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Aug 02, 2023

Verbessern Sie die Leistung von Photovoltaik-Solarmodulen selbst

Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 21236 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Die Photovoltaik (PV)-Solarmodule werden durch Staubansammlung negativ beeinflusst. Die punktuelle Schwankung der Staubdichte erhöht das Risiko der Bildung von Hot Spots. Daher wurde eine vorbereitete PDMS/SiO2-Nanobeschichtung verwendet, um den angesammelten Staub auf der Oberfläche der PV-Module zu reduzieren. Die Wirksamkeit dieser Beschichtungen wird jedoch stark von geografischen und klimatischen Faktoren beeinflusst. Um vergleichbare experimentelle Tests gleichzeitig durchführen zu können, wurden drei identische PV-Module installiert. Das erste Modul ist mit der vorbereiteten PDMS/SiO2-Nanobeschichtung beschichtet, das zweite mit handelsüblicher Nanobeschichtung und das dritte Modul ist unbeschichtet und dient als Referenz. Die vorbereitete Nanobeschichtung war hydrophob und hatte einen selbstreinigenden Effekt. Die Füllfaktoren für das Referenzpanel (RP), das kommerziell nanobeschichtete Panel (CNP) und das vorbereitete nanobeschichtete Panel (PNP) betrugen 0,68, 0,69 bzw. 0,7. Nach 40-tägiger Exposition gegenüber Außenbedingungen betrug die Staubdichte auf den Oberflächen der RP- und PNP-Panels 10 bzw. 4,39 g/m2. Somit wurde festgestellt, dass die Effizienz des nanobeschichteten Panels um 30,7 % höher war als die des Referenzpanels.

