Int ern at i onal  Journ al of  P ower E le ctr on i cs a n d  Drive  S ystem   (I J PE D S )   Vo l.   11 ,  No.   4 ,  Decem be r 202 0 , p p.   1835 ~ 18 43   IS S N:  20 88 - 8694 ,  DOI: 10 .11 591/ ij peds . v11.i 4 . pp 18 35 - 18 43       1835       Journ al h om e page :  http: // ij pe ds .i aescore.c om   Hybrid  tech nique  for a n effici en t  P V syste m throu gh intelli gent  MPPT  and w ater c oo li ng pro cess       Huss ain  Attia 1 , K h aled  Ho s sin 2   1   Depa rt me nt   of   El e ct ri ca l ,   Elec tr onic s &   Comm u nic a ti ons E ng ineeri ng,   Amer ic an   Univer sity  of   Ra s Al  Khaimah,    Unite d  Arab   E m ira t es   2   Depa rt me nt   of   Mec hanica l   and   Industria l   Engi n ee ring ,   Am eri c a n  Univer sity   of R as  Al  Khai ma h ,     Unite d  Arab   E m ira t es       Art ic le  I n f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Feb   2 7 , 20 20   Re vised  A pr   2 6 , 2 0 20   Accepte d  J un   16 , 20 20       Solar  pan el s  h a ve  under gon e  se ver al  t ests  throu gh  rese a rch   stud ie s  for   the   purpose  of  im pr oving  per for ma n ce   to   increa se   th e  resulting  e lectr ic a l  power.   Thi s  study  cons ide rs  the  fa ct   o f  the   n ecess it y  of  Maxim um   Pow er  Point   Tra ck ing  workin g  condi t ions  of  t he   PV   panels  to  har vest  ma xi mu m  elec tri c al  power  during  th e  wea the r   var i at i ons.  It  conside rs   al so  the   p anel  t em per at ure   red uction  whi ch   aff e ct s  posi ti ve ly  th e  p ane l   ab i li ty   in  te r ms  of   produc ing   addi ti on al  e lectr i ca l   power .   By   th is  consid era t ion,  thi s   study  pr op oses  a   new   design,   and  si m ula ti on  result s  with  analysis  of  a  hybrid  PV   sys te m.   The  sys te m  is  abl e   t o  del iv er  5   kW ,   through  the   d ay   hours,  with   le ss   numbe r   of  PV   pane ls  base d  on  a  hybr id  t e chni que .   Th e  pr oposed  techniqu e  com b ine s   two  ma nipu la t in g  proc es ses.  Th e  first  on e  gu ar ant e es  the  Maxi mum   Pow er  Point  Tr ac king   (MP PT)  condi tion  during  d ay  hours  through  a n  artificia l   Neura l  Ne twork  (AN N)  cont rol le r.  Wherea s  th e  sec ond   one  f ocuse s  on   red uci ng   th e   pa nel  temper at ure   by   int rodu ci ng   a   wa te r   coo ler  which   is   designe d  for  th is  purpose.   Si mul ink  softwar e  of  MA TL AB  is  used  to   im plement a nd   e val ua te   the prop osed  sys te m.   Ke yw or d s :   Hybr i d   M A TLAB   M PP T   Neural  Netw ork   PV   matri x   Simuli nk    water c ooli ng   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 :   Hu s sai n Att ia ,    Dep a rtme nt of  Ele ct rical , Elect ronics & C ommu nicat ion En gin ee rin g   Ame rican  U niv ersit y o f  Ra s   Al Khaima h,   Ra s A l  Kh ai m ah,   1002 1,   U A E.   Emai l:  h at ti a@aur a k. ac .ae       1.   INTROD U CTION     Re searche rs   ha ve   co nce ntrat ed   on   the   as pe ct s  of   ef fici ency  i ncr easi ng  of   the   s olar   photov oltai c    pan el   [ 1 - 9].  Di ff e ren t  pa rame te rs  hav e   been  stud ie d  i nclu din g  the   am ount   of  deli ver e d  el ect rical   powe r  from   the  c onnecte d  PV  pa nel;  t he  l evel  of  in ci de nt   li gh t   inten sit y,  a mb ie nt  te m pe ratur e ,   an d  th e  cl ean ness   sta tus  of  the  pa nel  s urf ace.  Als o,   t he  beh a vior  of   t he   PV   pa nel  in   te rms  of   i ns ta ntane ous  le vel   of   l oad  po we r  with  resp ect   to  t he  weathe r  co ndit ion ,  how  t his  le vel  is  aff ect e d  in  non - li nea r  s ha pe   by   t he   mentio ned   w eat her   par a mete rs,  an d  how  to   gua ran te e  guara nteei ng   t he  M a ximum  P ower   Po i nt  Trac ki ng  ( M PP T)  w orkin g  conditi on  t o  ha ve  t he   ma ximum  le vel  of  loa d  po wer  [1].  T he   P V   pa nel  pe r forma nce   en ha nceme nt  t hrough  th e   pan el   te m pe ratur e   was   in vest igate d  a nd  an a lyzed  i n  [2 - 6].   In  [ 2],  a  wate r  c ycling  proc ess  has   be en  a dopted   for  t he  pa nel  c oo li ng,   wh e rea s  ma ny  c oo li ng  te c hn i qu e s  ha ve  bee n  e xpla ined   in   [ 3].  T he   pa nel  e ff ic ie ncy  has   been  monit ore d  in  [ 4]  by  m ovin g  the w at er o ve r  the p a nel’ s  su r face. L ab orat or ia l  ex pe rimentat io ns   ha ve   been  cond ucted f or   water c ooli ng  pur po ses  in  [5,  6] to  incr ea se  the qua ntit y of   the loa d powe r .    