Int ern at i onal  Journ al of  P ower E le ctr on i cs a n d  Dr ive  S ystem   (I J PE D S )   Vo l.   11 ,  No.   3 ,  Septem be r 2020 , pp.  1 5 08 ~ 1 5 18   IS S N:  20 88 - 8694 ,   DOI: 10 .11 591/ ij peds . v11.i 3 . pp 1 5 08 - 1 5 18       1508       Journ al h om e page :  http: // ij pe ds .i aescore.c om   Theoreti ca l  and  expe riment al anal ysis of p hotov oltaic  mod ule  charact eristi cs unde r differ ent p artial  shading  conditio ns         Ali   Hussein   N uma n ,  Z ah r aa Sa lm an D awood ,  Hashi m  A.   Hussein   Depa rtment  o f  E le c trom e cha ni cal  Eng ine er ing, Unive rsity   of Technology,   B aghd ad,   I raq       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   J ul   6 ,  201 9   Re vised  Dec   2 ,  201 9   Accepte d  Fe b   16 , 20 20       Rec en tl y,   th e   re newa ble  en erg y   resourc es  h ave  gai ned   mor e  att ent ion   in   th e  el e ct ri ci ty  se ct o r  as  promi sing  te chno logy  to  t ac kl e  the   d eple ti on  in  th e   tra ditiona l  ene r gy  resourc es.   Solar   energy  gro ws   rap idl y   due   to   i ts  vas t   appl i ca t ions.   Th e  p erf orm ance   of  Photovol ta i c   (PV )  sys te m   is  aff ecte d   by   par tial   shading   tha t   resul ts  fro m  bu i ldi ng ,   cl o uds,  and   f al l en   le av es.   Thi s   pape r  inve stig ates   the or et i cally  and  exp erime nt al ly   the  i mpa c ts  of  v ari ou s   ca ses  o f  p artial  shading;  such   as   ver tical  str ing,  horiz ont al  string ,   and   singl e   ce l l  at  envi ron me nt al   conditio ns  on  th e  cur re nt - volt ag e   and   power - volt ag e   cha ra cteri sti cs  of  88  W  PV   pan el .   In   additio n ,   dia gona l  shadin g  with  multi   steps  is   consid e red   in   the  anal ysis.  Th e   exp er im ent s   ar e   con duct ed   with   conside ring  v arious   par am e te rs;  such  as  shading  positi on  and  r at i o  to  validate   the   simu lated  r e sults.  Th e  r esults   show   tha t  at  1 00%  shading  co ndit ion,  th e  ma xim u m   powe r  drops  by   99 . 36  %,   43 . 7%,   and  41 . 15%   for   hori zont a l,   ce l lul ar   and   ver t ic a l  shading   a t  t he  sam e  sol ar  r a dia ti on   l eve l   co mpa ring   with   the ir  ini t ia l   state  val u e.   Horiz o nta l  str ing  shad ed   has  th e  high est  neg at iv e   im pa ct   on   the  power  and  eff i c ie n cy   am ong   ot her   typ es  of  sh adi ngs.  The   com par ison  betw ee n  the  the o ret i ca l   and  ex per imental  resu lt s  rev e al s   conside rab le a gr ee m ent   b et we en the   the ore tical and e xper im en tal  result s .   Ke yw or d s :   PV   mod ule   So la r  r a diati on   Partia l sha ding ,    Power  l os ses   This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  BY - SA   l ic ense .     Corres pond in g  Aut h or :   Ali  H us sei n   N um a n   Ele ct ro mec ha ni cal  En gi neer i ng  Dep a rtme nt    Un i ver sit y o f Te ch no l ogy   Al - Sa na'a  Stre et  ,Tel Mo ham med, Ba ghda d,I raq   Emai l:  5 00 59@uotec hn olog y. e du.iq       N O MEN CLA TURE     PV   Photo vo lt ai c   I   current  ( A)   Iph   photon c urre nt  (A)   Irs   rev e rse  sat ur at i on curre nt  of  di od e  ( A)   V   vo lt age  (V)   Rs   series re sist anc e of P V  cel l ( Ω )   A   ideal it y  facto r   VT   jun ct io n   th erm al  v olt ag e   Ns   numb e r of ce ll   in ser ie s   K   Bolt zman n  c onsta nt (1. 3806503 ×  10 ^ - 23 J/ K)   Tc   cel l t emper at ur e (° C )   Q   el ect ro n cha r ge  (1. 602176 5× 10 ^ - 19 C )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow  Ele c  & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Th e or et ic al  and  ex perime nta l  ana ly sis  of  photo v oltaic  mod ule char acter is ti cs u nder  …   ( A.  H.  N uma n )   1509   Fs   sh a ding  fact or   Gt,s   sh a ded surface  irr a diances  (W/m 2 )   Gt   un s ha de d  s urfa ce irra diances  (W/m 2 )   SA   sh a ding ar ea   I ma x   current at t he maxim um   pow er  po i nt (A)   Vma x   vo lt age  at the   maxim um   pow er  po i nt (V)   Pmax   powe r  at  the  m aximum  powe r  point  (W)   ΔP   powe r  loss   of   PV   pa nel (W)   F.F   fill  f act or       1.   INTROD U CTION     The   emissi on   of  car bon  f r om  the   tra diti onal   el ect rical   powe r  generati on  te ch nolo gy  is  on e   of  the   mo st   imp or ta nt   reas ons  t hat  l ead  t o  em ploy   the   re ne wab le   ene r gy  as   al te rn at ive   s ources   of   el ect ri cal   powe r   gen e rati on.  