Sonnenstrahlung kann in drei Hauptwellenbänder unterteilt werden: Ultraviolette (UV) Strahlung für Wellenlängen unter 400 nm (Photonen mit einer Energie größer als 3,1 eV). Sichtbare (VIS) Strahlung für Wellenlängen zwischen 400 und 760 nm (Photonenenergie zwischen 1,6 und 3,1 eV). Infrarotstrahlung (IR) für Wellenlängen über 760 nm (Photonenenergie unter 1,6 eV). Das nahe Infrarot (NIR) reicht bis zu 4 m1. Ägypten verfügt über eine hohe Sonneneinstrahlung mit einer jährlichen globalen Einstrahlung von über 2000 kWh/m22. Die optimale Ausrichtung eines Solarkonvertierungssystems ist in Richtung Äquator, was auf der Nordhalbkugel eine Ausrichtung nach Süden ergibt (Azimutwinkel = 0); und eine Ausrichtung nach Norden auf der Südhalbkugel (Azimutwinkel = 180). Der optimale Neigungswinkel wird durch den Breitengrad des Standorts und den Tag im Jahr beeinflusst3. In Ägypten beträgt der optimale Neigungswinkel von PV-Modulen und Kollektoren zur Maximierung der eingefangenen Sonnenenergie βopt = φ ± 15°4. Solartechnologie ist derzeit nach Wasserkraft und Windkraft die am dritthäufigsten genutzte erneuerbare Energiequelle weltweit. Darüber hinaus verursacht Strom aus fossilen Brennstoffen CO2-Emissionen zwischen 400 g und 1000 g CO2/kWh, während die CO2-Emissionen von siliziumbasierten Solarmodulen vernachlässigbar sind5. Die von PV-Modulherstellern bereitgestellten Parameter werden unter Standardtestbedingungen (STC) gemessen. Solche Umstände sind in diesem Bereich jedoch ungewöhnlich. Die experimentelle Messung der I-U-Kennlinien ist von großer Bedeutung, da sie als Beweis für die Qualität und Leistungsfähigkeit jeder PV-Anlage dienen kann. Der Kurzschlussstrom (Isc) und die Leerlaufspannung (Voc) sind die Schlüsseleigenschaften der IV- und PV-Kurven. Für jeden Punkt auf der IV-Kurve stellt das Produkt aus Strom und Spannung die Leistungsabgabe bei diesem Betriebszustand dar. Der Füllfaktor (FF) ist definiert als das Verhältnis des Produkts aus Pm und Isc Voc, das die Rechteckigkeit der Kurve definiert6. Der einfachste Weg, eine IV-Kurve zu messen und darzustellen, ist die Verwendung einer Widerstandslast. Es besteht aus einer Kombination von Leistungswiderständen mit mehreren Widerstandswerten, die für kurze Zeiträume schrittweise von einem kleinen auf einen hohen Widerstandswert umgeschaltet werden. Jeder Widerstandswert gilt als Arbeitspunkt auf der IV-Kurve7. Strahlungsverluste aufgrund von Staubansammlungen reduzieren die PV-Ausgangsleistung. Die unterschiedliche Staubansammlung an jedem Punkt der PV-Oberfläche führt zu einer unterschiedlichen Verteilung des Sonnenlichts, das in die PV-Anlage eindringt, was die Möglichkeit einer Hotspot-Bildung erhöht, die die PV-Module beschädigt8. Eine höhere Staubdichte reduziert den PV-Kurzschlussstrom, die Leerlaufspannung und die Ausgangsleistung. Staub mit einer Dichte von 10 g/m2 kann die maximale PV-Leistung um etwa 34 % reduzieren9. Eine regelmäßige Reinigung von PV-Modulen ist für den Erhalt ihrer Leistungsfähigkeit unerlässlich. Es stehen verschiedene Reinigungstechniken für PV-Module zur Verfügung, die in manuelle, automatische oder selbstreinigende Verfahren eingeteilt werden können. Das Hauptproblem bei der manuellen Reinigung ist der hohe Wasser- und Stromverbrauch. Der automatisierte Prozess erfordert außerdem Strom und die Anschaffungskosten sind sehr hoch. Daher sind selbstreinigende Methoden wie hydrophobe Beschichtungen gute Möglichkeiten zur Wartung von PV-Modulen. Der Beschichtungsprozess erfordert keinen Strom und beschädigt die Platten beim Reinigen nicht. Dieses Verfahren ist zuverlässiger und kostengünstiger10. Es ist allgemein bekannt, dass durch die Verwendung von Nanofüllstoffen wie Nanosilica, Titandioxid, Zinkoxid usw. hydrophobe Beschichtungen für industrielle Großanwendungen entstehen können. Per Definition enthalten hydrophobe Nanobeschichtungen mindestens eine nanoskalige Komponente, die eine zentrale Rolle für die Beschichtungseigenschaften oder die Morphologie nanoskaliger hydrophober Beschichtungen spielt11. Die Verwendung eines kommerziellen hydrophoben SiO2-Beschichtungs-Nanomaterials verbesserte die Gesamtleistung der Solar-PV-Module. Die Ausgangsleistung, die den Gesamtwirkungsgrad der PV-Anlage angibt, konnte im Vergleich zu den verstaubten Modulen um 15 % und im Vergleich zu den unbeschichteten Modulen, die täglich manuell gereinigt wurden, um 5 % gesteigert werden. Die Gesamteffizienz der Solar-PV-Module wurde aufgrund ihrer Fähigkeit, Staub zu entfernen, ohne eine Energiequelle zu nutzen12 erhöht. Um gleichzeitig vergleichbare experimentelle Tests durchführen zu können, wurden zwei PV-Module installiert. Das erste Modul ist mit SiO2-Nanopartikeln beschichtet, während das zweite unbeschichtet ist und als Kontrolle dient. Mithilfe eines Mikrotuchs wurde das gereinigte Glas mit der vorbereiteten Nanopartikellösung beschichtet. Der Kontaktwinkel beträgt ca. 106,02°. Nach der Wenzel-Baxter-Definition gilt dieser Winkel als hydrophob. Der durchschnittliche elektrische Wirkungsgrad des beschichteten Moduls liegt bei ca. 13,79 %, der des unbeschichteten Moduls bei ca. 13,29 %. Es wurde festgestellt und geschlussfolgert, dass beschichtete Panels auch dann eine um 13 % höhere Ausgangsleistung erzeugen, wenn die Oberfläche nicht regelmäßig gereinigt wird13.

