Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2024.

Bibliography: pages 149- 178.

Solar energy, as a high-potential renewable energy source, is rapidly emerging as one of the most essential energies in the future. In recent years, there has been a great advance in understanding the operational principles of photovoltaic devices, which has resulted in a significant growth in such devices' power conversion efficiency. Concerns about performance, quality, and dependability have become increasingly crucial for photovoltaic markets around the world. The current work has been carried out with the goal of enhancing the design and operating performance of photovoltaic modules. The electrical performance of the photovoltaic modules is dependent on climatic conditions, which is why we chose to employ a PV monitoring system; it can enable us to present a detailed understanding of the solar module’s operating behaviors. Herein, the two key electrical parameters (short circuit current and open circuit voltage) have been used to describe PV modules. Continuous measurements of solar spectral irradiance have been performed to investigate solar irradiance alterations due to the various atmospheric conditions using both the monochromatic extinction coefficient and atmospheric transparency at selective wavelengths that cover the spectral response of most solar modules. Finally, the environmental factors were measured to study the seasonal effects of the atmosphere on the performance parameters of PV modules.
The first part of the present work was focused on monitoring and recording of solar module parameters (short-circuit current Isc, and open-circuit voltage Voc,) through the first design of a multi-channel prototype, namely the NRIAG I-V logger, using an Arduino Mega 2560 microcontroller at NRIAG, Helwan, Egypt. Recently, the manual monitoring and recording of solar module parameters face many difficulties, including time consumption and the probability of losing data on holidays. Hence, the data logger satisfies all of the accuracy requirements specified in the International Electrotechnical Commission (IEC) standards for PV systems. The available microcontroller circuits in the Egyptian market were studied to select the appropriate ones for the suitable operating conditions at an altitude of about 130 meters above sea level in a semi-desert area on the roof of the Solar Research Laboratory building at NRIAG. Using Arduino programming, the circuit was programmed to read current, voltage, and temperature for each solar module, including the date and time, then store them on a txt file at 1-minute intervals. It was calibrated at the VOLTX Company. Moreover, the I-V logger has been tested for one year, covering the four seasons in Helwan. The preliminary results obtained using both sensors and silicon solar modules showed the reliability and demonstration of data collection at the Helwan site.
The second part examined the solar irradiance alterations due to the various atmospheric conditions that have received great scientific concern. These alternations can be investigated using both the monochromatic extinction coefficient and atmospheric transparency. In this section, results were presented concerning the continuous measurements of solar spectral irradiance performed at the Helwan station (Lat. 29. 866 N and Long. 31. 20 E and 130 m above sea level) of the National Research Institute of Astronomy and Geophysics (NRIAG) in Egypt in the wavelength range 350–1000 nm, which covers the spectral range of the wavelengths where PV semiconductors are active. These data were obtained using the spectroradiometer on a horizontal receiver surface during selected clear days covering the four seasons of the year. Twelve clear-sky days of continuous observations have been monitored starting from local sunrise up to local sunset to investigate the daily variation of the spectral radiation at selective wavelengths (350, 368, 500, 615, 780, and 870 nm) as a function of air mass and their transparency as well as under different atmospheric conditions.
The results have shown that using the Langley method under a cloudless sky, the total atmospheric extinction at the selective wavelengths was correlated. The extinction coefficient shows obvious diurnal variations in each season, with a higher value in the afternoon that is more pronounced in the summertime. The perceptible effects of local climate have been obtained from the comparison of seasonal extinctions. The highest extinction coefficient value for each wavelength is seen during the summer, while the lowest value occurs in the winter. The highest value of the extinction coefficient was 0.59 km-1 at 615 nm in summer, while the lowest one at 350 nm was 0.07 km-1 in winter. Moreover, it has been found that the afternoon values of transparency have a shift towards the longer wavelengths. The present study confirms the results obtained by previous solar irradiance measurements in Helwan.
The third part concentrated on the study of the operational performance results of a PV system. The production of solar photovoltaic (PV) power is highly dependent on both the solar technology used and the environmental conditions; as a result, PV output often fluctuates. The performance of PV modules is evaluated under standard test conditions, which rarely meet actual outdoor conditions. The objective of this study is to reveal the characteristics of different PV module technologies in a real outdoor environment (ambient temperature Ta, relative humidity R.H., and solar irradiance G). The present work investigates the behavior of performance parameters of three PV technologies, namely mono-crystalline (mc-Si), poly-crystalline (pc-Si), and amorphous (a-Si), under variation of environmental factors in the four seasons on clear sky days during the year 2021. The performance parameters include open circuit voltage Voc, short circuit current density Jsc, ideal output power density PD, and ideal efficiency ηo. By using the first-designed NRIAG I-V logger as a prototype for data collection in Helwan site, the results revealed that all electrical performance parameters of the three solar modules have seasonally changed with environmental factors. The performance parameters of three modules were strongly affected by the temperature coefficient of conversion efficiency in the afternoon period of the day. As a result, the highest values of depression in the ideal efficiency (ηo) due to the effect of ambient temperature (Ta) were -0.6%, -0.57%, and -0.3% for mc-Si, pc-Si, and a-Si, respectively during the afternoon period in the summer season. While the greatest percentage drops in ηo values of mc-Si, pc-Si, and a-Si were -0.87%, -0.78%, and -0.32% respectively, per unit increase in relative humidity (R.H.) over the winter. On the other hand, the performance of crystalline Si PV technologies is more affected by solar irradiance than a-Si technology in the winter season. The collected results provide a comprehensive understanding of the operating behavior of the solar modules, which will improve their design and operational performance.