S ol ar  ene rgy  is  the  be st  ch oice  for  el ec tric it y  gen e rati on  [ 1]  because   it   is  cl ean  [ 2],  chea p  [ 3] ,   sil ent [ 4],  abu ndant a nd e nv i r onmental ly  frie nd l y  e nerg y  re so urces  [5].    Among   dif fere nt  f orms   of  re new a ble  e ne rgy,  P V  represe nt s  one  o f  th e  mo st  pro misi ng  ren e wa ble  energ y  in   the   world   [ 6,   7]  due  to   it s  great   ad van ta ges;  s uch  as  ze r o  e missi on  of  gre enho us e  gases ,   low  mainte na nce   c os t,  no t  ro ta ti ng  or  m ovin g  pa rts  [ 8,  9].  A  PV  cel l  is  basi cal ly  a  s emic onduct or  di od e   with  a   la rg e  barrier  l a yer   e xpose d  t o  li gh t  al lo wing   portio n  of   t he   energ y  in   the   li gh t  photons  arr ivi ng  at   the   cel l   conve rt  directl y  to  DC  el ect rical   power   [10].  The  mo st  no ta ble  facto rs   that  hav e  a  c le ar  impact   on   the   performa nce   of  PV  s ys te m   ar e:   Partia l  s ha din g,  dust  [ 5] ,   s a nd  [11],   te mp e ratur e   [12 ],  an d  so la r  rad ia ti on  [ 13 ] .   Partia l  sh a ding   is  the   m os t   co mmon   enc ount ered  prob le m   i n  a   P V  sy ste m .  I n  this   phe nomen on,  t he  rec ei ved  su nli gh t   is  re duced   sig nifica nt ly  an d  res ults  in  lo wer  s ys te m  ef fici enc y  [ 14].  I n  the   des ign  sta ge ,  th e  s hado w   of   nea rby  ob je ct s  avo i de d  as  po s sible.  H owever,  p a rts  of   PV   mod ule  fa ce  unex pected   sh a dows;  s uch  a  su n  melt ed  s now,  bir d  dung,  fall en  le av es,  t he  neig hbori ng  buil dings,   to wers,  a nd  pas sin g  cl ouds   [15,  16 ].Whe n  the  P V   m odul e  pa rtia ll y  s ha ded,  t he   sh a de d  cel l   operates   at   c urre nt  le ve ls  lo wer  tha n  uns ha ded  cel l.  A s   conseq ue nce,  t he  s had e d  cel l s  are  forced   int o  re ve rse  bias  and  be gin   c ons um in g  powe r  i ns te ad  of  ge ne rati on   powe r.  T his  le ad   to   un desire d  i ncr ea se  i n  c el l  te mp e rature  this   is   le ad   to  l oc al iz ed   overh eat in g  ( hot  sp ot ) .   Wh e n  t his  te m per at ur e  reac he s  t he  c riti cal   l imi t,  the  ef fected  cel l  (s ha ded  cel l)  can  be  da mage d  [17].P assive   and  act ive  methods  are  us e d  f or   dec reasin g  t he  powe r  los se s  w hich  are  ca us e d  by   pa rtia l  sh a ding.   I n  th e  first   metho d,  the   by pass  diode   is  c onnected   in   an ti par al le l  with  the  phot ov oltai c  cel ls  in  orde r   to  pass   the   cu rr e nt   and  av oid  the   destr uctive  im pact  of  sh a ding.  C urre nt  fl ow  in   the   di od e   causes  l os ses   in  powe r,   t her e f or e ,  it   is  no t  possible   to   av oid  losses   c omplet el y.   O n  the  ot her  ha nd,   the  dyna mic  r econfig ur at i ons  bet ween  the   pan el s   of  photov oltai c  re pr e sent   sec on d  met hod  (act ive  met hod)  [ 18,   19 ].  H .  H.  K hain g  et   al   [20 ]:  St ud ie d  t he  eff ect   of   dif fer e nt  pa rtia l  sh adi ng   on  f our  var i ous   typ es  of  P V  modu le s  t hat  involv e  am orp hous   t hin - film,   CIGS  thin - film,  C dT e  thin - film  an d  mu lt i - cr ys ta l li ne  P V  m odul es.  T he  mod ule  te ste d  al ong  the  le ng t h  si de   an d  al ong  t he  brea dth  side   with   di ff ere nt  s ha ding  rate  var ie d  from   10%   to   60 %  f rom  t he  PV  area   with   inc r ease  of   10%.  T he  res ul t  sh owed  t hat  sh adi ng   al ong  t he  breadt h  side   mo re  e ff ect e d  than  s had i ng  al ong  it ’s  le ngth  side.   G.   S.  Re ddy  e t  al .  [21 ]  P rese nted  PV   mod ul e  model  by  M A TLAB/  Simuli nk  to   anal yze  thei r  pe rfo rma nce   unde r  no nunif orm  irra diance   conditi on.  M oreo ver,  Va rio us  PV   a rr a y  si mu la ti on  sche mati c  cou l d  be   creat e d  by  the  pro pose d  m odel ,  a nd  pa rameters   of  ir rad ia nce  of   eac h  P V  mod ule  c an  be  set   in de pe nd e ntly.   Di ff e ren t   simulat ion  pro cess  is  co nduct ed  a nd  co mp a r ed  f or  di ff e ren t   arr a y  c onfig ur at ion s  (2  series ,  3  series,   2s e ri es  ×  2p a rall el   and   3  series  ×  2  pa rall el )   unde r  nonuni form  ir r adi ance  c ondit ion s  of   I - V  a nd  P - V  c har act erist ic s   curves.  