The effect of dust on the performance of solar photovoltaic module: Case studies in Nusa Tenggara Timur, Indonesia and Perth, Western Australia

The performance of a PV module tends to decrease as dust impinges onto its cover surface. The attached dust diminishes the illumination by absorbing and scattering sunlight received by the solar module. Degradation caused by dust is temporary, but it should not be underestimated. Many studies investigated the influence of dust accumulation on optical properties and its impact on PV module performance. However, less attention was given to the effect of dust on small scale PV systems such as residential systems. Also, most of the preceding literature were not supported with an economic analysis which can inform maintenance activity scheduling. This study aims to identify the effect of dust on the performance of solar PV modules in varying environmental conditions and cost effective maintenance schedule for both solar home system and residential grid-connected system. To study the effect of dust on PV performance in different climate areas, research was conducted in Nusa Tenggara Timur (NTT), Indonesia and Perth, Western Australia. A series of experiments in the laboratory was performed. A solar simulator was used to measure PV modules‟ performance. A combination of a spectrophotometer, scanning electron microscope, electron dispersive spectroscope and an X-ray diffraction machine were used to examine properties of dust. In addition to the laboratory experiments, a field study was carried out to investigate the effect of dust accumulated naturally on PV performance degradation deployed in the two regions. Characterization results revealed that dust in Perth exhibited angular shapes dominated by quartz, while porous particles with a large amount of calcium oxide were observed in dust from NTT. The grain size analysis showed that the percentage of clay and very fine silt of dust from Perth was higher than that from NTT. Therefore, at the same density, dust from Perth passed less light than that from NTT. Power output produced by PVs coated artificially with dust from Perth was lower than that from NTT although the difference was not statistically significant. The performance degradation of PV modules deployed in the field varied with season. In Perth, power output of the modules which was maximal at the beginning of summer decreased significantly at the end of the season. The performance was then increased, approaching the initial position at the end of autumn and reached a peak at the end of winter. A similar decrease in the summer‟s performance was observed in the modules at the end of spring. In NTT, the performance which was maximal at the beginning of wet season dropped slightly at the end of the season and had significantly decreased at the end of the dry season. PV performance variations were in agreement with dust density deposited on the examined PV modules. Seasons with less rainfall demonstrated more accumulation of dust compared to those with greater rainfall. In addition, as the tilt angle increased dust deposition decreased; as a result, the average transmittance of dust increased. For a one year period, power loss of PV modules due to dust was 4 - 6% and 16 - 18% for Perth and NTT, respectively. The greater degradation in NTT is attributed to the lower tilt angle of the PV modules, the higher relative humidity, and the longer dry season in the region. The effect of dust on PV performance for a long time period carried out in Perth revealed that the degradation of Pmax output of PV samples deployed for almost 18 years without any cleaning procedures were 8 - 12%. These losses are higher than that measured for the one year period and indicate that natural cleaning agents such as rain and wind could not remove dust particles attached on the surface of the PV modules perfectly. In addition to the power decrease, observation results in the field showed that the modules exhibited some permanent degradation indicated by corrosion, delamination, and discoloration. This may be attributed to hot spot phenomenon caused by dust for a long time period besides the age of the examined PV modules. Economic analysis revealed that annual cost of production losses of residential PV systems in Perth and NTT with a degradation pattern as measured in the field was higher than the maintenance cost activities. Consequently, the system in Perth needs once cleaning in a year, meanwhile twice for the system in NTT. This thesis, therefore, suggested more intense cleaning should be applied for PV modules mounted at lower latitude and deployed in a tropical climate area. Standard dust de-rating factor (5%) stipulated by Australian/New Zealand Standard 4509.2:2010 was appropriate for modelling a grid-connected PV system in Perth, but, the system required cleaning once per year. Conversely, the standard soiling loss factor of 5% was not suitable for solar home system modelling in NTT as the estimation of the impact of dust was underestimated. Thus, this thesis recommended that the soiling de-rating factor should vary between regions and with season. This will improve the accuracy and the reliability of PV system models

PV System Design and Performance

Photovoltaic solar energy technology (PV) has been developing rapidly in the past decades, leading to a multi-billion-dollar global market. It is of paramount importance that PV systems function properly, which requires the generation of expected energy both for small-scale systems that consist of a few solar modules and for very large-scale systems containing millions of modules. This book increases the understanding of the issues relevant to PV system design and correlated performance; moreover, it contains research from scholars across the globe in the fields of data analysis and data mapping for the optimal performance of PV systems, faults analysis, various causes for energy loss, and design and integration issues. The chapters in this book demonstrate the importance of designing and properly monitoring photovoltaic systems in the field in order to ensure continued good performance

