The Influence of Dust Soiling on the Performance of Photovoltaic Modules in the Semi-Arid Areas of South Africa
Date
2017-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH 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.
AFRIKAANSE 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.
AFRIKAANSE 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.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2017.
Keywords
Photovoltaic power systems -- Semi-Arid regions, UCTD, Photovoltaic power systems, Dust control, Hydrophobic surfaces