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.   4 ,  D ecembe r  2020   :   1835   –   1843   1836   The  c halle nge  of   e nfo rcin g  th e  DC - DC  co nverter s  of  P V  sy ste ms  t o  w ork  at   M P PT  c onditi ons  has   been  f ocused   by  ma ny  re sear ch  st udie s  [7 - 10] .  F uzzy  L og i c  Con t ro ll ers   ( FLCs)  ha ve  be en  propose d  i n  [7 - 9]  to  guara ntee  ha rv est in g  t he  maxim um   el ec tric al   power   from  t he  s olar  e nerg y.   On   t he  oth e r  side ,  A rt ific ia l   Neural  Netw ork  (AN N)   ha ve   bee n  pro pose d  in   [ 10]   to  pr edict   the  ref e r ence  volt age  f or  the  ai m   of   t rack i ng   the  ma ximum  powe r  locat io ns  duri ng  the  w eat her   var ia ti ons.  The   stu dy  cond ucted  i n  [ 11],   pro posed   an  idea   of   a n  inte gr at e d  ph otovo lt ai c  sy ste m  wh ic h  has  co ns i der e d  the  ad van ta ge  of   in serti ng  a n  al gorithm  of   M PP T.   In ad diti on, it  trig ger e d  a n  init ia l desig n of   w at er cooli ng s yst em to red uce   the p a nel tem pe ratur e .   The  stu dy  in  t his  pa per  f ocuses  on  the  c hal le ng e  of   re du ci ng   t he  numb e r   of   t he  re quire d  P V  pa nels   and   mainta ini ng  the  sa me  le ve l  of   delivere d  power   from  t he  P V  syst em.   To  ac hieve  s uc h  an  ai m ,  this   pap e r  pro po ses   a   ne w  wor k  base d  on  tw o  pa rall el   proce sses.   Fir st  proces s  a dopt s  a n ew  M PP T  co ntr oller b a sed  on  a   certai n  A NN  al gorithm,   whereas  t he   seco nd  process   re du ce s  t he  t ota l  num ber  of  t he  re qu i red  pa nels  by  reducin g  pan el   t emper at ur e  at   le ast ,  15  °C  thr ough  water  c oo li ng  via  a  m echan ic al   s olu t ion   to   ha ve  a  hi gh e r   pan el s  p e rform ance.        2.   THE  SELE C TE D  PV  P ANE L SPICI FIC ATIO NS     The   co ns i der e d  PV  pa nel  m odule   f or  t his  st udy  is  SLP 060 - 12   of   m ulti - cr ys ta ll ine  ty pe .  This   ty pe  is   char act e rized   by  high   e ff ic ie ncy.  The   s peci ficat ion s   of   th e  sel ect ed   P V  modu le   are   s how n  in   Ta ble  1.  T he  le vel  of  the  ha rv est e d  power  reaches   to  60  W  at   M PPT   c onditi on  w he n  the  li ght  inte ns it y  e qu al s   to   1000   W/m 2  at   the   r oom  te m pe ratur e ,  25  °C .  T he  i ns ta nta neo us   le vel  of  th e  ha rvest ed   po wer  is  nonline ar  wit h  resp ect   t o  the  pan el   volt age.  Figure  1( a )  s hows   the  e quiv al ent  ci rcu it   of   the  s olar  cel l,   the  total   ge ne rated   current   f rom  t he  s olar   cel l,   I out ,  re pr ese nts  the  s um mati on  of  t he  diode  current,   I D ,  the   cu rr e n t,  I P ,   pa ssin g   thr ough the  shun t  resist or  R P ,  and the  outp ut  curre nt from t he  cel l,   I out , as show n  in  (1 ) - ( 4)[10 ].      =   + +          ( 1)   =     [ − 1 ]       ( 2)     =         ( 3)    =   −        ( 4)     Figure   1  ( b),   ( c),   ( d),  a nd  (e )  s how   diff e re nt  in sta ntane ous   le vels  of  outp ut  c urren t   a nd  powe r  at   diff e re nt  le vel s  of  li gh t   inte ns it y,  a nd  s how  dif fer e nt  i nst antane ou s   le vels  of  ou t put  cu rr e nt   an d  powe r   at   diff e re nt levels  of am bient te mp e ratur e , res pecti vely .     The   ai m  of  this   stu dy  is   to   sho w  t he  posit ive  eff ect s   of  a dopt ing   t he  A NN  base d  c ontrolle r  t o  harves t   the  maxim um  po wer  from   so la r   e nergy  a nd  im pleme nting  a   water   co oling  treat men t  to   re duce  t he   tota l   numb e r of re quire d  P V pa nels of the  pr opose d  s ys te m  via   decr easi ng the   pan el  te mp e ratur e .       Table  1.   Sp eci f ic at ion s  of  t he Sel ect ed  P V M odule  (S LP 060 - 12  of Mult i cr ys ta ll ine)    Para m eter   Valu e   P mpp   6 0  W   V out   at P mpp   1 7 .8 V   I out   at P mpp   3 .37  A   V OC   2 2  V   I SC   3 .64  A   No .  o f  Cells   an d  Co n n ectio n s   3 6  ( 3 ×1 2 )   Tem p e rature  Co e ff icien t of Powe r   - (0.5 ±0 .05 )% per  1 °C   Op erating  T e m p er atu re   - 4 0  ° C to  +85  ° C   Maximu m  Sys tem   Vo ltag e   6 0 0  V   Po wer  Tole rance   ± 5%         (a)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Hyb ri d  te c hn i que fo r  an eff ic i ent PV  syste m  t hr ou gh intel li ge nt MPP T  and w ater  …  (H us s ain   Att ia)   1837     (b )     (c)       (d )     (e)     Figure   1 .  