تعتبرالطاقة الشمسية مصدر طاقة متجددة عالي الإمكانات، تبرز بسرعة كواحدة من أهم طاقات المستقبل. في السنوات الأخيرة ، في السنوات الاخيرة كان هناك تقدم كبير في فهم المبادئ التشغيلية للأجهزة الكهروضوئية، مما أدى إلى نمو كبير في كفاءة تحويل الطاقة لهذه الأجهزة. كما أصبحت المخاوف بشأن الأداء والجودة والاعتمادية ذات اهمية متزايدة للأسواق الكهروضوئية في جميع أنحاء العالم. تم تنفيذ العمل الحالي بهدف تعزيز التصميم والأداء التشغيلي للألواح الكهروضوئية. حيث يعتمد الأداء الكهربائي للألواح الكهروضوئية على الظروف المناخية، ولهذا السبب تم استخدام نظام المراقبة الكهروضوئية ، والذي يمكننا من تقديم فهم مفصل لسلوكيات تشغيل الألواح الشمسية. هنا ، تم استخدام المعاملين الكهربيين الرئيسيين (تيار الدائرة القصيرة والجهد الكهربائي للدائرة المفتوحة) لوصف الألواح الكهروضوئية. أخيرًا، تم إجراء قياسات مستمرة للإشعاع الطيفي الشمسي للتحقيق من تغيرات الإشعاع الشمسي بسبب الظروف الجوية المختلفة باستخدام كل من معامل الاضمحلال أحادي اللون وشفافية الغلاف الجوي بأطوال موجية انتقائية.
ركز الجزء الأول من العمل الحالي على مراقبة وتسجيل معاملات الألواح الشمسية (تيار الدائرة القصيرة Isc ، جهد الدائرة المفتوحة Voc) من خلال التصميم الأول لنموذج أولي متعدد القنوات ، وهو مسجل NRIAG I-V ، باستخدام متحكم Arduino Mega 2560 في NRIAG ، حلوان ، مصر. في الآونة الأخيرة ، تواجه المراقبة اليدوية وتسجيل معاملات الألواح الشمسية العديد من الصعوبات، بما في ذلك استهلاك الوقت واحتمال فقد البيانات في أيام العطلات. يفي مسجل البيانات بجميع متطلبات الدقة المحددة في معايير اللجنة الكهروتقنية الدولية (IEC) للأنظمة الكهروضوئية. تمت دراسة دوائر الميكروكونترولر المتوفرة في السوق المصري لاختيار الدوائر المناسبة لظروف التشغيل على ارتفاع حوالي 130 مترًا فوق مستوى سطح البحر في منطقة شبه صحراوية على سطح مبنى مختبر أبحاث الطاقة الشمسية في NRIAG. باستخدام برمجة Arduino، تمت برمجة الدائرة لقراءة التيار والجهد ودرجة الحرارة لكل لوحة شمسية، بما في ذلك التاريخ والوقت، ثم تخزينها في ملف txt بفواصل زمنية مدتها دقيقة واحدة. تم معايرة Arduino في شركة VOLTX. علاوة على ذلك، تم اختبار مسجل I-V لمدة عام واحد ليغطي الفصول الأربعة في حلوان. أظهرت النتائج الأولية التي تم الحصول عليها باستخدام كل من أجهزة الاستشعار والألواح الشمسية المصنوعة من السيليكون موثوقية وكفاءة ونجاح عملية جمع البيانات في موقع حلوان باسخدام Arduino Mega 2560