The Detector System of the KATRIN Experiment - Implementation and First Measurements with the Spectrometer

This thesis describes work performed in the context of the Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN) experiment which is targeted to determine the absolute neutrino-mass scale with an unrivaled sensitivity of 200 meV (90% C.L.). With respect to the challenges faced by the KATRIN spectrometer and detector section, the main objectives of this thesis are to install, to commission and to characterize the detector system as well as to examine spectrometer-related and detector-based backgrounds

Aurinkokennojen ulkotestausasema

The focus of this work is on the preparation and testing of a measurement system for real life outdoor testing of emerging photovoltaic devices, namely dye-sensitized solar cells and perovskite solar cells. While laboratory level accelerated aging tests for solar cells are a powerful tool for studying the stability of the cells in longtime operation, such tests do not cover all environmental variations present under real outdoor environment. Hence, when going forward in lifetime testing, outdoor testing of the emerging solar cell technologies becomes critical in evaluation of their suitability for commercialization. The new station was designed according to ISOS standards for organic solar cell outdoor aging tests: it is capable to monitor the current-voltage characteristics of the tested cells, provide adjustable electric load for the cells, and record weather values. A short aging test was performed with this new station for dye-sensitized solar cells during late autumn in Finland, when the weather varied from mildly warm autumn weather to freezing and snowy. The lightly encapsulated cells did suffer from degradation during the test since their short circuit current decreased. The degradation did not occur during the frosty period but instead during the warmer, rainy periods so the cause of degradation was most likely moisture. Additionally, the tested cells were able to generate current at sub-zero temperatures about as well as in warmer environments, which has not been previously reported in literature for dye-sensitized solar cells.Tämän työn aiheena on kehittyvien aurinkokennojen, etenkin väriaineherkistettyjen ja perovskiitti-aurinkokennojen, ulkotestausaseman rakentaminen ja testaaminen. Laboratoriotason aurinkokennojen kiihdytetyt ikäännytyskokeet ovat tehokas työkalu tutkimaan kennojen vakautta pidemmän ajan käytössä, mutta nämä kokeet eivät kata kaikkia oikeassa ulkoilmassa esiintyviä vaihteluita. Tästä johtuen, kehittyvien aurinkokennoteknologioiden testaaminen ulko-olosuhteissa on tärkeä vaihe, kun niiden soveltuvuutta kaupallistamiseen arvioidaan. Laitteiston suunnittelussa huomioitiin ISOS standardit orgaanisten aurinkokennojen ulkoikäännytysmittauksille: se mittaa testikennojen virta-jännite yhteyttä, kuormittaa kennoja sähköisesti sekä tallentaa sääarvoja. Uudella laitteistolla suoritettiin myös lyhyt ikäännytyskoe väriaineherkistetyillä aurinkokennoilla myöhään syksyllä, jolloin sää vaihteli lämpöisestä syyskelistä lumisiin pakkaskeleihin. Kevyesti suojatut testikennot kärsivät kulumisesta testauksen aikana, koska niiden oikosulkuvirta laski. Kuluminen ei kuitenkaan ajoittunut pakkasjaksoon, vaan lämpöisempiin sadejaksoihin, eli kulumisen syy oli mitä luultavimmin kosteus. Testatut kennot pystyivät lisäksi tuottamaan virtaa pakkasessa kutakuinkin yhtä lailla kuin lämpöisemmässä kelissä, mistä ei ole aikaisempaa tutkimusta kirjallisuudessa väriaineherkistettyjen aurinkokennojen alalla