M.  A bdullah   et   al   [22],  in vestigat e d  the  im pact  of  sh a ding  on  the  ef fecti ve ne ss  of  P V  pa ne l.  The   exp e rime nts  ha ve  been  acco mp li sh e d  with   a  90 - W  s olar   pa nel  un der   c on sta nt  a nd   c ha ng ea ble  ir rad i at ion s .   H ori zo ntall y  s had e d  area   whic h  c ha ng e d  f r om  0  t o  80%  has   bee n  ap plied  t o  detect   t he   imp act   of  va ry i ng  irrad ia ti on  at   a ppoin te d  s had i ng   points.   The   resu lt s  s howe d  that  f or   eac h  100W/ m 2  inc re ase  in   ra diati on  le vel  le ads  t o  en ha nc e  the   ou t pu t   powe r  by  3.8 9  W ,   3.3 7  W ,   2.2 7  W,  a nd  2.02W   at   0  %,   25%,   50%,   a nd  75%   sh a ded   a rea  re sp ect ively .  I n  add it io n,   t he  ef fici ency   has  be en  raise d  by  0. 29   %,  0.27%,  0.25%,  a nd  0.2 2%  at   0  %,  25%,   50 %,  an d  75%  s had e d  a rea   r es pecti vely .  T he  dro p  in  outp ut  powe r  a nd   e ffi ci ency   wer e  12 . 41W   and  2.3%   res pe ct ively  w hen  t he  sh a ding   are a  inc rease d  by  10%.   H oweve r ,  this   st udy  co nsi der s   the   horiz on ta l   sh a ding  an d  ig nore d  the  oth e r  ty pes  of  s ha ding.  F .  Ba yra k  et   al   (20 17)  [23],  anal y ze d  therm odynam ic   and  el ect rical   per f orma nce  un der   the  sh a ding   s ha pe  an d  s ha ding  rati os   on  75  W  polyc r ys ta ll ine  PV.  H ori zon ta l,   ver ti cal  and sin gle cel l shad i ng at dif fer e nt percenta ge  we re  ap plied . T he  r esults sh ow e d  t hat at 100% sh adin g  rate,  the   po we r  l os se s  wer e  99.98  % ,  66.93%  a nd  69. 92 %  f or   horiz onta l,  ver ti cal   a nd  cel lular  s ha ding   resp ect ivel y.  T he  ga p  of  t his   resea rc h  is   th at   the   res ults  are  obta ined   from   a   pract ic al   stu dy  only   wi thout   simulat ing  stu dy.  Gu ti er rezet  al   [24 ]  prese nted   the   ef fortl ess  a ppr oac h  to  model  an d  a na lyze  the  perf orman c e   of   PV  m odule   unde r  par ti al   sh a ding  usi ng  sh a ding  rati o.  The  s ha dow  opaci ty  a nd  cha racteri sti cs  of  sh a ded  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :     1 5 08   –   1 5 18   1510   area  inte gr at e d  in  this  a ppr oa ch.   J .  C.  Teo   et   al   (2018 )  [ 25] ,  in vestigat e d  the   pa rtia l  sh adi ng  ef fect  and   the  crit ic al   po i nt  t hat  reduce d  th e  se ns it ivit y  of   s had i ng  he avi ness.  Unde r  va rio us   num bers  of  s had e d  m odules   and  sh a ding  he aviness ,  T he  P - V  c ha racteri sti cs  showe d  tha t  the  PV  strin g  became  im pe r vious  to   gravit y  s had   wh e n  t he  ir rad i ance  of  sh a de d  pa nels  a r rive d  a  crit ic al   point .  T he  re su lt s  s howe d  that  w he n  ir rad ia t io n  on  the   sh a ded  m odule s  on   the   PV  s yst em  wa s  betw een  1000   an d  700  W/m 2,  the   po wer  dro ppe d  by  a bout  6.2 %  f or   each  10 0W /m 2  drops  in  the  ir rad ia ti on.  H ow ever,  w hen   ir ra diati on   was  be tween  700  an d   0  W/m 2,   eac h  100  W/m2  dro ps   i n  the  ir rad ia ti on,  le ads  to  dro p   the  powe r   by   0.2 4%.   In   [21]   a nd  this   researc h,   th e  resu lt s   ob ta ine d  from   M A TLAB/S I M U LI NK  di d  no t  validat ed   e xp e rime ntall y.   In   t he  pr ese nt  pap e r,   dif fer e nt   cases   of  pa rtia l  sh a di ng   with   dif fere n t  pe rce ntage s  are   anal yzed  ex per ime ntall y  a nd  the or et i cal ly  to   deter mine  it s   impact   on  pow er  a nd  ef fici en cy  of  m ono  c rysta ll ine  PV   pa ne l  with  36  seri es  co nnect ed  c el ls  and  thre e  bypa ss   diode.   I nsula te d  m at erial   is  employe d  as   s had i ng  el eme nt   in  diff e re nt  c ases  wit h  dif fer e nt  per ce ntage  of  sh a ded  a rea.   T he  I - V   rec orde d  a nd   P - V   cal culat ed   be fore   an d  afte r  ap pl ying  sh a dow   i s  util iz ed  to   find  th e  powe r  loss  c orrespo nd i ng to  t his s hado w.       2.   MO DELIN G  OF PH OTO V OLT AIC  MO DU LE     PV   m odule  i s  the  basic  unit   of   powe r   PV   gen e rati on   sy ste m .  P V  m odule  ha s  non - li near  char act e risti cs  wh ic h  dep e nd  on  so la r  ra diati on  an d  cel l  te mp e ratur e .  In   t his  pa pe r,   P V  modu le   with  36  se ries   connecte d  s ola r  cel l   is  c hosen .  