DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-70682-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747153
تاريخ النشر: 2025-01-02
المؤلف: Ali Basem وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات تحسين أنظمة الطاقة الشمسية
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة أداء الطاقة والطاقة الحرة لخلية شمسية قياسية بقدرة 200 واط، مع معالجة فجوة ملحوظة في دمج النماذج العددية مع تقنيات التعلم الآلي المتقدمة، وبشكل خاص الشبكات العصبية الاصطناعية العاطفية (EANN). تستخدم البحث نموذجًا عدديًا وEANN لمحاكاة الخصائص الكهربائية للوحة الشمسية، بما في ذلك جهد الدائرة المفتوحة، والتيار القصير، والكفاءة تحت ظروف بيئية متغيرة. تكشف النتائج أن كفاءة الطاقة تذبذبت بين 10.34% و14.00%، بمتوسط 13.6%، بينما تراوحت كفاءة الطاقة الحرة من 13.57% إلى 16.41%، بمتوسط 15.70%. أظهر نموذج EANN انخفاضًا كبيرًا في تكاليف الحساب مقارنة بالنماذج العددية التقليدية، مما يعزز دقة المحاكاة ويمكّن من حساب الكفاءة في الوقت الحقيقي.
تخلص الدراسة إلى أن الظروف التشغيلية المثلى للوحة الشمسية تتميز بشدة إشعاع عالية ودرجات حرارة منخفضة، حيث تؤثر درجات الحرارة المرتفعة سلبًا على كفاءة الطاقة الحرة وقوة الناتج. تسلط البحث الضوء على أهمية استراتيجيات التبريد لتحسين الكفاءة وتقترح تحقيقات مستقبلية في طرق التبريد المبتكرة ومواد الفوتوفولطية الجديدة. بالإضافة إلى ذلك، تؤكد الحاجة إلى نماذج ديناميكية تتضمن بيانات بيئية في الوقت الحقيقي ودمج أنظمة الفوتوفولطية مع مصادر الطاقة المتجددة الأخرى. بينما تقدم الدراسة رؤى قيمة حول العوامل التي تؤثر على أداء الفوتوفولطية، تعترف بالقيود المتعلقة بتغير بيانات الأرصاد الجوية والافتراضات التي تم اتخاذها أثناء حسابات الكفاءة، مما يشير إلى أن الأبحاث المستقبلية يجب أن توسع نطاق الظروف البيئية وتعزز تقنيات النمذجة لتحسين دقة التنبؤ.
النتائج
تسلط النتائج المقدمة في هذا القسم الضوء على خصائص أداء أنظمة الفوتوفولطية (PV) تحت ظروف متغيرة من شدة الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة. توضح الشكل 2 العلاقة بين التيار، والطاقة، والجهد عند شدة إشعاع تبلغ 1000 واط لكل متر مربع ودرجة حرارة 24 °م، مما يظهر ارتباطًا قويًا بين القيم النموذجية والقيم المحددة من قبل الشركة المصنعة، مما يشير إلى دقة النموذج. تستكشف الأشكال 3 و4 المزيد من تأثيرات شدة الإشعاع على التيار القصير (Isc) وقوة الناتج، كاشفة أن Isc يزيد بشكل خطي مع شدة الإشعاع، بينما يظهر الجهد علاقة لوغاريتمية. وهذا يشير إلى أن مستويات الإشعاع الأعلى تعزز توفر الفوتونات، مما يزيد من توليد التيار، على الرغم من أن الجهد يرتفع بمعدل متناقص بسبب تأثيرات إعادة التركيب.
تلعب درجة الحرارة أيضًا دورًا حاسمًا، كما هو موضح في الأشكال 5 و6، حيث يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى انخفاض كبير في جهد الدائرة المفتوحة (Voc) بينما يزيد قليلاً من Isc. يُعزى هذا الظاهرة إلى الانخفاض الناتج عن درجة الحرارة في فجوة النطاق للموصلات، مما يؤثر سلبًا على ناتج الجهد وكفاءة الطاقة العامة. تؤكد التحليل على أهمية الإدارة الحرارية في أنظمة PV، حيث يمكن أن تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى زيادة المقاومة الداخلية، مما يؤدي إلى تقليل الكفاءة. بالإضافة إلى ذلك، تؤكد الدراسة على تأثير العوامل البيئية مثل سرعة الرياح على درجة حرارة الخلية وأدائها، حيث يظهر النموذج المقترح دقة محسنة في التنبؤ بهذه التأثيرات مقارنة بالنماذج العددية. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على الديناميات المعقدة بين الإشعاع الشمسي، ودرجة الحرارة، وأداء PV، مما يبرز الحاجة إلى اعتبارات بيئية شاملة في تصميم النظام وتحليله.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش البحث تحليل الطاقة والطاقة الحرة للألواح الشمسية، مع التركيز على نمذجة خصائصها الكهربائية لتقييم الكفاءة. يبدأ التحليل باشتقاق منحنيات الخصائص الكهربائية، التي توضح العلاقة بين الجهد، والتيار، وناتج الطاقة تحت ظروف بيئية متغيرة. تصف المعادلات الرئيسية، بما في ذلك المعادلة (1)، العلاقة بين التيار والجهد في دائرة اللوحة الشمسية، مع تضمين معلمات مثل تيار التشبع العكسي ($I_o$)، وعامل المثالية ($a$)، ومكونات تشغيلية أخرى. تستخدم الدراسة سلسلة من المعادلات (المعادلات 2-12) لحساب هذه المعلمات وتحديد علاقاتها تحت ظروف تشغيل مختلفة، مما يؤدي في النهاية إلى تحديد كفاءة الطاقة ($\eta_{en}$) وكفاءة الطاقة الحرة ($\eta_{ex}$) بناءً على مقاييس أداء اللوحة.