Bioreplicated Light-Harvesting Layers for Photovoltaics

Die hierarchischen Mikro-/Nanostrukturen, welche die Blütenblattoberflächen einer Vielzahl von Blütenpflanzen zieren, weisen oftmals hervorragende Lichtsammlungs- sowie Selbstreinigungseigenschaften auf. Diese Qualitäten können mit Hilfe von direkten Replikationsverfahren technisch nutzbar gemacht werden, beispielsweise für die photovoltaische Stromerzeugung. Replikationsverfahren zielen darauf ab die multi-skalige Oberflächenstruktur von Blütenblättern in ein transparentes Polymer zu übertragen und auf der Vorderseite von Solarmodulen aufzubringen. Im Laufe der letzten Jahren haben sich hauptsächlich Polymerabgüsse und die sog. Soft-Imprint Nanolithographie als gängige Verfahren zur direkten Kopie von (sowohl künstlich hergestellten, als auch) natürlichen Mikro-, Nano-, und multi-skaligen Strukturen in adäquate technische Materialien, wie z.B. Polymere zur Ausnutzung ihrer hochoptimierten optischen und/oder Benetzungseigenschaften für optoelektronische Bauteile, etabliert. Eine großflächige Anwendung dieser Verfahren wurde jedoch bislang aufgrund der naturgegebenen Maximalgröße von Blütenblättern nicht etabliert. Des Weiteren kann auf Basis eines einzigen Polymerstempel nur eine limitierte Anzahl an Replikaten mit hoher Strukturqualität mittels Soft-Imprint hergestellt werden. Ein Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Überwindung dieser Hürden durch Weiterentwicklung der Replikationstechniken für pflanzliche Oberflächenstrukturen. Eine solche, in der Fläche hochskalierte Bioreplikationsmethode mit gleichzeitig erheblich gesteigertem Durchsatz wird in dieser Arbeit am Beispiel der hierarchischen Oberflächenstruktur von Rosenblütenblättern als natürliche Strukturvorlage aufgezeigt. Das vorgestellte Verfahren basiert auf der Entwicklung metallischer Prägewerkzeuge, welche in einem statischen Heißprägeprozess eingesetzt werden. Diese Entwicklung ermöglicht die Herstellung von Replikaten pflanzlicher Oberflächenstrukturen mit hoher Strukturqualität, in nie dagewesener Stückzahl, und erstmals auch in einer für eine Integration in kommerzielle Solarmodule relevanten Größe. Die hochskalierten, temperaturstabilen und mechanisch robusten Prägewerkzeuge werden dabei per galvanischer Nickelabscheidung hergestellt. Die primäre Strukturvorlage für diesen Prozess wird dabei durch vorsichtige Aneinanderreihung mehrerer natürlicher Rosenblütenblätter zu einer möglichst lücken- und nahtlos strukturierten Einheit erzeugt. Der Heißprägeprozess zur Herstellung hochskalierter Polymerreplikate der Rosenblütenblattstruktur wird anhand von drei verschiedenen, transparenten Folienmaterialien diskutiert. Sowohl für Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), und Fluorethylen-Propylen (FEP) wird mit Hilfe des entwickelten Replikationsverfahrens eine hervorragende Strukturtreue über mehrere Längenskalen hinweg, vom sub-Mikrometer Bereich bis hin zu makroskopischen Merkmalen, mit gleichzeitig nahezu durchgängiger Strukturierung bei einer gesamten Strukturfläche von bis zu 12.5 cm×10.0 cm pro Replikat erzielt. Als vorderseitige Beschichtung für Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS) Solarzellen erweisen sich heißgeprägten Rosenreplikate als effektive Antireflex- und Light-Trapping-Maßnahme für einen breiten Spektralbereich und besonders für Lichteinfallswinkel >50°. Mit heißgeprägten Rosenreplikaten aus PMMA lässt sich sogar bei senkrechtem Lichteinfall eine gegenüber einer optimierten Magnesiumfluorid (MgF2) Antireflexbeschichtung verbesserte Antireflexwirkung feststellen. Optoelektronische Messungen bestätigen, dass sich diese Reflexionsverminderung auch entsprechend auf die Nennleistung der Solarzellen auswirkt, mit einer um im Mittel um 5.7%±0.6% gesteigerten Umwandlungseffizienz (verglichen mit den jeweiligen Solarzellen vor Aufbringung der Antireflexschichten) im Falle von PMMA Rosenreplikaten und 4.5%±1.6% für MgF2 Dünnschicht-Antireflexbeschichtungen. Weiter wird gezeigt, dass heißgeprägte Rosenreplikate auch mit wasserabweisenden Eigenschaften (mit einem statischer Kontaktwinkel von 134.4°±4.3°) erzeugt werden können, sogar ohne dabei auf zusätzliche Schritte zur Oberflächenmodifikation zurückgreifen zu müssen. Dazu wird als Ausgangsmaterial für den Heißprägeprozess ein Polymermaterial mit geringer freier Oberflächenenergie benötigt, was beispielsweise bei FEP gegeben ist. Wassertropfen, die auf geneigte FEP Rosenreplikate fallen, perlen von diesen sofort und restlos ab, was auf eine potentielle Eignung von FEP Rosenreplikaten zur Produktion selbstreinigender Solarmodule hindeutet. Der Leistungszuwachs, der