Fi gure   1.   S hows   the   P V  m odule   m odel   tha t  is  em pl oy e d  in  t his  stu dy.   Be sides ,   the  ir rad ia nce   (G)  a nd  te m pe ratur e   (T)  with   the   el ect r ic al   char act e risti cs  par a mete r  of  P V  mod ule  s uc h  as ,   op e n  ci rcu it  vo lt age  ( Vo c ),  s hort  ci rcu it   c urr ent  ( Isc )  a re  s how n  i n  t he  fig ure. I t  is ha ving 2 3.4 2V, 5 . 192A  a nd  1.5  as  ope n  ci r cuit  vo lt age  ( V oc),  short  ci rc ui t  cur re nt  an d  ideal it y  facto r  r especti vely ,   w hile  series  resi sta nce   value  (Rs)   is  0  ohm.  Dif fere nt  cases  are  carried   out  usi ng   M at la b/ Si mu li nk  t o  determine   I - V   an d  P - V  char act e risti cs   (Tab le   1) .   T o  dev el op  t he  m od el   of   P V,  th e  s olar   cel l  bl ock  is   ta ke n  f r om  Sim   Ele ct r on ic s  blo c k  set - M at l ab.   The  p a ram et ers  o f  s olar  c el l are d e fine d i n  eq uatio ns   (1)  a nd (2) [ 25].     I  =  ℎ −      [e xp ( +     ) − 1 ]   (1)     ℎ  :       =         (2)     The o utput p owr  is  [26 ]     =     (3)     Fil l  factor   (FF)   represents  the  rati o  of  ma xim um   power   div i ded   by  the  ope n  ci rcu it   v oltag e  and   s hort   ci rcu it  curre nt   [26]       . =   ℎ =         (4)     I  , I Ph  a nd  I rs  a r e  the   outp ut,   phot o - ge ner at e d  an d  the   di od e   sat urat ion  c urren ts   res pecti ve ly,   V  is   th e   ou t pu t   vo lt age ,   R S   is  t he   seri e s  re sist ance,   N S   is  t he   num be r  of  cel ls,   V T   i s  the   j un ct io n  ther mal  vo lt a ge ,  A   is  the  ideal it y  fac tor,  k   is   the   Bo lt zman  c onsta nt   (1.38 06503  × 10 - 23  J/K ),  T   i s  the   cel l  te mpe ratur e   a nd  q   i s  th e   el ect ro n cha r ge  (1. 602176 5  × 10 - 19 C).   Diff e re nt  cases  wer e  c on duct e d  as  il lustrate d  in  Ta ble  2.   The  ad opte d  P V  m odule  incl ud e s  36  so la r   cel l  wh ic h  are d ivide d  int o  tw o  gro up,  eac h  gro up   c onsist   of  18  cel ls.  Dif f eren t  s olar  irra diati on s  a nd  co ns ta nt   te mp erat ur e  (25° C)  we re  ap pl ie d  to  fin d  th ei r  eff ect   on   t he  I - V  a nd  P - V  cu r ve  of  the   PV   m odel .  S had i ng   factor  (F S )   re presents   the   rati o  of  ir ra diance   on   the   s had e d  S urface   ( G T,S )   to   the   ir rad ia nc e  on   the   un s ha ded  su r face  (G T ) [27 ].     F S = ,   (5)           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow  Ele c  & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Th e or et ic al  and  ex perime nta l  ana ly sis  of  photo v oltaic  mod ule char acter is ti cs u nder  …   ( A.  H.  N uma n )   1511     Table  1 . Cases   stud ie s ca rr ie d ou t   Cas e stu d y   So lar  Cell  Ir r ad ia n ce ( W / m 2 )   Sh ad in g  Factor  (FS)   Un sh ad ed  gro u p  ( 1 8  cells)   Sh ad ed  gro u p  ( 1 8   cells)   Cas e 1   1000   1000   1   Cas e 2   1000   800   0 .8   Cas e 3   1000   600   0 .6   Cas e 4   1000   400   0 .4   Cas e 5   1000   200   0 .2   Cas e 6   1000   0   0           Figure  1. P ho t ovoltai c m odul e  model  with t hr e e  by pass di od e s       In   a ddit ion,  ot her   ca ses  wer e   co ns ide red  by   ap ply in g  dif fe ren t  ir ra diati on  le vel  on  t hr ee   gro ups  of   so la r  cel ls  ( ea ch  group  12  c el ls)  as  sho wn  in  Ta ble  2  t he  m odel   in  Fig ure   1  us ed   in  these  c ase s  with     simple c hanges .       Table  2.   Illustr at ion   of r a ndom ra diati on lev el s f or  PV   m odule.   Cas e stu d y   So lar  Cell  Ir r ad ian ce ( W / m 2 )   Un sh ad ed  gro u p  A  ( 1 2  cells)   Sh ad ed  gro u p  B ( 1 2  cells)   Sh ad ed  gro u p  C ( 1 2  cells)   Cas e1   1000   1000   1000   Cas e 2   1000   900   800   Cas e 3   1000   800   600   Cas e 4   700   600   200   Cas e 5   800   950   300   Cas e 6   300   500   700   Cas e 7   300   200   400   Cas e 8   200   200   200           Figure  2.  P ho t ovoltai c m odul e model  (three  gro up w it h dif f eren t i r ra diati on  levels )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :     1 5 08   –   1 5 18   1512   Fig ure   3  s hows   the   P V  mod ule,  the  v erti cal   s tring  s had i ng w it h  100%   s ha ding  a rea   are   a pp li ed   to   the   model an d  t he results a re c ompare d wit h  t he e xp e rime nt r es ults.           