The  s el ect ed  PV pa ne l beh a vior;  (a) Eq uiv al e nt cir cuit o f  s olar  ce ll , ( b)  Ou t pu t c urren t at   dif fere nt  li gh t i nte ns it y,   (c)   O utput p ow er at  diff e re nt li gh t i nte ns it y, ( d) Out put c urr ent at di ff e ren t  ambient  te mp erat ur e , a nd ( e ) Ou t pu t  powe r  at   dif fer e nt am bient tem per at ur e        3.   PHOTO VOL TAIC M ATR IX DESIG N     In  order  to   des ign  a   su it able   PV  ar ray  or  m at rix,  the   total   daily  pow er   re qu i red  f or  t he  desire d  l oa ds   sh oul d  be   cal culat ed.   T he  l oa d  in  t his  stu dy  is  re presente d  by   a   set   of  LED  la m ps   for  pa r k  li gh ti ng .  The   detai ls of the  li gh ti ng  unit s   an d  the  d ai ly  wo r k in g hou rs  a re  sh ow n  in  Ta ble 2 .       Table  2 .  Detai ls o f DC LE D La mp s  L oad f or  Pa rk Ap plica ti on s     LE D  L a m p  24  V   Total Nu m b e r  o f   L ED  Lam p s   Daily  Hou rs 7:0 0  PM  to 5 :0 0  AM   Daily   requ ired  Energy   W att* Ho u r   1 0  W   50   1 0  H   5 0 0 0  W·H   Load  Cu rr en t   =  (50  x 1 0  W)/2 4  V  =  2 0 .83  A   Battery  Ban k  =  2 4 V /  4 0 0 A.H,  I   No r m al  C h ar g e   = 10 % ,  I   Fas t Ch ar g e   = 20 % o f  Battery  Cap acity ,  So  the rang e of  Ch argin g  curre n t is between  40  A  an d  80  A   The d esig n ed  Ch argin g  curre n t is  4 2  A,  T h e cha rgin g  ho u rs f rom  PV Ar ray   =  5 H   V ×  I  ×  No .  o f  H    = 24  ×  4 2  A  ×  5    = 50 4 0  W.H   The selected  P V P an el  p rod u ces 6 0  W     at M PPT  work in g  and  at  2 5  ° C   The PV pan el is  pr o d u cin g  p o wer  d u ring  5 H per day   The n u m b er  o f  the  requ ired PV  p an els = 50 0 0  W.H /  5  H  /  6 0  W =  1 0 0 0  W/ 6 0  W = 1 6 .67   →   1 7  Panel    The selected  P V P an el pro d u ces 5 5 .5  W   (By   co n sid ering  T em p eratur e Co e ff icien t  of Power   =  - 0 .5%  per 1°C)     th rou g h  M PPT  w o rkin g  at  4 0  ° C   The PV pan el is  pr o d u cin g  p o wer  d u ring  5 H per day   The n u m b er  o f  the  requ ired PV  p an els = 50 0 0  W.H /  5  H  /  5 5 .5 W   = 10 0 0  W/ 5 5 .5 W  =  1 8 .01   →   18  Pan el        The  ai m  of  a dopting  the   water   co olin g  i n  t his  stu dy  is  t o  re duce  t he  pa nel  t empe rature  by  15  degrees   from   40   °C   to   25  °C   in   order  to  ob ta in   a ddit ion al   po wer  of  4.5  W   f rom   ea ch  pa nel.   W herea s  the   total   a moun t  of   a dd it io nal  e n er gy  from  t he   18   P V  pan el s  du e  t o  the  water  co olin g  duri ng  5  hours  will   be  4.5  W  ×  18  ×  5  H   =  40 5  W·H.   I n  oth e r  w ords,  the   proce ss  of  water   co olin g  ca n  re du c e  t he  t otal  num be r  of  the   re quired   P V   pan el s   f r om  18   to   17   w hic h  pro vid i ng  the   sa me  qu a ntit y  of   the   ha r vested   energ y  as   a   re s ult  of   a  te m pe r at ur e  reducti on  from   40   °C   to   25° C.  Fi gure  2  s hows   t he  t wo  P V  a rr a ys  c onne ct ion s   an d  ex plains   ho w  t he   total   pan el s  are re duced  by only  adop ti ng t he wat er c oo li ng  proc ess.       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.   4 ,  D ecembe r  2020   :   1835   –   1843   1838     (a)       (b)   Figure  2 .   P V  a rr a ys  c onnecti ons; (a )  t otal re quire d pan el s  wi thout wate r  c ooli ng, (b )  total   require d pan el s  by  adoptin g  th e wa te r  co olin g  tre at ment.         4.   PRESENTE D  SYSTE M DE SIGN     The  desig n  of   the  pro pose d  hybri d  PV   s ys te m  co ns ide rs  5  kW  re qu i red   powe r  f rom  th e  so la r  PV   arr a y  per  5  ho ur s   daily.   This   harvested   e nergy  is  require d  to  be  st or e d  i n  the  batte ry  ba nk  t o  s uppl y  t he   LE D  la mp s  durin g  t he  night  hours.   The  pr e sente d  desig n  a do pts   a  hybri d  te c hniq ue  to  guara ntee  the  merit   of   t he   arti fici al   neu ra l  networ k  al go rithm  f or  MPP T  ai m,  an d  the   merit   of   pa nel ’s  te mp e ratu re   reducti on.  T hroug h  the  prese nted   s ys te m,   the  nu mb e r  of   t he  re qu i red  P V  panel s  for  delive ring  the  l oad  po wer  has   bee n   r edu ce d.  Figure  3  s how s  the  main  bloc ks   an d  the  se qu e nce  of   the  energ y  proces s   in  the  hybri d  PV   s ys te m.  T he   sy ste m   is  sta rted  by  t he  desig ne d  a r ray  of  PV  pa ne ls.  