The effects of roof-integrated reflectors on solar panels in Finland

Abstract

Global energy demand is rising as urbanization and electrification expand. Fossil fuels, which dominate most countries’ energy systems, are finite and expected to become more costly and decline in use over time. In contrast, solar energy offers an environmentally friendly alternative that has experienced rapid growth in the past decade. Improvements in solar panel technology have enhanced manufacturing, boosted production, and lowered costs, leading to widespread adoption worldwide. Several factors, such as the solar panel’s location, orientation, temperature, and radiation levels, influence their output. A simple way to improve their efficiency is by using reflectors to direct more sunlight onto the panels.

This thesis is written as a commission for FF-Future Oy. The goal of the study is to evaluate the overall usability of reflectors as solar power enhancers through a literature review and to optimize the reflector's geometry to maximize the electricity output of solar panels in Finland. The optimization parameters include the reflector size, the reflectivity coefficient of the reflector material, and the tilt angle of both the reflector and the solar panel. The literature examines the impact of reflectors on solar panel output and radiation received, using either empirical outdoor experiments or computational analyses of the solar panel system geometry and radiation data. Both methods are used in the thesis to achieve more accurate results.

Reflectors increase the incident radiation on solar panels by an average of 15–40% annually, depending on location and optimization settings. Aluminum is the most effective reflector material, often coated to enhance durability. Other system parameters, such as tilt angles, are adjusted to achieve maximum solar energy output. A review of the literature shows that most studies focus on regions with high solar energy potential, like the Mediterranean, the Middle East, India, and Southeast Asia. Solar radiation varies greatly by location and weather conditions, so the most accurate yield estimates for each area are usually approximations.

According to the simulations in the thesis, under optimal installation angle and lighting conditions in Finland, the reflector's annual increase in radiation is approximately 35–38%. The highest yield improvement occurs in summer due to Finland's northern latitude. In outdoor tests, incident radiation increased by about 25% on the test day with standardized parameters using an aluminum reflector. The measurement and simulation results in the thesis confirm the overall assessment from the literature review regarding the significant additional yield of reflectors combined with solar panels, even in northern latitudes.

Maailman energiantarve kasvaa kaupungistumisen ja sähköistymisen myötä. Fossiiliset polttoaineet, jotka hallitsevat useimpien maiden energiajärjestelmiä, ovat rajallisia ja niiden ennustetaan vähenevän ja kallistuvan tulevaisuudessa. Aurinkoenergia on ympäristöystävällinen vaihtoehto, jonka käyttö on kasvanut räjähdysmäisesti viimeisten kymmenen vuoden aikana. Aurinkopaneelien teknologinen kehitys on edennyt hyvin nopeasti ja valmistusprosessien vakiintuessa ja tuotantomäärien kasvaessa paneelin hinnat ovat myös laskeneet nopeasti. Tämä on osaltaan kiihdyttänyt niiden käyttöä maailmalla. Aurinkopaneelien sähkön tuottavuuteen vaikuttavat useat tekijät, kuten paneelien sijainti, suunta, lämpötila ja säteilyn määrä. Yksinkertainen keino parantaa aurinkopaneelien tuottavuutta on suunnata niihin auringon säteilyä heijastimien avulla.

Tämä diplomityö on kirjoitettu FF-Future Oy:n toimeksiannosta. Työn tarkoituksena on arvioida heijastimen käyttökelpoisuutta aurinkovoiman tehostimena kirjallisuuskatsauksen avulla ja optimoida heijastimena käytettävän eristeen geometria aurinkopaneelien sähkön tuotannon maksimoimiseksi Suomessa. Optimointiparametreina ovat heijastimen koko, heijastinmateriaalista heijastuvuuskerroin sekä heijastimen ja aurinkopaneelin kaltevuuskulma. Kirjallisuudessa heijastimen vaikutusta aurinkopaneelin tuottoon ja siihen kohdistuvaan säteilyyn testataan empiirisesti eli ulkotesteillä tai laskennallisesti aurinkopaneelijärjestelmän geometrian ja säteilytilastojen avulla. Diplomityössä käytetään molempia tapoja tarkemman tuloksen saamiseksi.

Heijastimet lisäävät aurinkopaneeleihin kohdistuvaa säteilyä keskimäärin 15–40 % vuodessa sijainnista ja optimointiparametreistä riippuen. Paras heijastinmateriaali on ylivoimaisesti alumiini, joka yleensä pinnoitetaan kestävyyden parantamiseksi. Muita järjestelmän parametreja, kuten kaltevuuskulmia, muutetaan, kunnes saavutetaan paras energiantuotto. Kirjallisuuskatsauksen mukaan useimmat tutkimukset kohdistuvat korkean aurinkoenergian potentiaalin alueille, kuten Välimerelle, Lähi-Itään, Intiaan ja Kaakkois-Aasiaan. Auringon säteily vaihtelee merkittävästi sijainnin ja sään mukaan, joten tarkimmat tuottolaskelmat kunkin alueen osalta ovat arvioita.

Diplomityön simulaatiolaskujen mukaan Suomessa optimaalisissa olosuhteissa heijastimen aiheuttama säteilymäärän kasvu on noin 35–38 % vuodessa. Suurin tuoton kasvu kohdistuu kesään Suomen pohjoisen sijainnin takia. Ulkona suoritetuissa testeissä säteily kasvoi alumiiniheijastimella noin 25 % testauspäivänä vakioiduilla parametreilla. Diplomityön mittaus- ja simulaatiotulokset vahvistavat kirjallisuuskatsauksen kokonaisarvion heijastimen huomattavasta lisätuotosta aurinkopaneelien kanssa myös pohjoisilla leveyspiireillä.