Figure  3.   P V mo du le   a nd t he   ex per ime nt  r esults       3.   EXPERI MEN TAL SET UP   In   orde r  to  ob t ai n  the  I - V  an d  P - V  c har a ct erist ic s  of   t he  P V  pa nel  under   par ti al   sh a ding ,  the  c urrent   and  vo l ta ge   w ere   measu re d.   So la r   ra diati on  an d  am bient  t empe rature  a ffec t  these  cha ra ct erist ic s  there fore;  it   is  necessar y  to   measu re  these   par a mete rs.   A t  env ir onme ntal  conditi on s ,  th e  change  i n  at mo s pheric  c onditi o n  may  le a d  to  ra pid   c ha ng e  i n  the  so la r  ra dia ti o n  the refo re;  the  data  must   be  recorde d  quic kly  in  s hort   ti me    as possible .    Fig ure   4   s how s  the   e xp e rime ntal  set up,   where  t he  e xperi ment  was   set   up  in   Ba ghda d  ( 33. 33°  N   la ti tud e  and   44 .39°  E  lo ngit ude)  f or   c ol le ct ing   the  re quire d  data.  T he  util iz ed  P V  pa ne   is  M on ocrystal li ne   PV   pan el   with   36   cel ls   co nn ect ed  in   series ,  wh e re  eac h  12 - cel l   co nn ect e d  to   one  by pa ss  di od e .  T he  pan el   is   placed  on   a  m ob il e  meta ll ic   ho l der   a nd  it   is  instal le d  to  f ace  the  south  with  an  i n cl ina ti on   of  31.2 .  T able   3  exp la in s  the  el ect ri cal   char ac te risti cs  of   t he   PV   pa nel  un de r  sta ndar d  te s t  conditi on.  T he  re quire d  da ta   are  rad ia ti on  inte nsi ty,  am bient  a nd  m odule  te m per at ur es ,  wi nd  s peed  an d  relat ive  humidit y t her ef ore;   two digit al  mu lt i -   mete rs   us e d  to   meas ure  the   cu rr e nt  and  volt age .  T h er mo c ouple  t yp e   k  wa s  us e d  for  ob ta ini ng  the   pan el s  te m perat ur e  by  us in g  a  di gital   data  reco r de r.   R el at ive  hu mi di ty  an d  am bient  te mp e ratur e s  wer e   measu red   by  usi ng   UNI - T  U T3 32   dig it al   T hermo - hy grom et er  de vise.  T he   measu reme nt   of   wind  s peed   was   ob ta ine d usi ng  wind  gag e  ty pe  K ai ndl   Win d   maste r 2.    So la r   ra diati on   was   measu re d  by   so la r  mete r   py romet er  t ype  TES   1333R  and   rh e os ta t  (100W,   10 )  wer e   us e d  as  l oad   t o  mea sur e  the  ma ximum  cu rr e nt  an d  maxim um   volt age.  M a ny   e xp eriments  wer e   carried   ou t   in   cl ear   sky  c on diti on  du rin g  S eptem be r,   2018   to   in ve sti gate  pa rtia l  s had i ng  on  the   pan el .   Diff e re nt   cases  with  dif fere nt  per ce ntage  of   sh a ding  we re   a pp li ed  on  the  pa nel  by  us i ng   non - tran sp a rent   mate rial   as  sh adi ng   el ement  to  cl osi ng   as  0,  25,  50,  75,  100%   sh a ded   a rea  of  horizo ntal  stri ng,  ve rtic al   Str ing   a nd  sin gle  cel l  as   il lustrate d  in  Fi g ure   5  a nd   6.   M ore ov e r, dia gonal s ha ding  al so  in vestigat ed  as  sho wn in  Fig ure   7 .       Table3 . Elect ri cal  ch aracte risti c o f  m onocrys ta ll ine so la r pa n el   Desig n atio n   Ab b reviatio n   Valu es   Maxi m u m  po wer   P    88   Op en  cir cu it vo lta g e      2 3 .42  V   Sh o rt  circuit cur re n t     5.19 2 A   Vo ltag e at  m ax im u m  po wer      1 8 .  3 3  V   Cu rr en t at  m ax im u m  po wer     4 .80 1  A   Vo ltag e tem p e rature  co ef ficient   Kv   - 2 .10  m V/cel l/℃   Cu rr en t te m p eratur e coeff i cien t   Ki   1 5  m icro A/c m 2 / ℃   No .  o f  cells  con n ected in  series      36       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow  Ele c  & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Th e or et ic al  and  ex perime nta l  ana ly sis  of  photo v oltaic  mod ule char acter is ti cs u nder  …   ( A.  H.  N uma n )   1513       Figure  4.   The  s chemati c  view of  the e xperim ental  setu p           Fig ure   5 .  D if fe ren t  per ce nta ge  of s had i ng for  horizo ntal st rin g,   ve rtic al  strin g  a nd sin gle ce ll  b y  e mp l oyed   insu la te d mat er ia ls;  ( X1) SA= 25%,  (X2) S A =50%,  (X3 )  S A=75%  an d (X4)  SA = 100% , ( Y)   SA = 25%,  (Z1)   SA = 25 % .           Fig ure   6. Dia gonal  sh a ding  pro file  of the  ph otovo lt ai c  pan e l wit h diff e re nt steps   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :     1 5 08   –   1 5 18   1514       F ig ure   7 .   P V p anel with  d i ff e ren t case s  of   sha ding  (A)  hori zon ta l,  (B)  v e rt ic al , ( C) si ng le  cell  an d ( D)  diag on al .     