ITEM VIEW

The Influence of Dust Soiling on the Performance of Photovoltaic Modules in the Semi-Arid Areas of South Africa

dc.contributor.advisorStrauss, Johanen_ZA
dc.contributor.authorDu Plessis, Armanden_ZA
dc.contributor.otherStellenbosch University. Faculty of Engineering. Dept. of Electrical and Electronic Engineering.en_ZA
dc.date.accessioned2017-02-16T06:51:14Z
dc.date.accessioned2017-03-29T11:59:40Z
dc.date.available2017-02-16T06:51:14Z
dc.date.available2017-03-29T11:59:40Z
dc.date.issued2017-03
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/10019.1/101028
dc.descriptionThesis (MEng)--Stellenbosch University, 2017.en_ZA
dc.description.abstractENGLISH ABSTRACT: With various commercial photovoltaic (PV) power plants in South Africa located in the semiarid areas of the Northern Cape, this thesis provides field generated data for PV modules subjected to this environment. The effects of dust soiling, concerning the performance of PV modules, are analysed and the results obtained serve as a quantitative and mechanistic understanding for PV system engineers and investors. In attempt to determine whether cleaning PV modules is a relevant option, experimental dust mitigation methods are investigated. These methods include the application of a hydrophobic anti-soiling coating, as well as the execution of biweekly and long term (six months) cleaning routines, consisting of water based (wet) and dry cleaning methods. Results of these mitigation methods are compared to that of modules exposed indefinitely. The research objectives are successfully investigated by means of the design and commissioning of a PV research facility. The facility consists of 16 stationary mounted polycrystalline (pc-Si ) modules, analysed for the six month period of May to October 2016. A single axis tracker (SAT) system, is also designed and implemented. This provides the required experimental platform for the investigation of dust soiling on four tracking pc-Si modules, during a three month period of mid-August to November 2016. Raw data validation is established with comprehensive weather monitoring (ambient temperature, wind speed, wind direction, rainfall, pressure, and humidity), plane of array irradiance (GPOA) and PV module back sheet temperatures recorded, in accordance with the IEC 61724 standard. A MasterController, an intelligent data logging and communications device, is also designed and implemented, which is responsible for the gathering of the meteorological on-site data, measured at one minute log intervals. Also, as specified by the IEC 61724 standard, an intelligent device capable of extracting I-V curves, from individual PV modules at a 10 minute interval is utilised. PV module power output is derived from the measured I-V curves, validated with a singlediode curve fitting routine. A comparative study between various modules is analysed with a performance ratio (PR), defined as the temperature and irradiance corrected performance factor of a PV module. A clearness ratio (CR) is also used to further quantify dust soiling for the stationary modules, which compares the PR of modules to that of two reference modules, cleaned biweekly. For the six month stationary module analysis, results conclude a maximum recorded reduction in CR of 2.7 %. A maximum ideal PR difference of ~1:9 % is recorded for both the coated and uncoated sets of long term exposed modules, compared to the short term cleaned modules. This maximum deviation in performance is recorded after a 75 day absence of rainfall. The analysis does suggest that a rainfall of about 6 mm, every four to six weeks, is substantial to maintain the CR of unclean stationary modules, within 1 % of the cleaned reference modules. Results further indicate little to no deviation in performance between dry cleaned stationary modules and a set of water (distilled) cleaned modules. Regarding the SAT modules, a maximum ideal PR difference of 5.5 % is recorded for a coated, as compared to an uncoated module. The applied self-cleaning capability of the SAT system did not yield any conclusive remarks regarding this dust mitigation method. It is concluded that the hydrophobic coating for both topologies, stationary and tracking, promoted dust soiling. Finally, the research also suggests that SAT modules, which adopt a horisontal resting position during night time, are more vulnerable to dust soiling than stationary modules.en_ZA