Th e  pan el s  are   co nnect ed  in   par al le l  to  pro du ce   hi gher   DC   current   with   D C  li nk  vo lt age   of  t he   PV  panel .  T he  li nk   vo lt age  is  us e d  a s  a  powe r   sup ply  to   the   co nnect e d  DC - DC con vert er.  T he  a dopte d  ty pe o f  the  c onve rter is a  boo st  con ver te r   topolo gy.    The  outp ut  vol ta ge  of  t he  c onver te r   is  re gula te d  by  t he  pu ls e  widt h  m odul at ion   (PWM )  dri ve  pulse s   wh ic h  are  c ontrolle d  by   th e   arti fici al   neural  netw ork.   The  A N N  al gorith m  w orks  on   guara nteei ng   t he   M a ximum  P ower  P oi nt  Tra ckin g  ( M P PT)  by   predict in g  the  in sta nta neous  ref e rence   vo lt ag e  f or  each   instanta ne ous  weathe r  c onditi on s  of  diff e re nt li gh t i ntensit y valu es  ( G )  and am bient te m per at ur es  ( T ).           Figure  3 .   M ai n bloc k diag ram  of the  prop os e d hyb rid PV  syst em       5.   NEU RA L  N E TWOR K  CONTROLL E R   The  f un ct io n  of  the   desig ne d  an d  prese nted   co ntr oller  is   pro du ci ng  the   instanta ne ous  value   of  t he   ref e ren ce  volt age.  A  ne w  desi gn   of  Fee d - F or ward  Neural  N et work   al gorithm  is  propose d  in  this  st udy  to  the   sy ste m   co nvert er.   The   ANN   merit s  of  the   a ccur at e   an d  qu ic k  respo ns e   re gardless   the   ty pe  of  t he  c ontr olli ng  functi on  le d  t o  ad opt  the  A NN   i n  di ff e re nt  fiel d  pro blems.  T he  a lg ori thm  is  trai ning  th rou gh   a  m achine   le arn in g  proce ss  to  predict   t he   accu rate  s olut ion s  [10 ].   The   le arn i ng  pr oc ess  deals   with   numerical   a rr a ys   of  input  var ia bles   and   ou t pu t  va riables.  T he n  base d  on  this  process ,  the  al gorithm  will   be  able  to  predi ct   the  numerical   valu e  of  t he  outp ut  va riable  at   di f fer e nt  in put  va riables.   I n  t his   stu dy,  t he  al gorith m  is   le arned  by  the  in pu t  num erical   arr a ys   of  the  li ght  inte ns it y  ( G )  a nd  the  am bient  te mp e ratur e   ( T )  to  predict   a n  a ccur at e   ref e ren ce  volt age  ( V ref )  f or   th e  M P P T  f un ct i on.  Fig ur e  4  s hows  t he  str uctu re  of  the  desig ned   al gorithm  wh ic h  include s  on e   input  la ye r  of  two  ne uro n,   t wo  hi dd e n  la ye rs  of  te n  ne uro n  eac h,  an d  one  ou t pu t   la yer  of     on e  n e uro n.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Hyb ri d  te c hn i que fo r  an eff ic i ent PV  syste m  t hr ou gh intel li ge nt MPP T  and w ater  …  (H us s ain   Att ia)   1839   The  qu al it y  of  the  pr ese nte d  Ne ural   Net work  al gorith m  in  te r ms  of   a ccur ac y  is  evaluate d  by   ob s er ving the   mean sq uar e  er ror (M SE).   L ow  value o f MS E in dicat es a  hig h ac cu rac y A NN alg or it hm;      =   1   ∑ [ ( ) − ( ) ] 2 = 1       ( 5)     Wh e re  the  ta r ge t  value  is  in dicat ed  by  t(k) ,  the  pre dicte d  va lue  of  the  al gorith m  is  ind ic at ed  by  a(k) ,  the in pu t  vect or se qu e nce is  ind ic at ed  by  Q .           F i gu r e   4 .   P r op os e d  ne ur a l   ne t w or k  a l go r i t hm         6.   WATER  CO OLING  P ROCESS   Coo li ng  of   P V  pa nels  is  a   vital   factor   i n  the  desig n  and   operati on   of   s olar  cel l.   In te gr at in g  Photo vo lt ai c/ Thermal   ( PV /T )   so la r  sy ste m   i s  one   of  the   m os t  c ommo n  m eans   f or  the   P V  pa nels  c ooli ng  to   impro ve  thei r  ov e rall   pe rfo r mance.   Water   co olin g  te ch ni qu e   is  c on si de red  as  one  of  the   m os t  e ffec ti ve  methods  am ong  the  av ai la ble  te chn iq ues  no wad a ys [ 12].   In   t his  stu dy,  a   water - spra y - ba sed  c oo li ng  s ys te m  is  propo sed  to  c ool  the   PV   pa nels  as  i ll us trat ed  in   Figure  5.  S uc h  a  sy ste m  e na bles  the  possi bili ty  of   us in g  the  warm  wat er  le avin g  f rom  the  PV   pa ne ls  fo r   domesti c  ap pli cat ion s.   T w o  models  a re  us e d  i n  this   w ork   namely ,  heati ng  rate  m odel   a nd  c oo li ng  rate   m od el .  The  us e  of  the se  m od el s  min imi zes  both  a moun ts   of  c oo l ing   water   use d  an d  the   e nerg y  require d  t o  mainta i n  the  P V  pa nels  at   it s  desire d  operati ng  te m pe ratur e .  