Der Hauptbeitrag dieser Arbeit besteht darin, die Leistung von PV-Solarmodulen zu verbessern, indem die Staubansammlung auf den Oberflächen der Module im Laufe der Zeit reduziert wird, wodurch Kosten, Aufwand und Wasserverbrauch bei der Reinigung durch die Verwendung einer hydrophoben PDMS/SiO2-Nanobeschichtung gesenkt werden. Überwachen Sie die Leistung nach der Nanobeschichtung unter rauen Außenbedingungen, dargestellt durch hohe Temperaturen und Staubgehalt während der Ernte- und Sommersaison in einer landwirtschaftlichen Umgebung. Aufbringen einer Nanobeschichtung auf das Solarpanel durch Aufsprühen mit einem Kompressor. Dies ist die Methode, die kommerziell auf einer großen Fläche der Panels angewendet werden kann, im Gegensatz zu früheren Studien, bei denen die Nanobeschichtung mithilfe eines Tuchs oder durch Tauchbeschichtung aufgetragen wurde13. Es wurde ein Vergleich zwischen der vorbereiteten Nanobeschichtung, der kommerziellen Nanobeschichtung und der unbeschichteten Referenzplatte durchgeführt, der die guten Eigenschaften und die hohe Effizienz der vorbereiteten Nanobeschichtung zeigte.

Die Metalloxid-Nanobeschichtung wurde am Egyptian Petroleum Research Institute, Nasr City, Kairo, Ägypten, hergestellt. Die Outdoor-Experimente wurden in Itay al Barud, Gouvernement Beheira, Ägypten, auf dem Breitengrad 30,529264° N, dem Längengrad 30,4213071° E und 6 m über dem Meeresspiegel durchgeführt. Die Analysen der Nanobeschichtungseigenschaften (chemisch und physikalisch) wurden im National Center for Research, dem Egyptian Petroleum Research Institute und der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Alexandria in der Abteilung für elektronische Mikroskope durchgeführt.

Die Photovoltaikanlage besteht aus drei Hauptkomponenten; PV-Module, Laderegler, 12V 9A.h. Batterie, Gleichstrompumpe und andere elektrische Komponenten (wie Kabel und MC4).

Zur Stromerzeugung für den Betrieb des Pumpsystems wurden drei Panels verwendet. Jedes Panel hat eine Nennleistung von 100 W, wie in Abb. 1 und dem Datenblatt in Tabelle 1 dargestellt.

Die PV-Module.

Der Solarladeregler dient zum Laden der Batterie durch Regulierung und Steuerung der Leistung der Solarmodule; Es schützt den Akku auch vor Überladung oder Tiefentladung. Ein PWM 12 V, 10 A Solarladeregler ist in Abb. 2 und sein Datenblatt in Tabelle 2 dargestellt.

Blockschaltbild der PV-Anlage:

Batterien werden üblicherweise in Photovoltaikanlagen verwendet, um tagsüber von Photovoltaikmodulen erzeugte Energie zu speichern und bei Bedarf (nachts oder an bewölkten Tagen) elektrische Verbraucher zu versorgen. Darüber hinaus werden Batterien für den Betrieb des Solarladereglers und des Inselnetz-Wechselrichters benötigt. Die Ultracell UXL9-12-Batterie ist in Abb. 2 und ihr Datenblatt in Tabelle 3 dargestellt.

12 VDC, 72 W Die in Abb. 2 gezeigte selbstansaugende Hochdruck-Membranwasserpumpe wurde als Gleichstromlast für PV-Module verwendet und das Datenblatt der Pumpe ist in Tabelle 4 dargestellt.

Das Blockschaltbild der PV-Anlage und die Anschlüsse ihrer Komponenten sind in Abb. 2 dargestellt.

Zur Messung der Einstrahlung in W/m2 wurde das Solarstrahlungsmessgerät ISM 400 verwendet (Abb. 3a). Mit dem Digitalmultimeter wurden Spannung (V), Strom (A) und Widerstand (Ω) gemessen (Abb. 3b). Die digitale Strommesszange wurde verwendet, um den Strom in einem Leiter zu messen, ohne ihn physisch zu berühren (Abb. 3c). Zur Messung der Oberflächentemperatur des PV-Moduls wurde das digitale Infrarot-Thermometer (DT8011T) verwendet (Abb. 3d).

Messgeräte.

