A feasibility study of photovoltaic snow mitigation systems for flat roofs

Iver Frimannslund,

Thomas Thiis

Abstrakt

A new photovoltaic system combining electrical power production with snow mitigation intends to reduce the snow load on flat roofs. Applying electrical power to PV modules causes heat production on the module surface, allowing the ablation of snow. This study combines measurements and theoretical analysis to investigate which conditions are favourable for snow load reduction and discusses the system’s feasibility to perform a controlled snow load reduction in a heavy snow load scenario for buildings with flat roofs. Both melting and sublimating of snow are investigated as means to reduce the load. The results show that the potential for load reduction is highly dependent upon weather conditions and snowpack characteristics during system operation. The refreezing of meltwater and water saturation of snow are identified as phenomena potentially preventing sufficient load reduction in cold conditions. Due to such temperature sensitivity, the system is likely to be more suitable for warm climates occasionally experiencing heavy snow loads than for climates with long and cold winters.

Keywords: snow, PV systems, load reduction, roofs, reliability, climate robustness

Studium wykonalności fotowoltaicznych systemów ograniczania śniegu dla dachów płaskich

Streszczenie

Nowy system fotowoltaiczny łączący produkcję energii elektrycznej z ograniczaniem śniegu ma na celu zmniejszenie obciążenia śniegiem na dachy płaskie. Zastosowanie energii elektrycznej w modułach fotowoltaicznych powoduje wytwarzanie ciepła na powierzchni modułu, umożliwiając ablację śniegu. Niniejsze badanie łączy pomiary i analizę teoretyczną w celu zbadania, które warunki sprzyjają zmniejszeniu obciążenia śniegiem i omawia możliwości systemu w zakresie kontrolowanej redukcji obciążenia śniegiem w scenariuszu dużego obciążenia śniegiem dla budynków z płaskimi dachami. Zarówno topienie, jak i sublimacja śniegu są badane jako sposób na zmniejszenie obciążenia. Wyniki pokazują, że potencjał zmniejszenia obciążenia zależy w dużym stopniu od warunków pogodowych i charakterystyki śniegu podczas pracy systemu. Ponowne zamoczenie wody morskiej i nasycenie wody śniegiem są identyfikowane jako zjawiska potencjalnie uniemożliwiające wystarczające zmniejszenie obciążenia w niskich temperaturach. Ze względu na taką wrażliwość na temperaturę system może być bardziej odpowiedni do ciepłych klimatów, czasami doświadczając większych obciążeń śniegiem niż w klimatach o długich i zimnych zimach. 

Słowa kluczowe: śnieg, systemy PV, redukcja obciążenia, dachy, niezawodność, odporność na klimat

References

[1] Aarseth B.B., Øgaard M.B., Zhu J., Strömberg T., Tsanakas J.A., Selj J.H., Marstein E.S., Mitigating Snow on Rooftop PV Systems for Higher Energy Yield and Safer Roofs, presented at EU PVSEC 2018: 35th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Brusells 2018.

[2] Bylund P.-O., Johansson J., Albertsson P., Injuries sustained during snow removal from roofs resulting in hospital care, International journal of injury control and safety promotion, Vol. 23, 2016, 105–109.

[3] Croce P., Formichi P., Landi F., Mercogliano P., Bucchignani E., Dosio A., Dimova S., The snow load in Europe and the climate change, Climate Risk Management, Vol. 20, 2018, 138–154.

[4] Diamantidis D., Sykora M., Lenzi D., Optimising Monitoring: Standards, Reliability Basis and Application to Assessment of Roof Snow Load Risks, Structural Engineering International, Vol 28(3), 2018, 269–279.

[5] Ferreira A., Thiis T.A., Freire N., Experimental and computational study on the surface friction coefficient on a flat roof with solar panels, Proceedings of the 14th International Conference on Wind Engineering, Vol. 12, 2015.

[6] FLIR, http://www.flir.eu/home (accessed: 01.02.2017).

[7] Frimannslund I., Measurements and analysis of snow load reduction on flat roofs using a photovoltaic system in heating mode, in Department of Mathematical Sciences and Technology, Norwegian University of Life Sciences, 2017, p. 157.

[8] Innos AS, www.innos.no (accessed: 18.10.18).

[9] International Electrotechnical Commission, IEC 62446. Grid connected photovoltaic systems – Minimum requirements for system documentation, commissioning tests and inspection, 2009.

[10] International Organization for Standarization, ISO 4355 Bases for design of structures, Determination of snow loads on roofs, 2013.

[11] IPCC, Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Report by WG1AR5, 2013.

[12] Kamimura S., Risk analysis on snow-related casualty cases in Niigata Prefecture, Japan, presented at Snow Engineering V: Proceedings of the Fifth International Conference on Snow Engineering, 5–8 July, Davos, Switzerland, 2004, CRC Press.

[13] Krasting J.P., Broccoli A.J., Dixon K.W., Lanzante J.R., Future Changes in Northern Hemisphere Snowfall, Journal of Climate, Vol 26(20), 2013, 7813–7828.

[14] Kvande T., Tajet H.T.T., Hygen H.O., Klima- og sårbarhetsanalyse for bygninger i Norge – Snølast og våt vinternedbør, SINTEF Byggforsk, 2013, p. 44.

[15] Lemke P., Ren J., Alley R.B., Allison I., Carrasco J., Flato G., Fujii Y., Kaser G., Mote P., Thomas R.H., et al., Observations: Changes in Snow, Ice and Frozen Ground, 2007, 337–383.

[16] Meløysund V., Prediction of local snow loads on roofs, in Department of Structural Engineering, Norwegian University of Science and Technology, Trondheim 2010, p. 42.

[17] Meløysund V., Karl V.H., Bernt L., Lisø K.R., Economical effects of differentiated roof snow loads, [in:] Proc. of the 6th International Conference on Snow Engineering, Engineering Conference International, New York 2008.

[18] Meteorologisk Institutt, www.eklima.no (accessed: 24.10.18).

[19] Oke T.R., Boundary layer climates, Second edition, Routledge, London 1987, p. 460.

[20] Pix4D, https://pix4d.com (accessed: 30.10.2016).

[21] Räisänen J., Warmer climate: less or more snow?, Climate Dynamics, Vol. 30(2), 2008, 307–319.

[22] Räisänen J., Eklund J., 21st Century changes in snow climate in Northern Europe: a highresolution view from ENSEMBLES regional climate models, Climate Dynamics, Vol. 38(11), 2012, 2575–2591.

[23] Standard Norge, NS-EN 1991-1-3:2003+NA:2008.

[24] Steenberg R.D.J.M., Geurts C.P.W., Bentum C.A., Climate change and its impact on structural safety, Heron, Vol. 54(1), 2009, 3–35.

[25] Strasser U., Snow loads in a changing climate: new risks?, Natural hazards and Earth System Science, Vol. 8(1), 2008, 1–8.

[26] Testo, Practical Guide, Solar Panel Thermography, New Jersey 2014, p. 19.

[27] Tipler P.A., Mosca G., Physics For Scientists and Engineers, 6th ed. W.H. Freeman and Company, New York 2008.