T he   he at ing   rate  m od el   determi nes  t he  ti me  at   w hi ch  th e  coo li ng  of  the   PV   pa nels  s hould   sta rt  w hile  the  c oo li ng  ra te   model  de te r mines  how   lo ng  it   ta kes   to  c ool  the   PV   pa nel  dow n  to   the   desi re d  op e rati ng  te mp e ratur e .  T hi s  m od el   is   basi cal ly  us e d  t o  minimi ze  the   r equ i red  coo li ng  proces s p e rio d wh ic h i n  tu rn ensu res mi nimum a moun t  of  water a nd e nerg y neede d for this  purp os e.       6.1.   The  he at in g  r at e  model   The   co olin g  frequ e nc y  of  t he   P V  pa nels  is   determi ned  us i ng  the   heati ng   rate   m od el .   T his  requires   that  the  heati ng  rate  of   t he  pan el s  t o  be   known .  T he  he at ing   rate  of  the  pa nels  ca n  be  cal culat ed   after   ob ta ini ng  the  modu le   te m pe ratur e   as  a  f unct ion  of  ti me .   Th e  m odule  te mp erat ur e ,  T m,  ca n  be  cal culat ed   us in g  t he  f ollo wing  form ula [12,  13]:      =    + (  − 20 ) / 800       ( 6)     wh e re  T amb   is  the  am bient  te mp e ratur e ,   T NO C   is  the  nomina l  op e rati ng   cel l  te mp erat ur e  a nd   G   is  the   irra dianc e   in  W/m 2.  E quat ion   ( 6)  is  wi dely  us e d  t o  e sti mate   the  m odule  te m pe ratu re  th rou ghout  the  yea r  i n  a  s imple  way [ 14, 1 5] .   The  nomi nal  op e rati ng  cel l  te mp erat ur e ,  T NOC ,  can  be  de fine d  as  a  f unct ion   of   t he  ambient  ai r   te mp erat ur e  at  the s unrise ti m e,  T rise ,   as  [1 6] :      =    + 20   ℃       ( 7)     The  heati ng  r at e,  dT m /dt ,  of   the  P V  pa nel   can  be  dete r mined  f rom  the  slo pe  of   t he   T m - ti me  cu r ve  by  cond ucting  li ne ar  c urve   fitt in g  [ 12].  K nowi ng  the   P V   panel   heati ng   rate   as   well   a s  t he   ma xim um  al lowe d  te mp erat ur e  ( M A T)  set   po i nt ,  it   ca n  be  di r ect ly  determi ne d  w he n  to  sta rt  co oling   of   t he   PV   pan el   as  so on  as  the m odule te mp e ratur e  r eac hes  t he MAT.   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.   4 ,  D ecembe r  2020   :   1835   –   1843   1840   6.2.   The co oling  r at e  model   The  c ooli ng  r at e  of  the   P V   cel ls  is  a   vit al   facto r  t hat  sign ific a ntly  a ff ect s  t heir   pe rformance .  Kno wing  t he  c oo li ng   rate   of  the  P V   pa nel,   the  c oo li ng   pr ocess   dur at ion  can   be  deter m ined   by   ap ply i ng  the   energ y balance  principle  [17 ] a s:   The  heat  e nerg y  tra nsfer red  to   the  c ooli ng  w at er  is  e qu al   t he   heat d issi pate d  from  t he  PV pan el s .  I n  a  mathemat ic al  re pr ese ntati o n,  t his ca n be  wr it te n  as:       ̇ × ×  × ∆ =   × × ∆       ( 8)     wh e re  ̇   is   the   water   mass   fl ow  rate,  m g   is  th e  mass   of  glass ,  c pw   is   the   sp e ci fic  heat   of  w at er,  c g   is  t he  he at   capaci ty   of  gla ss,  ∆   is  t he   wate r  te m per at ur e   r ise ,  ∆   is  th e   glas s  te m per at ure   dro p  due  t o  w at er  c oo li ng,  and t is t he  ti me n ee ded to  co ol the sola r  P V  p a nel to a  desi red o per at in g  t empe rature.       C ooli ng w a te r   inl e t W a r m wa te r   out l e t V a l ve N oz z l e F il t e r P V  pa ne l F e e di ng  pipe C ol l e c t i on  tr a y     Figure  5: Sc he mati c d ia gram  of the  PV m odule w it h t he  w a te r  co olin g  s ys t em       7.   RESU LT S  ANA L YS I S   M A TLAB/Si m ulink  is  us e d  i n  this   w ork  t o  simulat e  the   pro po se d  hybri d  P V  sy ste m ,  t o  asse mb l y  the  sim ulati on   resu lt s   for  th e  ob je ct ive  of  a na lysis,  a nd  syst em  pe rfo rma nc e  evaluati on.   T he  propose d  s yst em  involves   a  P V   arr a y  w hich   is  desi gn e d  a nd   analyz ed   in  a   previ ou s   sect ion  ba sed   on  t he   powe r  cal c ulati on.   The  s ys te m als o  in volves a  bo os t DC - DC  co nv e rter.  Ta ble  3  s hows  t he de sign e d  c onve rter’ s  pa rameters  u sin g  the  pr ocess   of  conve rter   desi gn  [18 - 26] .  T he   sim ulati on  re su lt s  a re  c ollec te d  for  a  fu ll   simulat ion  per i od  of  1  seco nd  w hich   is  eq ually  div i ded  int o  ei ght  su b  per io ds  of   0.1 25  sec  ea c h.   