Die Nanobeschichtungsvorbereitungsexperimente wurden im Zeitraum von April 2021 bis Mai 2022 und die Outdoor-Experimente im Zeitraum von Mai 2022 bis Juli 2022 durchgeführt. Die Messungen wurden tagsüber von 8.00 bis 16.00 Uhr stündlich durchgeführt. Zu den Messungen gehörten Sonneneinstrahlung, Oberflächentemperatur des PV-Moduls, Leistung des PV-Moduls (Gleichstrom, Gleichspannung), Pumpenfördermenge, Druck, Staubansammlungsdichte g/m2 und IV-Eigenschaften. Die Eigenschaften der Nanobeschichtung sowie chemische und physikalische Analysen (Kontaktwinkel, Lichtdurchlässigkeit, Messung der Molekülgröße, Anteil der Bestandteile der Nanobeschichtung, Atomfotografie) wurden in der Atommikroskopeinheit des Nationalen Forschungszentrums des Ägyptischen Erdölforschungsinstituts durchgeführt Fakultät für Naturwissenschaften, Universität Alexandria.

Der Polydimethylsiloxan (PDMS)-Vorläufer Teil-A (Sylgard184-Elastomerbasis, 3 g). Wurde mit Toluol und wasserfreiem Ethanol gemischt. Dann 20 ml Natriumsilikat 5 % (Gew./Vol.) gemischt mit PDMS, 80 ml Ethanol absolut und 2 ml Ammoniumhydroxid NH4OH hinzufügen und dann 2 Stunden lang mit einem Magnetrührer bei 30–35 °C rühren. Lassen Sie die Probe anschließend 24 Stunden lang stehen. Das erhaltene blassweiße feste Produkt wurde nach gründlichem Waschen mit doppelt destilliertem Wasser zur Entfernung aller Ionen 10 Minuten lang bei 4000 U/min zentrifugiert, anschließend 10 Minuten lang bei 4000 U/min zentrifugiert und 2 Stunden lang bei 70 °C getrocknet.

Die Proben wurden nach den folgenden Verfahren hergestellt: Die PDMS/SiO2-Nanokomposite wurden mit Ethanol, Isopropanol und seinem Härter gemischt (das Gewichtsverhältnis von PDMS/SiO2-Nanokompositen zu Härter betrug für die Proben 10:1). Anschließend wurde die Mischung mit Hilfe eines Ultraschallreinigers (29 kHz, 150 W) etwa 30 Minuten lang homogen gelöst. Anschließend wurde die vorbereitete Nanobeschichtung durch Sprühbeschichtung auf das PV-Panel aufgetragen.

Die Intensität der Sonnenstrahlung (Bestrahlungsstärke W/m2) wurde stündlich mit einem digitalen Sonnenstrahlungsmessgerät gemessen. Das Strahlungsmessgerät wurde in einem Winkel geneigt, der dem der Solarpaneele (15°) entsprach, wie in Abb. 3a dargestellt.

Die elektrische Ausgangsleistung wurde aus dem Wattgesetz nach Gl. berechnet. (1)14.

Dabei ist V die PV-Panel-Spannung (V) und I der PV-Panel-Strom (Ampere).

Der Wirkungsgrad der PV-Module (ηpv) wurde als Verhältnis der Ausgangsleistung der PV-Module und der aufgenommenen Solarenergie berechnet (Gleichung 2).

Dabei ist A die Oberfläche des PV-Moduls (m2) und G die Intensität der Sonnenstrahlung (W/m2).

FF wird durch den Quotienten der Spitzenleistung (Pmp) und der theoretischen Maximalleistung bestimmt, die sich aus dem Produkt der Leerlaufspannung Voc und dem Kurzschlussstrom Isc ergibt. Sie wird aus Gl. (3)15.

wobei FF der Füllfaktor ist.

Aus diesen Kurven können viele Parameter und Werte wie Voc, Isc, Vmp, Imp, Pmp und FF ermittelt werden. Die Eigenschaften des PV-Moduls können durch Variieren des Lastwiderstands (Abb. 4), der an das PV-Modul angeschlossen ist, verändert werden16. Durch die Erhöhung des Lastwiderstands änderten sich die Werte der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms des Moduls von 0 V auf Voc bzw. von Isc auf 07. Die IV-Kurve kann durch Auftragen von Spannung und Strom ermittelt werden, die PV-Kurve durch Auftragen von Spannung und berechneter Leistung. Als variabler Widerstand wurde eine Kombination von Leistungswiderständen mit unterschiedlichen Widerstandswerten von 0,10 bis 24 Ω mit einem Anstieg von 0,5 Ω bei jeder Messung verwendet (Abb. 4).