4.   RESU LT S  AND DI SCUS S ION     4.1.   Simul at i on  r e sults   Figure  8   Sho w s  the  I - V   an d  P - V   cha racteri st ic s  of  the   phot ovoltai c  m odul e.  T his  m odule   co ns ist s  of   two  gro ups,  ea ch  gro up   with   16  s olar  cel ls .  Th e  ir rad ia nc e  le vel  on  t he  fir st  group  (un sh a ded)  is  c on sta nt  (10 00W/m 2 ) ,  wh il e  t he  ir radi ance  le vel  on  the  sec ond  gro up   (s ha ded)  be tween  10 00  an d  0W / m 2 .  Fi g ure  8   ( a )   represe nts  the   I - V  c har act e risti cs  unde r  t he  cases   stu dy   in  Table 1.   Figure  8   (b)  il lustrate s  the   P - V  char act e risti cs  of   t he  same  ca ses.  F rom  thes e  resu lt s,  it   ca n  be  noti ce  tha t  the  short  ci rc uit  curre nt  dec re ases   wh e n  t he  ir rad i ance  decr ease s ,  w hile  the  ope n  ci rc uit  volt ag e  is  le ss  af fect  by  sh a ding.   T he   maxim um  po wer   ou t pu t  decr eas es  with  dec rea sing   in  t he  sh a ding  fact or .  H ow e ve r,   the  outpu t  po wer   is  88W  at   Fs = 1  a nd  the n  dro pp e d  t o 72. 52, 53.5 , 36.7 , 15.5  and   11. 86 W   f o r 0. 8, 0.6 ,  0 . 4, 0,2  and  0 of Fs   res pecti ve ly.         (a)     (b )     Figure  8. P ho t ovoltai c m odul e cha racteri sti cs ( a )I - V, ( b)P - V.     Wh e n  the   irra diance   on   the   mod ule   is  non - unif orm  as   il lustrate d  in   Ta ble  2,  m ulti   ste ps   i n  t he  I - V  char act e risti cs  and   mu lt iple  pe aks  in  t he  P - V  cha racteri sti cs  curves  a re  obser ve d.   T his  is  beca us e  the  bypas s   diodes  a re   act ivate d,  wh e re  t his  bypasse s  th e  sh a de d  gro up  cel ls  a nd  al l ow  th e   uns ha de d  gro up  cel ls  to  hav e   diff e re nt  P - V   char act e risti cs  from   the   s haded  gro up  cel ls.   Fig ure  9  (a )  s hows   the   sim ul at ion   res ults  of  t he   cases  stu dy  i n  Table   2.  The   same   fi gure  sh ows   that   th e  sho rt  ci rc uit  cu rr e nt  is   ne gativel y  af fect ed  by   decr easi ng  t he   irra dian ce  le vels.   This   le a ds  to   dec reas e  the   ma xim um  c urren t   a nd  c o ns e qu e ntly,   the  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow  Ele c  & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Th e or et ic al  and  ex perime nta l  ana ly sis  of  photo v oltaic  mod ule char acter is ti cs u nder  …   ( A.  H.  N uma n )   1515   maxim um   pow er  as  well ,  whereas  the   ope n  ci rcu it   vo lt ag e  is  le ss  af fect ed  by  pa rtia l  sh adi ng  in  c ompari ng   with shor t   ci rc uit  cu rrent   un de r  t hese   co ndit ion s .   The  max i mu m  p ow e r  va lues f or   these   c ases  a re 88,  76 , 5 6.9 ,  33, 44.3 , 29,  16. 1  a nd 15 W f or f irst,  sec ond, thir d, f ourth , fi fth, sixt h,  se ve nth ,  eig hth ca se r es pecti vely .          (a)   (b)     Figure  9. P ho t ovoltai c m odul e cha racteri sti cs unde r n onunifo rm  i rr a diati on levels  ( a )I - V ,  (b) P - V.       4.2.   Ex peri menta l  resul ts    An   e xperime nt   was  co nducte d  to  anal yze  th e  performa nce   of   P V  pa nels  unde r  sh a ding  conditi ons.  Figures  5, 6 an d photo  of  F ig ur e  7. S how  th e cases  of sh a di ng   with  dif fere nt s had i ng are a.   I.   Horizo ntal st ri ng w it h 0 , 25,  50 , 75, a nd 10 0%  s ha ded are a.   II.   Ver ti cal  Stri ng w it h 0 ,  25, 5 0, 75, a nd  100%   sh a ded area.   III.   Sing le  cell   with  0,   25, 5 0,   75,  and  100%  sh a ded area .   IV.   Diag on al   sh a di ng w it h m ulti  step (o ne,  t wo, t hr ee , a nd four  ste ps ) .   Each   case  were  ap plied   on   mono c r ys t al li ne  pa nel  w hich   sh a ded  by   25,   50,  75,   10 0%  resp ect i vel y  unde r  rad ia ti on   cha nges   bet we en  ( 985±7  W /m2 ).  I n  ad diti on  t o  that,   the   re corde d  e nvir onmental   te m pe r at ur es   wer e  cl os e  dur ing   m easu rem ent  da ys .  The  ou tsi de  te mp e r at ur e  is  42±2° C  wh il e,  the   modu le   te m perat ur e  is   appr ox imat el y  66. 2±2  °C.  I n  ge ner al   Isc,  Im   de creasi ng  with  i ncr eas ing  sh a de d  a r ea,  c on se quent ly  P m   decr easi ng  w it h  inc rea sin g  s ha ding  area  as s howe d  in  Fi gur e  10 ,  Fig ure  11   and   Fig ur e 12 .   Figure  ( 5.1 0)  a  and  b  s how  I - V  a nd  P - V  for  dif fer e nt  s ha di ng  rati o  of   horiz on ta l  s had i ng.   