dc.description.abstractAFRIKAANSE OPSOMMING: Met verskeie kommersiële fotovoltaïese (FV) kragstasies in Suid Afrika, geleë in die semidroë areas van die Noord-Kaap, voorsien hierdie tesis veld gegenereerde data vir FV panele, blootgestel aan hierdie omgewing. Die effek van stofbesoedeling aangaande die prestasie van FV panele word geanaliseer en die resultate verkry dien as 'n kwantitatiewe en meganistiese aanduiding vir FV stelselingenieurs en beleggers. In 'n poging om te bepaal of die skoonmaak van FV panele werklik van waarde is, word eksperimentele stofneerslagverminderingsmetodes ondersoek. Onder andere word die toepassing van 'n hidrofobiese-teenmiddel vir stofbesoedeling ondersoek, asook die uitvoer van tweeweeklikse en langtermyn (ses maande) skoonmaak roetines, wat water gebasseerde (nat) en droogskoonmaak metodes behels. Die resultate van hierdie stofneerslagverminderingsmetodes word vergelyk met FV panele wat onbepaald (lang termyn) blootgestel is aan die omgewing. Die navorsingsdoelwitte word suksesvol ondersoek deur middel van die ontwerp en ingebruikneming van 'n fotovoltaïesenavorsingsfasiliteit. Hierdie fasiliteit bestaan uit 16 stasionêre polikristallyne (pk-Si) panele, geanaliseer oor 'n ses maande tydperk vanaf Mei tot Oktober 2016. 'n Enkelasvolgerstelsel (EAV-stelsel) is ook ontwerp en geïmplementeer. Hierdie stelsel voorsien die nodige eksperimentele paltform om te bepaal wat die effgente toestel gebruik om die stroom en spanning (I-V) kurwes te onttrek vanaf individuele panele, teen 'n 10 minute interval. Die drywing gelewer deur die FV panele word afgelei vanaf die gemete I-V kurwes, deur middel van 'n toegepaste krommepassing, gebasseer op die enkeldiodemodel. 'n Vergelykende studie tussen verskeie panele is bewerkstellig deur middel van 'n prestasieverhouding (PV), wat gedefinieër word as die reggestelde prestasiefaktor van 'n paneel met betrekking tot die temperatuur en uitstralingsintensiteit waaraan 'n paneel blootgestel is. 'n Skoonheidsverhouding (SV) word ook toegepas om verder stofbesoedeling te kwantifiseer vir stasionêre panele, waar die PV van modules gemeet word, met betrekking tot die PV van twee verwysingsmodules, elk tweeweekliks skoongemaak.ek van stofbesoedeling op vier EAV, pk-Si panele is oor 'n drie maande tydperk vanaf middel Augustus tot en met November 2016. Die validasie van die proses van rou dataopname word bevestig met die meet van omvattende weermonitering (omgewingstemperatuur, windspoed, windrigting, reënval, lugdruk en humiditeit), fotovoltaïese-paneelvlak-uitstralings-intensiteit en die meet van FV paneel temperatuur, soos vereis deur die IEC 61724 standaard. 'n Intelligente data-insamelings-en-kommunikasietoestel, naamlik 'n MeesterBeheerder, is ook ontwerp en geïmplementeer, wat verantwoordelik is vir die opname van die meteorologiese data, gemeet in intervalle van een minuut. Verder, soos vereis deur die IEC 61724 standaard, is 'n intelli-gente toestel gebruik om die stroom en spanning (I-V) kurwes te onttrek vanaf individuele panele, teen 'n 10 minute interval. Die drywing gelewer deur die FV panele word afgelei vanaf die gemete I-V kurwes, deur middel van 'n toegepaste krommepassing, gebasseer op die enkeldiodemodel. 'n Vergelykende studie tussen verskeie panele is bewerkstellig deur middel van 'n prestasieverhouding (PV), wat gedefinieër word as die reggestelde prestasiefaktor van 'n paneel met betrekking tot die temperatuur en uitstralingsintensiteit waaraan 'n paneel blootgestel is. 'n Skoonheidsverhouding (SV) word ook toegepas om verder stofbesoedeling te kwantifiseer vir stasionêre panele, waar die PV van modules gemeet word, met betrekking tot die PV van twee verwysingsmodules, elk tweeweekliks skoongemaak. Vir die ses maande analise van die stasionêre panele, dui die resultate 'n maksimum afname vir die SV aan as 2.7 %. 'n Maksimum ideale PV verskil van 1.9 % is opgeteken vir beide van die behandelde en onbehandelde langtermyn blootgestelde panele, soos gemeet teenoor die ekwivalente korttermyn panele. Die maksimum prestasie afname van die panele is gemeet tydens die periode wat gekenmerk word deur 'n 75 dae tekort aan reënval. Die resultate dui egter daarop aan dat 'n reënval lesing van meer as 6 mm, elke vier tot ses weke, genoegsaam is om die SV van nie skoongemaakte panele, binne 1 % te onderhou met betrekking tot die skoongemaakte verwysingspanele. Die navorsing het verder aangedui dat daar geen noemenswaardige verskil in prestasie is tussen tweeweeklikse droogskoongemaakte panele en water skoongemaakte panele nie. Aangaande die EAV analise, is 'n maksimum verskil in die ideale PV van 5.5 % gemeet vir 'n behandelde paneel teenoor 'n onbehandelde paneel. Die toegepaste selfskoonmaak roetine van die EAV stelsel het egter geen beduidende resultate gelewer nie. Daarom, kan daar nie 'n gevolgtrekking gemaak word oor die toepaslikheid van so 'n stofneerslagverminderingsmetode nie. Die gevolgtrekking word gemaak dat 'n hidrofobiesebedekking inteendeel 'n verhoogde stoftoename tot gevolg gehad het. Uiteindelik dui die navorsing daarop dat die panele van 'n EAV stelsel, wat 'n horisontale rusposisie aanneem gedurende die aand, meer vatbaar is vir stofbesoedeling as stasionêre panele.af_ZA
dc.format.extent220 pages : illustrations, mapsen_ZA
dc.language.isoen_ZAen_ZA
dc.publisherStellenbosch : Stellenbosch Universityen_ZA
dc.subjectPhotovoltaic power systems -- Semi-Arid regionsen_ZA
dc.subjectUCTDen_ZA
dc.subjectPhotovoltaic power systemsen_ZA
dc.subjectDust controlen_ZA
dc.subjectHydrophobic surfacesen_ZA
dc.titleThe Influence of Dust Soiling on the Performance of Photovoltaic Modules in the Semi-Arid Areas of South Africaen_ZA
dc.typeThesisen_ZA
dc.rights.holderStellenbosch Universityen_ZA


Files in this item

Thumbnail
Thumbnail

This item appears in the following Collection(s)

ITEM VIEW