentioned questions intrinsically differ in nature. The random char-
acter of the solar radiation over the Earth implies that answers to the first question are
never more than future predictions, unavoidably associated with a degree of uncertainty
(even if very good past solar radiation data are available). This uncertainty is more than
is commonly assumed, and represents a serious limit to the accuracy (or, more strictly, to
Handbook of Photovoltaic Science and Engineering
. Edited by A. Luque and S. Hegedus

2003 John Wiley & Sons, Ltd
ISBN: 0-471-49196-9

---

906
ENERGY COLLECTED AND DELIVERED BY PV MODULES
the significance) of the results of any PV design exercise, irrespective of the complexity
of the radiation and PV array models supporting the particular design tool. This means
that for stand-alone PV systems, reliability can only be properly estimated for Loss of
Load Probabilities greater than 10
−
2
. For grid-connected systems, it implies that yield
predictions should be understood to have an uncertainty that can reach up to
±
30%, for
monthly values, and
±
10% for annual ones.
Regarding the behaviour of PV modules in arbitrary operating conditions, an
I
–
V
model based on the incident irradiance and ambient temperature is presented. Particular
attention is paid to the consideration of incidence angle effects, which can be significant
in several real situations. Further refinements to incorporate the effects of wind speed,
solar spectrum and low irradiance effects are also described. These second-order effects
help to explain temporary differences between predicted and observed values, but are of
minor importance when long-term energy production calculations are considered.
Finally, some problems related to relevant applications are particularly addressed:
the reliability of stand-alone PV systems, the case of Solar Home Systems (SHS) (char-
acterised by a large variety of individual real energy consumption values in contrast to
only a few standard ones for design purposes), and the energy yield of grid-connected
PV systems.