The   sim ulati on   is   co nduct ed  in   a  par al le l  pr oces s  f or  the  t wo  P V  a rr a ys   (17   pa nels  at   te m perat ur e  of  25  °C,   an d  18  pan el s   at   te mp erat ur e   of  40   °C)  at   t he  sa m e  ei ght  le vels  of  the   f ollo wing   li gh t  i ntensity   700  W/m 2 ,   750  W/m 2 ,   800  W/ m 2 ,  850  W/m 2 ,  900  W/m 2 , 8 50 W / m 2 , 800  W/m 2 ,  and  750 W/m 2 .       Table  3 .   B oost  DC - DC con vert er  pa rameter s   Para m eter  Na m e   Para m eter  Value   Ind u cto r   2  m H   Cap acito r   1500   µF   Switch in g  f requ en cy   1 5  kHz   P  –   Prop o rtion al gain   0 .03 8   I  –   Integ ral  gain   0 .00 4       The  sim ulate d  structu re  of  the   desig ne d  neur al   netw ork  is  s how n  in  Fig ure  6,   w her eas   th e  al gorithm   performa nce   is  sho wn  in   Fi gure   7.  As   de m on st rated   in   Fi gure  7,  the   value  of  M SE   e qual s  to   2.766 5× 10 - 6   wh ic h  ref le ct s   a  hi gh  acc ur ac y  pe rformance .  Fi gure   8  a nd  Fig ure  9  sho w  t he  l oa d  volt age  a nd  l oad  powe r   resp ect ivel y  for  the  t wo   ca ses   of  17  P V  p a ne ls  arr a y  at   25  °C  an d  18   PV  pan el s  a rr a y  at   40  °C,  res pecti vely.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Hyb ri d  te c hn i que fo r  an eff ic i ent PV  syste m  t hr ou gh intel li ge nt MPP T  and w ater  …  (H us s ain   Att ia)   1841   Figure  8  s how s  the  l oad  volt age  at   dif fer e nt   li gh t  inte ns it ie s.  T his  fi gure   dem onstrat es  appr ox imat el y  equ a l   vo lt age s  with   the  merit   of  al l  are  ca pa ble  to   charge   the   batt ery  ba nk  beca us e  a ll   are   gre at er  tha n  the   24  V   of   batte ry  volt age .  O n  the   ot her  side,   the   loa d  pow er   is  s hown  in   Fig ure  9,  in  w hich   th ere  a re  a ppr oximat el y  equ al   powe r  le vels.  T his  mea ns   th at   the  pos it ive  eff ect s  of   ad op ti ng  A N N  al go rithm  for  M PPT   f unct ion  an d  adoptin g  th e  w at er cooli ng  of  the P V pan el s  lead to  r e duce t he  total   num be r of  t he req uire d  P V pa nels .           Figure  6 .   The  s imulat ion o f  th e pro posed  AN N  al go rithm            Figure  7 .   The   performa nce  of the sim ulate d ANN al gorith m           Figure  8 .   Sim ul at ion  r es ults  of loa d v oltage       Figure  9 .   Sim ul at ion  r es ults  of loa d p ow e r       8.   CONCL US I O N   A   ne w   hy br i d  P V   s ys t e m   i s   p r e s e nt e d  i n  t hi s   pa pe r   f or   i nc r e a s i ng   t he   s ys t e m   pe r f or m a nc e   a nd ,   a t   t he   s a m e   t i m e ,   r e d uc i ng   t he   t ot a l   n um be r   o f   t h e   r e q ui r e d  P V   pa ne l s .   T o   i m pr o ve   t he   s ys t e m   pe r f or m a n c e ,   t he   pr o po s e d  de s i gn   a d op t s   t w o  p a r a l l e l   pr oc e s s ;  f i r s t   pr oc e s s   f oc us e s   on   pr op os i ng   a   ne w   d e s i gn   o f   a n   a r t i f i c i a l   ne ur a l   ne t w or k   a l go r i t hm   f or   t he   a i m   of   gu a r a nt e e i ng   t he   m a xi m um   po w e r   po i nt   t r a c ki ng   du r i ng   a l l   of   da y  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.   4 ,  D ecembe r  2020   :   1835   –   1843   1842   ho ur   t o  ha r ve s t   m a xi m um   q u a nt i t y  of   e l e c t ri c a l   e ne r gy   t hr ou gh   t he   w e a t he r   va r i a t i on .   W he r e a s   t h e   s e c on d   pr oc e s s   f oc us e s   o n  i m p r o vi ng   t he   pe r f or m a n c e   of   t he   P V   p a ne l s   by   r e du c i ng   t he   pa ne l ’ s   t e m pe r a t ur e   b y   w a t e r   c oo l i ng   t r e a t m e nt .   T he   p r e s e nt e d  s ys t e m   c o ns i de r e d  50   u n i t s   of   L E D   l i g ht i ng   o f   1 0  W   e a c h  a s   di r e c t   c ur r e nt   a pp l i a nc e s   of   t he   de s i g ne d  s y s t e m .   T he   s i m ul a t i on   s t e ps   o f   t he   pr e s e nt e d   hy br i d   P V   s ys t e m   w e r e   pe r f or m e d   us i ng   MA T L A B / S i m ul i nk .   I t   w a s   c l e a r l y  s ho w n  t he   po s i t i ve   e f f e c t s   of   t h e   t w o  pa r a l l e l   pr oc e s s e s   i n  r e du c i ng   t he   nu m be r   of   t he   r e q ui r e d  pa ne l s   w i t h  t he   m e r i t   of   ke e pi n g  t he   s a m e   l e ve l   of   t he   ha r ve s t e d  e ne r gy .       ACKN OWLE DGE MENTS     The  a utho rs   apprecia te   the   fina ncial   s uppo rt  pro vid e d  by  sc hool  of  en gin ee rin g,   Ame rican   Un i ver sit y o f R as A l  Kh ai m ah  –   UAE,  www. a ur a k. ac .ae/e n/sch ool - of - e ng i neer i ng /         REFERE NCE S   [1]   H.  