Photovoltaic Panel Hotspots Model. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Master-Thesis.pdf Download (5MB) | Preview

Arabic Abstract

تعتبر ظاهرة النقاط الساخنة في الخلايا الشمسية المتولدة عن ازدياد درجات الحرارة عن حدها المسموح نتيجة خلل معين في اداء الخلية خطرا حقيقيا يهدد عمل وكفائة الخلايا خاصة في البيئة التى تمتاز بارتفاع درجات الحرارة خلال فصل الصيف كما في المملكة العربية السعودية. هذه الظاهرة اصبحت محل اهتمام ودراسة الباحثين في الطاقة المتجددة. حيث انها تهدد العمر الزمني لعمل الالواح الشمسية وكذلك تقلل من كفائة انتاجها للتيار الكهربائي بشكل ملحوظ. تنشأ النقاظ الساخنة لعدة اسباب منها: تعرض الخلايا الشمسية للتظليل الكلي او الجزئي اما بسبب الالواح المجاورة او المباني المرتفعة او الهوائيات المنتشرة في منطقة تركيبها، او من فضلات الطيور واوراق الاشجار المتطايرة والاتربة المتراكمة لفترات زمنية طويلة. مما يؤدي الى عدم انتظام توزيع ضوء الشمس على سطح الخلايا وهذا يؤدي بدوره الى عدم انتظام سريان التيار الكهربائي في الخلايا المظلله حيثُ انها اصبحت مظلمة وغير قادرة على انتاج التيار كباقي الخلايا الغير مظلله، مما يجعلها تعمل في حالة الانحياز العكسي وبالتالي تيارا اقل يمر فيها عن تيار باقي الخلايا التى تعمل بشكل منتظم في منظقة الانحياز الامامي. الالواح الشمسية تتكون من مجموعة كبيرة من الخلايا المتصلة على التوالي التى تحمل نفس التيار الذي تنتجة خليه واحده . في حالة حصول ظاهرة النقاط الساخنة مع ارتفاع درجة الحرارة، فان الخلايا المظلمة توثر على تيار باقي الخلايا المتصله معها وبالتالي تتغير الخصائص الكهربائية وتصبح جميعها متغيرة مع درجة حرارة الخليه خاصة قيم المقاومات الداخلية. هذا كله يؤدي الى تبديد الطاقة الكهربائية عبر هذه المقاومات في الخلايا المصابة على شكل حرارة تزيد من حرارة اللوحة مما يؤثر على كفائه انتاجها للطاقة ومن ثم تدمير الالواح واحراقها مع مرور الوقت. مصانع انتاج الخلايا الشمسية اوجدت بعض الحلول للحد من تاثير هذه الظاهره. وبعضها يعتبر ناجحا الى حد ما مثل تركيب ثنائيات موصلة بالتوازي مع كل مجموعه من الخلايا الشمسية لتحييد الخلايا المصابة واستمرار سريان نفس التيار الكهربائي للخلايا التى تعمل بشكل سليم. لكنها لا تلغي اثر الظاهرة بشكل كامل. هذه الرسالة تناقش الظاهرة بالتفصيل، وتدرس ازدياد ونقصان المقاومات المتصلة على التوالي والتوازي بالتركيب الداخلي للخلية، وكيف تتغير مع درجات الحرارة، ومقدار الطاقة المفقودة من خلالها، كذلك تدرس عمل الخلية الشمسية في منطقة الانحياز العكسي وترسم المنحنيات الكهربائية لها في تلك المنطقة. كل ذلك باستخدام برنامح المحاكاة الماتلاب. وتصميم نظام يرتكز على التركيب الداخلي للخلية لتتبع تطور الظاهرة وسريان التيار الكهربائي في الخلايا المصابة وثنائيات الحماية وكذلك التيار المتبدد في مقاومات الخلية المظلمة. ومن ثم ندرس اثر الظل على الخلايا عند اشتداد درجات الحرارة وكيف يعمل الثنائي وكيف تتوزع درجات الحرارة في مناطق الخلية. لعمل ذلك والتحقق من صحة التصميم استخدمنا تقنية الاشعة تحت الحمراء باستخدام كاميرا حرارية متطورة لتصوير سلوك عمل الخلية عند حدوث الظل، وكذلك التقاط صور حرارية للخلية التي تعمل عند الانحياز العكسي للجهد، وتحديد التيار الذي يعبر كل جزء في تلك الخلية.

English Abstract

The hot spot phenomenon is regarded as preliminary damage occurring in solar panels. The hot spot reduces the production power of the panel and its lifetime. In extreme cases, the panel could be physically destroyed due to excessive heat. The hot spots consequence of localized warming of solar cells due to faults that oftentimes result from partial and full shading or different outside forces reasons that lead to power dissipation instead of power generation of the module. However, there remains a shortage of widely agreeable methods for processing with them in real life and practical works. Moreover, this heating area can destroy and decay panel efficiency. Bypass diodes are generally installed in solar cells to kill that phenomenon risk, but it does not eliminate the hot spot perfectly. This thesis focuses on the electrical and the thermal behavior of the solar cells that are working under the backward biased situations. This contains a) estimate the reverse I-V curves that are subject to the shading levels applied to the cell, b) thermography of solar cells operated under reverse biased to investigate the shunt and bypass diode current distribution, and c) investigation of the critical temperatures which leads to overheating cells under shade. Solar panel with full detailed hot spot current distribution model is developed. The model is based on the Bishop circuit. The model uses an electrical, detailed representation of Photovoltaic Panel (PV) represented in Matlab /Simulink. Simulation results confirm that shading rates can control the hot spot effect on power output because it depends on the backward voltage and leakage current, and observed the bypass diode working process in all operating conditions. Also, the model has a capability of dealing with a variation of temperature and irradiation on the shunt and series resistances. The model was examined for different shading levels. The obtained results were compatible with the previous related work. The model reached detailed estimation of the current distribution and all power calculations inside the test panel strings. The results have been satisfactory. The model obtained is generally applicable as a tool for all power calculations during the hot spot risk, so it can be used for any model configuration under any operating conditions of irradiation and temperatures.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Belhaj, Chokri
Committee Members:	Deriche, Mohamed and Ben-Mansour, Rached
Depositing User:	IBRAHIM BANAT (g201406700)
Date Deposited:	10 May 2017 05:05
Last Modified:	01 Nov 2019 16:35
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140136