Die variierende Widerstandslast und der 10-W-Leistungswiderstand.

Die Oberflächenmorphologie der Nanobeschichtung wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop Quanta FEG250 beobachtet. Repräsentative Bilder der Probe mit niedriger (8000-facher) und hoher (30.000-facher) Vergrößerung sind Abb. 5. Die REM-Bilder zeigen die Oberflächenrauheit der Nanobeschichtung, die ein wichtiger Faktor für die Hydrophobie und damit den Kontaktwinkel ist. Die Nanobeschichtung hat die Oberflächenrauheit im Nano- und Mikromaßstab erhöht, und dies erhöht die Hydrophobie und den Kontaktwinkel gemäß den Modellen von Wenzel und Cassie17.

REM-Bilder der PDMS/SiO2-Nanobeschichtung.

Abbildung 6 zeigt das EDX-Spektrum für die Nanobeschichtung. Das Vorhandensein von Si und O, was auf die ordnungsgemäße Verteilung der Siliciumdioxid-Nanopartikel in der Beschichtung schließen lässt18, wird durch EDX-Daten unbestreitbar gestützt, und das Vorhandensein von C zusammen mit O ist für die verwendeten funktionalisierenden Chemikalien verantwortlich. Der Gewichtsprozentsatz von O, Si und C betrug 41,99, 40,66 bzw. 17,35 %.

Energiedispersive Spektroskopie (EDS) für Nanobeschichtungen.

Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ist eine entscheidende Technik zur Bestimmung der Struktur, Größe und des Verteilungsmusters der NP19. Die Metalloxid-Nanopartikel sind im PDMS-Polymer gut dispergiert. Die durchschnittliche Nanopartikelgröße betrug 11 nm, wie in (Abb. 7) dargestellt. Durch die hydrophobe Kette von PDMS vernetzen PDMS-SiO2-Nanopartikel miteinander, was weiter zur Bildung von Clustern unterschiedlicher Größe und dann zur Mikro-Nanostruktur führt. wie in Abb. 7 dargestellt. Die durchschnittliche Clustergröße betrug 80 nm. Alle Vergrößerungen der TEM-Bilder betrugen 100 nm.

TEM-Bilder der PDMS-SiO2-Nanobeschichtung.

Die UV-Vis-Spektroskopiekurve in zeigt, dass die Nanobeschichtung eine hohe Durchlässigkeit im sichtbaren Lichtbereich aufwies (Abb. 8). Die durchschnittliche Durchlässigkeit der vorbereiteten Nanobeschichtung betrug 91 % im sichtbaren Lichtbereich (400–800 nm) und die Nanobeschichtung war beständig gegen UV-Strahlung (200–390 nm).

Die UV-Vis-Spektroskopie der PDMS/SiO2-Nanobeschichtung.

Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) ist eine Technik zur Identifizierung charakteristischer funktioneller Gruppen aus Spektralbändern, die es uns ermöglicht, die Konjugation zwischen dem Nanomaterial und dem adsorbierten Biomolekül zu bestimmen20. Die Analyse erfolgt durch Messung der Absorption einer Probe gegenüber einem einfallenden Infrarotspektrum zwischen 400 und 4000 cm−1 (Abb. 9). Die wichtigsten Spektralbänder und die charakteristischen funktionellen Gruppen der Spektralbänder sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie für PDMS/SiO2-Nanobeschichtung.

Mithilfe des Kontaktwinkels, der zwischen 0° und 180° variiert, lässt sich qualitativ feststellen, ob eine Oberfläche hydrophil oder hydrophob ist. Der Kontaktwinkel ist ein Maß für die relative Größe der auf eine Flüssigkeit wirkenden adhäsiven (flüssig zu fest) und kohäsiven (flüssig zu flüssig) Kräfte. Die Kontaktwinkelmessung ist wahrscheinlich die am häufigsten verwendete Methode zur Bestimmung der Oberflächenspannung von Festkörpern. Die drei am häufigsten verwendeten Methoden zur Messung von Kontaktwinkeln sind die Sessil-Drop-, Captive-Bubble- und Wilhelm-Platten-Methode. Beim Experiment mit sessilen Tropfen wird ein Tropfen einer vollständig gereinigten Flüssigkeit mit einer Spritze oder einer Mikropipette auf eine feste Oberfläche aufgetragen. Typischerweise wird ein Goniometer im Okular eines Mikroskops mit geringer Vergrößerung verwendet, um das Tröpfchen zu betrachten und den resultierenden Kontaktwinkel zu berechnen21. Der Kontaktwinkel wurde durch Manipulation der Wassertropfenformen auf den Proben unter Verwendung des OCA 15EC-Kontaktwinkelmodells gemessen, das von der Firma Data Physics Instrument Gmbh hergestellt wurde. Der Wasserkontaktwinkel für die vorbereitete Nanobeschichtung betrug 123 Grad, was bedeutet, dass die PDMS/SiO2-Nanobeschichtung hydrophob ist (Abb. 10).