durch die Anwendung der hochskalierten PMMA Rosenreplikate bewirkt wird, wird des Weiteren auch unter realistischen Betriebsbedingungen über neun Monaten Betrieb unter Außenbedingungen in Karlsruhe (Deutschland) untersucht, und zwar für 10 cm×10 cm CIGS und siliziumbasierte Solarmodule unter verschiedenen Modulneigungswinkeln und Modulorientierungen. Besonders hohe Steigerungen der täglichen Energieausbeute verglichen mit einem Referenzmodul ohne strukturierte Polymerfolie von bis zu deutlich über 10% werden dabei vor allem unter Aufstellbedingungen gemessen, die mit viel direkter Sonneneinstrahlung unter schrägem Lichteinfall einhergehen. Mit Hilfe beschleunigter Alterungs- und Abnutzungstests, welche standardisierten Testprotokollen aus der PV Industrie nachempfunden sind, wird außerdem auf die potentielle Langzeiteignung solch strukturierter Folien auf Solarmoduloberflächen hingewiesen. Außerdem werden die optischen Eigenschaften typischer Blütenblattstrukturen auf Solarzellen mit Hilfe einer speziell entwickelten 3D Mikrostruktur-Modellierungs- und Simulationsroutine, basierend auf Monte-Carlo-Raytracing und der Transfer-Matrix-Methode, hinsichtlich des Einflusses ungeordneter Strukturbausteine auf die Lichteinkopplungseigenschaften im Detail diskutiert. Durch Variation der Stärke der strukturellen Unordnung sowohl in der Höhe, der Anordnung, als auch der Neigung der Strukturbausteine der betrachteten, Blütenblattepidermis-inspirierten Mikrostrukturen lässt sich zeigen, dass ihre winkelabhängigen Reflexionseigenschaften nur schwach von Unordnung abhängen und in erster Linie vom mittleren Aspektverhältnis und der mittleren Packungsdichte der Strukturbausteine bestimmt werden. Schließlich werden die Polarisationseigenschaften von an Solarmodulen reflektiertem Licht hinsichtlich der möglichen schädlichen Auswirkungen auf polarotaktische Insektenarten diskutiert. Die vorderseitige Glasabdeckung herkömmlicher Solarmodule reflektiert aufgrund ihrer glatten Oberfläche linear polarisiertes Licht, wobei der Polarisationsgrad vom Einfallswinkel/ Betrachtungswinkel abhängt (vollständige lineare Polarisation bei Betrachtung unter dem Brewster-Winkel). Unbeabsichtigt wird dadurch der Insektenfauna geschadet, da polarotaktische Insekten Solarmodule als solche nicht erkennen und diese fälschlicherweise oft als Gewässer identifizieren, was dann beispielsweise eine Eierablage an einem ungeeigneten Ort und damit den Verlust der Nachkommen zur Folge haben kann. Experimente im Freifeld zeigen jedoch erstmals, dass keinerlei derartige schädliche Anziehungswirkung auf polarotaktische Eintagsfliegen (Ephemeroptera: Ephemera danica) und Bremsen (Diptera: Tabanidae) im Falle von PMMA Rosenreplikaten auf Solarmodulen zu befürchten ist. Basierend auf bildgebender Polarimetrie und Monte-Carlo-Raytracing-Simulationen werden diese Resultate auf die optischen Eigenschaften mikrostrukturierter Oberflächen zurückgeführt

Solar Power

A wide variety of detail regarding genuine and proprietary research from distinguished authors is presented, ranging from new means of evaluation of the local solar irradiance to the manufacturing technology of photovoltaic cells. Also included is the topic of biotechnology based on solar energy and electricity generation onboard space vehicles in an optimised manner with possible transfer to the Earth. The graphical material supports the presentation, transforming the reading into a pleasant and instructive labor for any interested specialist or student

Computational Intelligence for Modeling, Control, Optimization, Forecasting and Diagnostics in Photovoltaic Applications

This book is a Special Issue Reprint edited by Prof. Massimo Vitelli and Dr. Luigi Costanzo. It contains original research articles covering, but not limited to, the following topics: maximum power point tracking techniques; forecasting techniques; sizing and optimization of PV components and systems; PV modeling; reconfiguration algorithms; fault diagnosis; mismatching detection; decision processes for grid operators

International Lighting in Controlled Environments Workshop

Lighting is a central and critical aspect of control in environmental research for plant research and is gaining recognition as a significant factor to control carefully for animal and human research. Thus this workshop was convened to reevaluate the technology that is available today and to work toward developing guidelines for the most effective use of lighting in controlled environments with emphasis on lighting for plants but also to initiate interest in the development of improved guidelines for human and animal research