أما الجزء الثاني فقد تناول تغيرات الإشعاع الشمسي نتيجة للظروف الجوية المختلفة والتي حظيت باهتمام علمي كبير. يمكن دراسة هذه البدائل باستخدام كل من معامل الاضمحلال أحادي اللون وشفافية الغلاف الجوي. تم في هذا القسم عرض النتائج المتعلقة بالقياسات المستمرة للإشعاع الطيفي الشمسي التي أجريت بمحطة حلوان (خط عرض 29.866 شمالاً وخط طول 31.20 شرقاً وارتفاع 130 متراً فوق سطح البحر) التابعة للمعهد القومي للبحوث الفلكية والجيوفيزيقيةء (NRIAG في مصر في نطاق الطول الموجي 350-1000 نانومتر، والذي يغطي النطاق الطيفي للأطوال الموجية التي تنشط فيها أشباه الموصلات الكهروضوئية. تم الحصول على هذه البيانات باستخدام مقياس الطيف الراديوي على سطح مستقبل أفقي خلال أيام صافية مختارة تغطي فصول السنة الأربعة. تم رصد اثني عشر يومًا من المراقبة المستمرة بدءًا من شروق الشمس المحلي وحتى غروب الشمس المحلي لدراسة التغير اليومي للإشعاع الطيفي عند أطوال موجية انتقائية (350، 368، 500، 615، 780، و870 نانومتر) كدالة لـ الكتلة الهوائية وشفافيتها وكذلك في ظل الظروف الجوية المختلفة. أظهرت النتائج أنه باستخدام طريقة لانجلي تحت سماء صافية، تم الربط بين الاضمحلال الكلي للغلاف الجوي عند الأطوال الموجية الانتقائية. وقد اظهر معامل الاضمحلال اختلافات نهارية واضحة في كل موسم، مع قيمة أعلى في فترة ما بعد الظهر وتكون أكثر وضوحًا في فصل الصيف. تم الحصول على التأثيرات الملموسة للمناخ المحلي من مقارنة حالات الاضمحلال الموسمية. تُرى أعلى قيمة لمعامل الاضمحلال لكل طول موجي خلال فصل الصيف، بينما تحدث أدنى قيمة في فصل الشتاء. أعلى قيمة لمعامل الاضمحلال كانت 0.59 كم-1 عند 615 نانومتر في الصيف، بينما أدنى قيمة عند 350 نانومتر كانت 0.07 كم-1 في الشتاء. وعلاوة على ذلك، فقد وجد أن قيم الشفافية بعد الظهر لها تحول نحو الأطوال الموجية الأطول. تؤكد الدراسة الحالية النتائج التي تم الحصول عليها من قياسات الإشعاع الشمسي السابقة في حلوان.
الجزء الثالث ركز على دراسة نتائج الأداء التشغيلي للنظام الكهروضوئي. يعتمد إنتاج الطاقة الشمسية الكهروضوئية بشكل كبير على كل من تكنولوجيا الطاقة الشمسية المستخدمة والظروف البيئية؛ ونتيجة لذلك، يتغير إنتاج الطاقة الكهروضوئية في كثير من الأحيان. يتم تقييم أداء الوحدات الكهروضوئية في ظل ظروف الاختبارات القياسية، والتي نادراً ما تلبي الظروف الخارجية الفعلية. الهدف من هذه الدراسة هو الكشف عن خصائص تقنيات الوحدات الكهروضوئية المختلفة في بيئة خارجية حقيقية (درجة الحرارة المحيطة Ta والرطوبة النسبية R.H. والإشعاع الشمسيG). يدرس هذا الجزء سلوك معاملات الأداء لثلاث تقنيات كهروضوئية، وهي أحادية البلورة (mc-Si)، ومتعددة البلورات (pc-Si) ، وغير متبلورة (a-Si) ، في ظل اختلاف العوامل البيئية في الفصول الأربعة في أيام السماء الصافية خلال عام 2021. تتضمن معاملات الأداء جهد الدائرة المفتوحة Voc ، وكثافة تيار الدائرة القصيرة Jsc ، وكثافة طاقة الخرج المثالية PD، والكفاءة المثالية .ηo وباستخدام أول جهاز تسجيل NRIAG I-V كنموذج أولي لجمع البيانات في موقع حلوان، كشفت النتائج أن جميع معايير الأداء الكهربائي لوحدات الطاقة الشمسية الثلاث قد تغيرت موسميا مع العوامل البيئية. تأثرت معاملات الأداء لثلاث وحدات بشدة بمعامل درجة الحرارة لكفاءة التحويل في فترة ما بعد الظهر من اليوم. ونتيجة لذلك، كانت أعلى قيم الاضمحلال في الكفاءة المثالية (ηo) بسبب تأثير درجة الحرارة المحيطة (Ta) هي -0.6%، -0.57%، و-0.3% ، ل mc-Si، وpc-Si، وa-Si على التوالي خلال فترة ما بعد الظهر في فصل الصيف. في حين أن أكبر نسبة انخفاض في قيم ηo لـ mc-Si وpc-Si و a-Si كانت -0.87% و-0.78% و-0.32% على التوالي، لكل وحدة زيادة في الرطوبة النسبية (R.H.) خلال فصل الشتاء. من ناحية أخرى، يتأثر أداء تقنيات Si PV البلورية بالإشعاع الشمسي أكثر من تقنية a-Si في فصل الشتاء. توفر النتائج المجمعة فهمًا شاملاً للسلوك التشغيلي لوحدات الطاقة الشمسية، مما سيؤدي إلى تحسين تصميمها وأدائها التشغيلي.

Issues also as CD.

Text in English and abstract in Arabic & English.