Wasserkontaktwinkel der PDMS/SiO2-Nanobeschichtung auf einem Glassubstrat.

Die IV-Kurven für ein sauberes Referenzpanel (RP), ein kommerziell nanobeschichtetes Panel (CNP) und ein vorbereitetes nanobeschichtetes Panel (PNP) sind in Abb. 11 und die wichtigen Punkte in Tabelle 6 dargestellt. Der Kurzschlussstrom Isc betrug 5,69, 5,7 bzw. 5,82 A und die Leerlaufspannung Voc betrug 20,3, 20,5 bzw. 20,7 V bei einer Sonneneinstrahlung von 960 ± 7 W/m2 und einer PV-Panel-Oberfläche von 0,6 m2. Die Eigenschaften und die Effizienz des vorbereiteten nanobeschichteten Panels waren höher als die der Referenz- und kommerziellen nanobeschichteten Panels. Dies ist auf die Rauheit und die Pyramidenformen im Nanomikromaßstab zurückzuführen, die auf der Oberfläche der Nanobeschichtung weit verbreitet sind und das Reflexionsvermögen des Lichts auf der Oberfläche der Panels verringern22.

Die IV-Kurve für RP, CNP und PNP.

Die maximale Leistung Pmax für sauberes Referenzpanel (RP), kommerziell nanobeschichtetes Panel (CNP) und vorbereitetes nanobeschichtetes Panel (PNP) betrug 78,5, 81,4 bzw. 84,4 W, wie in Abb. 12 dargestellt.

Die PV-Kurven für RP, CNP und PNP.

Die Füllfaktoren für saubere Referenzplatten (RP), kommerziell nanobeschichtete Platten (CNP) und vorbereitete nanobeschichtete Platten (PNP) betrugen 0,68, 0,69 bzw. 0,7. Die Hauptparameter sind in Tabelle 7 dargestellt. Da das nanobeschichtete Panel die höchsten Imp- und Vmp-Werte erzeugt, ist es das Panel mit dem höchsten Füllfaktor. Dies weist auf die hohe Effizienz im Vergleich zu anderen Panels23 hin.

Die Leistung des Referenzpanels (RP) und des vorbereiteten nanobeschichteten Panels (PNP) nimmt im Laufe der Zeit (40 Tage) aufgrund einer Zunahme der Staubansammlungsdichte auf der Oberfläche der Panels ab. Der Staub fungiert als Barriere zwischen dem Sonnenlicht und den Photovoltaikzellen, fängt einen großen Teil des Sonnenlichts ein und beeinträchtigt so die Kapazität der Solarmodule. Der Leistungsunterschied zwischen RP und PNP nimmt mit der Zeit aufgrund der unterschiedlichen Staubansammlungsdichte auf den einzelnen Panels zu. Die durchschnittliche RP- und PNP-Leistung betrug 65,2 bzw. 69,4 Watt am ersten Tag, 58,6 bzw. 65,1 nach 10 Tagen, 51,9 bzw. 62,6 nach 20 Tagen, 45,8 bzw. 58,5 nach 30 Tagen und 37,9 bzw. 54,8 nach 40 Tagen, wie in gezeigt (Abb. 13). Der Prozentsatz der Leistungsverschlechterung innerhalb von vierzig Tagen erreichte für RP und PNP 42 % bzw. 21 %.

Die Verschlechterung der RP- und PNP-Leistung innerhalb von 40 Tagen.