تشير النتائج إلى أن متوسط كفاءة الطاقة للوحة الشمسية كان 13.60%، مع حد أقصى يبلغ 14.00% وحد أدنى يبلغ 10.34%. وُجد أن متوسط كفاءة الطاقة الحرة كان 15.70%، مع قيم قصوى ودنيا تبلغ 16.41% و13.57%، على التوالي. تسلط الدراسة الضوء على أن الأداء الأمثل يتحقق تحت ظروف شدة إشعاع عالية ودرجات حرارة منخفضة، بينما تؤثر درجات الحرارة المرتفعة سلبًا على الكفاءة. كما تؤكد البحث على إمكانية استراتيجيات التبريد المحسنة واستكشاف مواد فوتوفولطية جديدة لتحسين استقرار الأداء. يُقترح أن تركز الأعمال المستقبلية على النمذجة الديناميكية، والدمج مع مصادر الطاقة المتجددة الأخرى، وتطوير حلول تخزين الطاقة المتقدمة لتحسين كفاءة وموثوقية الألواح الشمسية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-70682-2
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39747153
Publication Date: 2025-01-02
Author(s): Ali Basem et al.
Primary Topic: Photovoltaic System Optimization Techniques
Overview
This study investigates the energy and exergy performance of a standard 200 W solar cell, addressing a notable gap in the integration of numerical models with advanced machine-learning techniques, specifically emotional artificial neural networks (EANN). The research employs a numerical model and EANN to simulate the solar panel’s electrical characteristics, including open-circuit voltage, short-circuit current, and efficiency under varying environmental conditions. The findings reveal that energy efficiency fluctuated between 10.34% and 14.00%, averaging 13.6%, while exergy efficiency ranged from 13.57% to 16.41%, with an average of 15.70%. The EANN model demonstrated a significant reduction in computational costs compared to traditional numerical models, enhancing simulation accuracy and enabling real-time efficiency calculations.
The study concludes that optimal operational conditions for the solar panel are characterized by high radiation intensity and low temperatures, as elevated temperatures negatively impact exergy efficiency and output power. The research highlights the importance of cooling strategies to improve efficiency and suggests future investigations into innovative cooling methods and new photovoltaic materials. Additionally, it emphasizes the need for dynamic models that incorporate real-time environmental data and the integration of photovoltaic systems with other renewable energy sources. While the study provides valuable insights into factors affecting photovoltaic performance, it acknowledges limitations related to the variability of meteorological data and assumptions made during efficiency calculations, suggesting that future research should expand the scope of environmental conditions and enhance modeling techniques for improved predictive accuracy.
Results
The results presented in this section highlight the performance characteristics of photovoltaic (PV) systems under varying conditions of solar radiation intensity and temperature. Figure 2 illustrates the relationship between current, power, and voltage at a radiation intensity of 1000 watts per square meter and a temperature of 24 °C, demonstrating a strong correlation between modeled and manufacturer-specified values, indicating the model’s accuracy. Figures 3 and 4 further explore the effects of radiation intensity on short-circuit current (Isc) and output power, revealing that Isc increases linearly with radiation intensity, while voltage exhibits a logarithmic relationship. This suggests that higher radiation levels enhance photon availability, thereby increasing current generation, although voltage rises at a diminishing rate due to recombination effects.
Temperature also plays a critical role, as shown in Figures 5 and 6, where an increase in temperature leads to a significant drop in open-circuit voltage (Voc) while slightly increasing Isc. This phenomenon is attributed to the temperature-induced reduction in the semiconductor bandgap, which adversely affects voltage output and overall power efficiency. The analysis underscores the importance of thermal management in PV systems, as elevated temperatures can increase internal resistance, leading to reduced efficiency. Additionally, the study emphasizes the impact of environmental factors such as wind speed on cell temperature and performance, with the proposed model demonstrating improved accuracy in predicting these effects compared to numerical models. Overall, the findings highlight the intricate dynamics between solar radiation, temperature, and PV performance, emphasizing the need for comprehensive environmental considerations in system design and analysis.
Discussion
In this section, the research discusses the energy and exergy analysis of solar panels, focusing on the modeling of their electrical characteristics to assess efficiency. The analysis begins with the derivation of electrical characteristic curves, which illustrate the relationship between voltage, current, and power output under varying environmental conditions. Key equations, including Eq. (1), describe the current-voltage relationship in the solar panel circuit, incorporating parameters such as reverse saturation current ($I_o$), ideality factor ($a$), and other operational components. The study employs a series of equations (Eqs. 2-12) to calculate these parameters and establish their relationships under different operating conditions, ultimately leading to the determination of energy efficiency ($\eta_{en}$) and exergy efficiency ($\eta_{ex}$) based on the panel’s performance metrics.
The findings indicate that the average energy efficiency of the solar panel was 13.60%, with a maximum of 14.00% and a minimum of 10.34%. The average exergy efficiency was found to be 15.70%, with peak and minimum values of 16.41% and 13.57%, respectively. The study highlights that optimal performance is achieved under conditions of high radiation intensity and low temperature, while increased temperatures negatively impact efficiency. The research also emphasizes the potential of enhanced cooling strategies and the exploration of new photovoltaic materials to improve performance stability. Future work is suggested to focus on dynamic modeling, integration with other renewable energy sources, and the development of advanced energy storage solutions to optimize solar panel efficiency and reliability.