Tabl e  4   pr ese nts  t he  Ima x,   Vma x,   Pmax,  ΔP ,  Pl os ses  (ΔP/P   ( %))  an d  FF  va lues  wh ic h  a re  cal culat ed   f rom  Fi gure  10.  Fil l  facto r  (F F )  is   decr ease d  f rom  70. 61%  t o  0.4 2%.  It  ca n.  I n  c omparis on  with  c urre nt  at   no  s ha ding,   th e  c urre nt  is  de creased   by  98% .  T he  maxim um  po wer  at   no  sh a ding  63.45 W  wh il e,  at   10 0%   sh a ding   co nd it io ns ,   the  powe r  wa s   dro ps   to  0.5 04  W.   In   t he  othe r  w ords ,  the  powe r  dec reas ed  by  99. 36   %   for  100%  s ha ding  co ndit ion.   In   t his   case  of  s had i ng,  eac h  stri ng  in  the  photov ol ta ic   mo dule   a ff ect ed   by  s ha ding,  t her e fore ,  t he  bypass   di od es  wh ic h  c onnect ed betwee n  th e m complet el y  disable d.     Ca se  I I:  Ve rtic al   strin g  s ha de d  as   pr e vious  c ase  ap plied   an d  t he  resu lt s  ex plained   in   Fi gure  11.  It  ca n  be  noti ced  t hat  the  powe r  ou t pu t  at   0%   sha di ng   was  63.62 W.   Wh il e,  at   100%   sh a ding  c o ndit ion,  the  powe r   was  dec rease d  to  29. 1W.  I n  c omparis on   with  po wer   at   no  sh a ding,  it   mean  that  the  po wer   ou t pu t  dro pp e d  by  54.26%  at 1 00 % sh a ding c on diti on .   At t hese  cond it io n,  t he F.F  dec reasin g from  69. 84% t o 48.92% .   Ca se  III:  I n  t his  case  sin gle  cel l  s ha ded  by  25%,  50 %,  75 %   an d1 00%,  t he  re sul t  cl arified  in   Figure 12.  It  ca n  be  noti ced  that  at   no   s ha din g  (0%  sh a ding)  the  c urre nt  is  4. 7A,  howe ver,  at   100%  s had i ng   conditi ons,  t he   cu rr e nt  was  2.81A.   T he   sa me   fig ure  s howe d  that  the   power  at   no  sh a ding  is  63. 8 7W,   an d  the n  dro pp e d  to  26. 33   W.   T his  m eans  that  po w er  dec rease d  by  68. 71  %  as  the  sh a ding  in creased  t o100 %,  as  com par e d Wit h powe r  at   no s had i ng con diti on.       Table  4.  T he  s had i ng r es ults  of thr ee  cases   Sh ad in g   Area   (SA)   Ho rizon tal   strin g   S h ad in g   Cas e I   Ve rtical  string  Sha d in g  Case II   Sin g le cell  Sh ad in g   Cas e I I I   Δ P  (W)   P lo s s es (%)   F.F  (%)   Δ P  (W)   P lo s s es (%)   F.F  (%)   Δ P  (W)   P lo s s es (%)   F.F  (%)   0%   0   0   7 0 .61   0   0   6 9 .17   0   0   7 0 .5   25%   2 1 .11   3 3 .27   6 7 .62   1 7 .09   2 6 .86   5 0 .24   1 6 .9   2 6 .46   5 7 .04   50%   3 6 .78   5 7 .96   6 3 .43   2 0 .15   3 1 .67   5 0 .07   2 1 .69   3 3 .96   5 0 .04   75%   5 1 .44   8 1 .07   5 4 .31   2 3 .37   3 6 .73   4 7 .78   2 6 .43   4 1 .38   4 5 .47   100%   6 2 .95   9 9 .21   0 .4   3 4 .52   5 4 .26   4 8 .92   3 7 .5   5 8 .71   4 9 .3       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
            IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  D ri   S ys t,   V ol .  11 , N o.   3 ,  Se ptembe r  2020   :     1 5 08   –   1 5 18   1516     (a)     (b)     Figure  10.   Re c orde d  c har act e risti cs o f  P V p anel un der h or i zon ta l st ri ng s ha ding  (a)   I  – V; (b)   P - V.         (a)     (b)     Figure  11.  Re c orde d  c har act e risti cs o f  P V p anel un der ve rt ic al  string   sh a di ng   (a) I   – V; (b )  P - V.         (a)   (b)     Figure  12 .   Re c orde d  c har act e risti cs o f  P V p anel un der sin gl e cel l shad i ng( a) I  – V;  (b)  P - V.     By  c ompa rin g  the   re su lt s   of  the  t hr ee   cases ,  it   ca n  be   c on cl ud e d  that  t he   dec reasi ng  in   ma xim um  powe r ou t pu t i n  the  thir d  ca se  is less t ha n  t he  d ec reasin g  in  t he first case s  (horiz ont al  and  ver ti cal  shadi ng) .    Diag on al ly   s ha ding  with   m ul ti   ste p  ( one,   two,  t hr ee ,  a nd  f our   ste ps)  i nvest igati ng  at   860  W/m 2  ra di at ion   le vel,  as  il lustr at ed  in  Fi gu re  (5.19a  &   b).  T he  re su lt s  of   t his  ty pe  of   s ha ding  a pp ea red  that  in  the   first   ste p  wh e re   no   sh ad ing  ap plied   th e  I m  was   4.38,  the n   it   decr e ased   to 1.9,  4.1 1,  an d  2.11A   f or  sec ond,  t hir d  a n d  four t h  ste ps . O n  the  o t her ha nd  he powe r dro pp e d from  61.3 2W at n o  sh a di ng to 2. 43W  fo r  the  fourth  steps.   