Die Verschlechterung der RP- und PNP-Leistung führt zu einer Verschlechterung der Entladung der Pumpen, die an PV-Module angeschlossen sind. Der Förderunterschied zwischen Pumpen, die an RP und PNP angeschlossen sind, nimmt aufgrund des mit der Zeit zunehmenden Unterschieds in der Ausgangsleistung der einzelnen Module zu. Die durchschnittliche Fördermenge der RP- und PNP-Pumpen betrug am ersten Tag 223,6 und 236,6 l/h, nach 10 Tagen 206,2 und 228,6, nach 20 Tagen 187,1 und 225,6, nach 30 Tagen 167,2 und 213,5 und nach 40 Tagen 137,4 und 197,7 l/h Tage, wie in Abb. 14 dargestellt. Der Prozentsatz der Leistungsverschlechterung der Pumpen innerhalb von vierzig Tagen erreichte für RP und PNP 39 % bzw. 16 %.

Die Verschlechterung der Förderleistung von RP- und PNP-Pumpen innerhalb von 40 Tagen.

Die kontinuierliche Ansammlung von Staub und Schmutz auf der Oberfläche des PV-Moduls im Laufe der Zeit und die Inhomogenität der Staubdichte führen zu einer teilweisen Verschattung der PV-Zellen, was zu einem Unterschied in der Produktivität der Solarzellen im Vergleich zueinander führt. Die Zellen mit niedriger Leistung wirken als Last oder Widerstand für die Zellen mit hoher Leistung. Durch den hohen Innenwiderstand steigt die Temperatur der Platten. Die durchschnittlichen RP- und PNP-Temperaturen betrugen 41,6 bzw. 41,0 °C am ersten Tag, 42,3 bzw. 41,4 °C nach 10 Tagen, 43,0 bzw. 42,0 °C nach 20 Tagen, 44,2 bzw. 43,1 °C nach 30 Tagen und 45,7 bzw. 44,5 °C nach 40 Tagen, wie gezeigt in Abb. 15. Der Prozentsatz des Temperaturanstiegs innerhalb von vierzig Tagen erreichte für RP und PNP 9,85 % bzw. 8,5 %. Frühere Studien ergaben einen Wirkungsgradabfall von 0,5 %/1 °C24. Der Temperaturunterschied zwischen RP- und PNP-Panels nahm mit der Zeit entsprechend der Staubdichte zu und erreichte 1,2 °C, was die Effizienz des RP-Panels um 0,6 % verschlechterte.

Die RP- und PNP-Temperatur innerhalb von 40 Tagen.

Der Wirkungsgrad von Solarmodulen nimmt im Laufe der Zeit aufgrund der zunehmenden Staubansammlung auf der Oberfläche dieser Module allmählich ab. Aufgrund der unterschiedlichen Staubdichte auf den einzelnen Panels entsteht mit der Zeit ein großer Unterschied zwischen der Effizienz von RP und PNP. Die durchschnittliche RP- und PNP-Staubdichte betrug 0,00, 0,00 g/m2 am ersten Tag, 2,80, 1,50 nach 10 Tagen, 4,76, 2,10 nach 20 Tagen, 7,76, 3,50 nach 30 Tagen und 10,00, 4,30 g/m2 nach 40 Tagen , jeweils. Dies ist auf die selbstreinigende Eigenschaft der Nanobeschichtung zurückzuführen, die die Staubansammlung auf der PNP-Oberfläche reduziert. Die durchschnittliche Effizienz von RP und PNP betrug 13,99 %, 14,85 % am ersten Tag, 12,40 %, 13,79 % nach 10 Tagen, 11,30 %, 13,38 % nach 20 Tagen, 9,59 %, 12,41 % nach 30 Tagen und 8,32 %, 12,01 % nach jeweils 40 Tagen, wie in Abb. 16 dargestellt.

Die Staubdichte (g/m2) und die Effizienz der Panels (%) innerhalb von 40 Tagen.

Nach 40-tägiger Einwirkung von Witterungseinflüssen und Staub wurde ein Volumen von 4 Litern Wasser innerhalb von 2 Minuten durch Öffnungen mit einem Durchmesser von 0,5 mm auf die Oberfläche jedes Paneels gesprüht, um die Selbstreinigungseigenschaft zu testen. Die Staubdichte auf RP und PNP vor dem Besprühen mit Wasser betrug 10 bzw. 4,30 g/m2, während die Staubdichte nach dem Besprühen mit Wasser 4,80 bzw. 1,12 g/m2 betrug. Aufgrund der Hydrophobie und der daraus resultierenden geringen Oberflächenenergie der Nanobeschichtung25 wurde der Staub bei der nanobeschichteten Platte (PNP) zu 74 % durch Wassertropfen entfernt, verglichen mit 52 % bei der unbeschichteten Referenzplatte (RP). RP und PNP hatten durchschnittliche Leistungen von 50,03 bzw. 65,93 W (Abb. 17).