The  c ompa rison  is   do ne  for   two  cases   ra ndom  re adi ng  f or n o  s had i ng  c onditi on  an d  10 0%   of v e rtic al   string  s had i ng  wh e n  so la r  radi at ion   is  743  Wlm 2   a nd  mod ule  te m per at ure  is  57℃.   T he  I - V  a nd  P - V  c urves   o f   the  colle ct ed d at a that wer e  a chieve d  e xp e ri mental ly a nd theoret ic al ly a r e ex plained  in  t h e Fi gures 14   a  and b.  The   er ror   bet w een   the   ex pe rimental   a nd  t he or et ic al   resu lt s   is  a bout   3.3  a nd  6.28%  f or  f irst  a nd  sec ond  case s   resp ect ivel y.   A  c omparis on  betwee n  p rese nt  e xp e rime ntal  res ults  of  po wer  losse s  of  PV  m odule  as   a  f un ct i on  of   sh a ding  area  w it h  the  ex per i m ental   res ults  of  pr e vious  st ud i es  ex plained  i n  Figure  15.  T his  fig ur e  presen te d  a   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow  Ele c  & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Th e or et ic al  and  ex perime nta l  ana ly sis  of  photo v oltaic  mod ule char acter is ti cs u nder  …   ( A.  H.  N uma n )   1517   com par is on   of  the  pr ese nt  w ork  with  F.  Ba yr a k  et   al   [23].  It  can  be  obs erv e d  that  the  pr ese nt  ex per i mental   resu lt s  ha ve obvio us  a gr ee me nt in  t he be havi or  as  compa re d wit h  the  ex ist ing  li te ratu re.         (a)   (b)     Figure  13.   Re c ord e d  c har act e risti cs o f  P V p anel un der dia go nally  sh a ding  (a)   I - V;  (b)  P - V.         (a)     (b )     Figure  14.   Re c orde d  c har act e risti cs o f  the oret ic al  an d  e xpe rimental   resu lt s for   no s ha ding a nd 10 0% ve rtic al   string s had i ng. (a)  I - V;  (b)  P - V.       5.   CONCL US I O N    In   t his  pa pe r,   non -   tra ns pa re nt  mate rial   wit h  di ff e ren t  s ha ding  posit io n  a nd   dif fer e nt  pe rcen ta ge  of  area  are  a pp li e d   on  m onoc rys ta ll ine  so la r  pa nel.  T he  imp ort ance  of  the  pr esence  of   diod es  in  the  P V  pa nels  is  their  abili ty  to   div ide  eac h  pa nel  into  se ve r al   sect ion s .  T he  res ults  sho wed   t hat  the  Photo n  cu rr e nt   under   par ti al   sh a ding   decr ease s.  T hi s  reduces  I sc  and   Im ,  w hi ch   le ads  to  decr e ase  the  outp ut  powe r.   Be side s,  the   resu lt s  re veals   that  w hen  the   ra diati on  c ha ng e s  betwee n  965  to   97 5  W/ m2  an d  10 0%   sh a din g  co ndit ion   is   consi der e d  t he   powe r  dec rea ses  by  99. 36  %,  43. 7  %  a nd  41. 15%  f or  horizo ntal,  sin gle  cel l,  an d  ve rtic al   resp ect ivel y  c ompari ng   with   their  init ia l  value  at   no  s had i ng  co ndit ion.  F ur t her,  wh e n  c onside r ing   t he  diag on al   s ha din g  with  no   s ha ding  at   first  ste p  the  power   is  62.06 W.   Howe ver,  the  po wer   decr ease s  by  48. 56   %,  63.3 %   a nd  96. 22%  f or  s econd,   thir d  a nd  f our th   ste ps  res pecti vely .   The   pa ramete rs  of  P V  pan e l  ar e   simulat ed  by  us in g  MATL AB  to   in vestigat e  the   pa rtia l  sh a ding  e ff e ct   at   dif fer e nt   irra diati on  le vels.  The   resu lt s s how  noti ceable  a gr ee ment  betwee n  t he  e xp e rime ntal and t he  t he oret ic al  r esults.       REFERE N C ES    [1]   T.   Esra m   and   P.   L.  Chap ma n ,   " Compa rison  of   Photovolt aic  Arr ay  Maxi mum   P ower  Point  Trac king  T ec hniqu es, "  IEE E   Tr ansacti o ns E nergy   Con v e rs ion ,   vol .   22 ,   p p.   439 - 49 ,   2007 .     [2]   N.  S.  N az ri ,   e t  al . ,   "Ene rgy   Ec onomic  An alys is  of  Photo - Volta i c – The r mal - The r moe l ec t ric  (PV T - TE )   Air   Coll ectors,"  Re n ewabl e   and  Sust ainabl e   Ene rgy   Re v ie w ,   vol .   92 ,   pp.   187 - 97 ,   201 8.     [3]   S.  Adnan,  et  al . ,   "S ola r  en erg y  p ote nti al  in  Pak ist an, "  Journal  of   Re newab le   and   Sustainabl e  Ener gy ,   vol .   4 ,   pp .   1 - 7,   2012 .     [4]   G.  Pila wj ia n,   " Analysis  of  Phot ovolt a ic  Concentra ti ng   Solar   E ner gy  Sys te ms,"   AR PN   Journal   of  Syst ems  and   Soft ware ,   vol .   2 ,   pp.   110 - 112,   20 12.     [5]   F.  Fadli ond i  e t  al . ,   "Bypas s  Dio des  for  Imp rovi ng  Solar  Pan el  Perform ance, "   I nte rnational   Jou rnal  of  El e ct ric al  and  Computer  E ngine ering , v ol .   8 ,   pp .   2703 - 270 8,   2018 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.