Die RP- und PNP-Leistung nach Selbstreinigung mit Wasser.

Der durchschnittliche Wirkungsgrad betrug 11,13 % bzw. 14,5 %. Der stündliche durchschnittliche Pumpenaustrag betrug 181,2 bzw. 229,0 l/h (Abb. 18). Die Paneltemperaturen betrugen 43,1 bzw. 41,2 °C. Der Füllfaktorwert stellt die Rechtwinkligkeit der Kurve dar und gibt einen Eindruck von der Qualität des PV-Moduls. Normalwerte liegen zwischen 0,7 und 0,8. Für RP und PNP betrugen die Füllfaktoren 0,63 bzw. 0,69 (Tabelle 8). Der PNP verfügt über eine höhere Ausgangsleistung, einen höheren Wirkungsgrad sowie die niedrigste Temperatur und Staubansammlungsdichte. Aufgrund der hydrophoben und selbstreinigenden Eigenschaften der nanobeschichteten Platte perlten die Wassertropfen ab und entfernten eine große Menge Staub von der Plattenoberfläche.

Die RP- und PNP-Entladung erfolgt nach Selbstreinigung mit Wasser.

Diese Studie wurde durchgeführt, um die Leistung von PV-Solarmodulen zu verbessern, indem die Staubansammlung auf den Paneloberflächen im Laufe der Zeit reduziert und dadurch Kosten, Aufwand und Wasserverbrauch bei der Reinigung reduziert werden, wobei eine hydrophobe PDMS/SiO2-Nanobeschichtung zum Einsatz kommt. Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie wurden folgende Schlussfolgerungen gezogen:

Die Leistung von PV-Modulen wurde durch die hydrophobe Nanobeschichtung verbessert. Die Nanobeschichtung weist eine gute Transmission im sichtbaren Lichtbereich (400–800 nm) auf. Aufgrund der Hydrophobie und damit der Selbstreinigungseigenschaft der Nanobeschichtung verringerte sich die angesammelte Staubdichte auf dem PNP nach 40 Tagen Außeneinwirkung im Vergleich zum unbeschichteten Referenzpanel um 57 %. Darüber hinaus wurde der Staub durch Wassertropfen bei 74 % der PNP im Vergleich zu 52 % der RP entfernt. Die Effizienz des nanobeschichteten Panels war um 30,7 % höher als die des Referenzpanels. Es wurde festgestellt und geschlussfolgert, dass das nanobeschichtete Panel aufgrund der hydrophoben PDMS/SiO2-Nanobeschichtung im Vergleich zum Referenzpanel und den vorherigen Studien13 eine höhere Ausgangsleistung und Effizienz aufweist.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Fakultät für Agrartechnik, Al-Azhar-Universität, Kairo, Ägypten

Sameer Ahmed Tayel

Fakultät für Agrartechnik, Al-Azhar-Universität, Assiut, Ägypten

Ashour Eid Abu El-Maaty und Youssef Fayez Elsaadawi

Ägyptisches Erdölforschungsinstitut, Kairo, Ägypten

Eman Mohamed Mostafa

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EMM half bei der chemischen Vorbereitung für die Nanobeschichtung. YFE hat die Outdoor-Experimente durchgeführt und dieses Manuskript geschrieben. SAMT und AEAEMH halfen beim Schreiben von Manuskripten und bei der wissenschaftlichen Prüfung. Alle Autoren haben das endgültige Manuskript gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Youssef Fayez Elsaadawi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Tayel, SA, Abu El-Maaty, AE, Mostafa, EM et al. Verbessern Sie die Leistung von Photovoltaik-Solarmodulen durch eine selbstreinigende und hydrophobe Nanobeschichtung. Sci Rep 12, 21236 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25667-4

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Eingegangen: 26. August 2022

Angenommen: 02. Dezember 2022

Veröffentlicht: 08. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25667-4

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