A.  At ti a ,   T.  K.  S.  Freddy ,   H.   S.  Che ,   W.  P.  H ew,   A.   El  Khat e b,   "Confin ed  Ba nd  Vari ab le  Sw it chi ng   Freque nc y   Puls e  Wi d th  Mo dula ti on   (CB - V SF   PWM)  for  Single - Phase  Inv er te r  wi th  LCL   Fi l te r, "   IEEE  Tr ansacti on   on  Powe r  El e ct ronics ,   vol .   32 ,   no.   11,   pp.   8 593 – 8 605,   Nov  2017.   [2]   Mohd  Eht isha an ,   MD   Riz w an  S ai fe e,  “Sim u la t i on  Based  In te l ligent  Wa t er  Coo l ing  Sys te m   for  I mprove m ent   the   Eff icienc y   of  Ph oto - Volta i c  Mod ule ,”   I JCSMC ,   Vol.   5 ,   Iss ue. 7,  p p .   535 – 544 ,  Jul y  2016 .   [3]   Fili p  Grub išić - Čabo,  Sandro   Niže t ić ,   Ti n a  G iuseppe  Marc o ,   “Photovo lt a ic  Panel s:   a   rev iew   of   the  Coo ling  Te chn ique s , ”  Tr ansacti ons of   FAMENA   -   Spec ia l   issue  1 ,   pp.   63 - 74 ,  2016 .     [4]   Matt hew  K.  Sm i th,   Hanny  Se lbak,  Carl  C.   Wam ser,   Nicho la s  U.   Day,   Math ew  Krieske ,   Dav id  J.  Sail or ,   Todd  N.  Rosenstie l ,   “Wa te r   Cooli ng   Me t hod  to   I mprove  the  Perform anc e   of   Fie ld - Mount ed,  Insula te d ,   an d  Conc ent r at ing   Photovolt aic  Mo dule s ,”   Journal   of  Solar  Ene rgy   Engi ne ering ,   Vol.   136 ,   No .   3 ,   20 14.   [5]   Saad  Odeh ,   and   Masud  Behnia ,   “ Improvi ng  Phot ovolt aic   Module   Eff i cienc y   Us ing  W at er   Cool ing , ”  Heat   Tr ansfer  Engi ne ering ,  Vol.   30 ,   No .   6 ,   pp .   499 – 505,   2009 .   [6]   Saira   Iqb al,  Sa mi a   Afza l ,   At ta  Ulla h  Ma zha r ,   Haz eema   Anju m,   Anab   Diyya n,   “ Eff e ct   o f  W at er   Cooli ng   on   the  Ene rgy  Convers ion  Eff i ci en cy  o f  PV   Cel l ,”   Am eric an  Sc ie nt if i c   Re search  Journal  for  Engi n ee ri ng,   Technol og y,  and  Scienc es  (A SRJ ETS) ,   Vol .   2 0,   No 1 ,   pp .   122 - 128 ,  2016 .   [7]   Hus sain  Attia,   “ A  Stand - a lone  Solar  PV   Sys tem  wi th   MP PT  Based  on   Fuz zy   Log ic  Contro l   for  Dir ec t   Curr e nt   Portabl e  Hous e  Applic a ti ons”,   I nte rnational   Rev i ew  on  Mod el l in g  and  Simulatio ns ,   Vol.   11 ,   No.   6,   pp .   377 - 385,   2018.   [8]   Hus sain  Atti a ,   “Fuzz y  Logic   Control l er  Eff ec t ive ness  Ev aluati on  through   Compa ra ti v e  Membe rships  f or   Photovolt aic  Ma xim um  Pow er  P oint   Tr ac king   Functi on , ”   In te rn ati onal  Journal  of  Powe r  E lec tr onic s  and  Dr iv e  Syste ms   ( IJ PE D S ) ,   Vol .   9 ,   No.   3,   pp.   1147 - 1156 ,  2018 .   [9]   Atti a   Hus sain,  Del  Am a  Gon za lo   Ferna ndo ,   “Stand - al one   PV   Sys te m   with   MP PT  Functi on  B ase d  on  Fuzzy   Logi c   Control  for  R e mot e   Bui ldi ng   Applic a ti ons , ”  I nte rnational   Jo urnal  of   Pow er  E le c tronic s   an d  Dr iv e   S yste m s   (IJ PE DS) ,   Vol .   10,   No.   2,   pp.   84 2 - 851  , 2019 .   [10]   Hus sain  A.   Attia,   “High   p erf or ma nc e   PV   sys tem  b ase d   on   artif ic i al  neur al  ne t work  MP PT  wit h  PI  cont ro ll er   f or  dire c t  cur r ent  wate r   pump  appl i c at ions ,”   Int ernat ional   Journal   of   Powe r  Elec troni cs  and  Dr iv e   Sys te ms   (IJ P EDS) ,  Vol.   10 ,   No.   3,   p p.   1329~1338 ,  2 019 .   [11]   Hus sain  Atti a,   K hal ed  Hos sin,  “I nte gra te d  Ren ew abl e  PV   Sys te m  through  Artificial  Neura l  Ne twor k  Based  MP PT   and  W at er   Coo li ng  Tr ea t me n t ,”   Inte rnat ional  Confe renc e  o n  El e ct rica l  an d  Computing  Technol og ie s  an d  Appl ic a ti ons (IC ECTA),   R as  Al  Khaim ah - UA E,  Novembe r  19 - 21 ,   2019 .   [12]   Moharra m   KA ,   Abd - El hady   MS ,   K andi l   HA ,   E l - Sherif  H ,   “ Enh anc ing   th e   per fo rma nc e   of   photo volt aic   pan el s   b y  wate r cooli ng ,”   Ai n  Shams   Eng i nee ring  Journa l ,   Vol.   4,   no.   4,   pp .   869 - 877 . ,   2013 .   [13]   Alonso  Garc ia   MC,  Bal en za t eg ui  JL ,   “ Esti m at i on  of  photovol t ai c  modul e  y ea r ly  te mp erature   and  per form anc e   base d  on   nomi n al   op erati on   cell   temper at ure   ca l cul a ti on ,”   Re n e wable   Ene rgy ,  Vol.   29 ,   No .   12 ,   pp .   1997 – 2010 ,   2004 .   [14]   Kotla y  P,  W en k  J,  Buche r  K ,   “ Outdoor  mea sureme nts  of  N OCT  and  it s  i nflue nc e  on  en erg y  colle ct ion ,”   Proce ed ings o f   t he  Se cond  Worl d  Confe ren ce on   PV Sol ar  Ene rg y  Conv ersion ,   Vi enna ,   p p .   2334 – 7 ,  1998 .   [15]   Mali k   AQ ,   Sa l mi  Jan   Bin   Haji  Dam it ,   “ Outdo or  t esti ng   of   sin gle  cry st al  sili co n  solar   ce l ls ,”   R ene wabl e   Ene rg y ,  Vol.   28 ,   No.   9,   p p.   1433 – 45 ,  200 3 .   [16]   Bhart i   R,   Kui tc h e  J,  Tamiz h - Ma ni  G ,   “ Nomin al   oper ating  c ell  t e mpe ra ture  (NO CT)  eff ects  of  mo dule   si ze,  power ,   loa d  and  sol ar  spec trum ,”   In :  2009  34th  IEEE  Phot o vol ta ic  Spec ia li sts  Confe renc e  (PVSC) ,   Arizo na   State   Univer sity, US A,  7 – 12   June,   p p . 1657 – 62 ,  2009 .   [17]   Cenge l  YA ,   Bo l es  MA . ,   “ The rm odynam i cs:  an  e ngine er ing  appr oac h ,”   5th   ed.  New  York:  McGraw - Hill   Sci ence;   2005.   [18]   Noraz la n   Hashi m,   Za in al   Sa lam ,   Dal ina   Joha ri,  Nik  Fasdi  Nik  I smai l ,   “DC - DC  Boost  Convert e r   Design  for  Fast  and  Acc ur ate  M PP T  Algorit hms  in  Stand - Alon e  Photovolt aic  Sys te m ,”   Inte rnat io nal  Journal   of  P ower  Elec tr oni c s   and  Dr iv e  S ystem s (IJ PE DS) ,   V ol.   9 ,   No .   3 ,   pp .   1038 - 1050 ,   201 8.   [19]   L  Navinkumar  Rao,   Sanj ay  Ga irol a ,   Sandhya  La ve ty,   Noorul  Islam ,   “De sign  of  DC - DC  Boost  Convert er  wi t h  Nega ti v e  Fe edback   Contro l  for   C onstant   Curr ent  Opera ti on ”   In te r nati onal   Journal   of   P ower   Elec tr onic s  and   Dr iv e   Syste ms   (IJ PE D S) ,  Vol .   8 ,   No.   4 ,   pp.   1575 - 1584 ,   2017.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N: 20 88 - 8 694       Hyb ri d  te c hn i que fo r  an eff ic i ent PV  syste m  t hr ou gh intel li ge nt MPP T  and w ater  …  (H us s ain   Att ia)   1843   [20]   G.  Seshagir i  R ao,  S.  R aghu,  N.  Ra ja sek ara n ,   “De sign   of   Feedback  Con tro ll er   for   Boost  Convert er   Us in g  Optim izati o n  Techni que ,”   In te rn ati onal  Journal  of  Powe r  E lectr onic s  and  Dr iv e  Syste ms   (IJ P EDS) ,   Vol.   3 ,   No.  1 ,  pp.   117 - 128 ,   20 13.   [21]   Basem  E .   El n aghi ,   Moha med  E .   Dess ouki,  M.N.Abd - Al waha b, E lwy  E.  E lkhol y ,   “De vel opm ent  and   im plementat ion   of  two - stag e   bo ost  conv erter   fo r  singl e - phase   i nver te r   wi thout  tr ansforme r   fo r  PV   sys tems ,”   Inte rnational   Jo urnal  of El e ct ri c al  and  Comput er  Engi n ee ring   (IJ ECE ) ,   Vol. 10 ,   N o. 1 ,  pp.   660 - 669 ,   2020 .   [22]   R. Pala n isam y,   C. S.Boopa th i,  K.Sel vakumar,  K.Vij aya ku ma r ,   “Switc h ing  pu lse  gen erati on  f or  DC - DC  boost  conve rt er  using  Xili nx - ISE  with   FP GA   proc essor ,”   In t ernati ona l  Journal  of  El e ctr ic al  and  Comp ute r  Engi n ee rin g  (IJ ECE ) ,   Vol . 10 ,   No.2 ,   Apri l202 0,   pp .   1722~172 7.   [23]   S.Dai son  Stal lon ,   K.Vinot h  Kum ar,   S.Suresh  Ku ma r,   “High  Eff i ci en t  Module  of  Boost  Convert er   in  PV   Module ,”   Inte rnational   Jo urnal  of El e ct ri c al  and  Co mput er  Engi n ee ring   (IJ ECE ) ,   Vol.   2,   No.   6 ,  ,   pp .   758 - 7 81 ,   2012 .   [24]   R.   Pa la n isam y,   K.  Vij aya ku ma r ,   V .   Venka t ac h al a m,  R.   Mano   Nar aya nan ,   D.   Sara v ana ku ma r ,   K .   Sara v ana n ,   “Sim ulation   of  var ious  DC - DC  converte rs   for   photovoltaic  s ystem ,”   In te rnat ional   Journal  o f  E lectric a l  and   Computer  Engi n ee ring ( I JE C E) ,   Vol.   9 ,   No.   2 ,   pp .   917 - 925 ,   2019 .   [25]   J.  Santhosh   Red dy,   San tosh  Son ar,  “Cl osed   Loo p  Control  of   M ult ilevel  Dc - Dc   Boost  Converter ,”   Inte rnat ional   Journal  of   Engi n ee ring a nd   Ad va nce d  Te chnol og y   (IJ E AT) ,   Vol .   9 ,   No . 2 ,   pp .   4512 - 4518 ,   2019 .   [26]   V.C.   Kot ak,   Pre ti   Ty agi,  “DC  To  DC  Conver t er  in   Maxim u m   Pow er  Point  T rac ker ,”   Int ernati onal  Journal  o f  Adv anc ed  Re sea rch  in   Elec tric al ,   El e ct ronics   an d  Instrum ent ati o n  Engi n ee ring ,   Vol.   2 ,   Iss ue   12 ,   De c.  2013,   pp.   6115~6125.       BIB LIOGR A PHY  OF A UT HORS         Hus sain  Atti a  e a rne d  his  Ph.D.  d egr ee   in  Pow er  El e ct roni cs  from   the   Univer si ty  of  Mala ya ,   Kual a  Lum pur,  in   2019 .   Hus sain   serve s a s  a   rev ie wer   to   IEE E   Tr ansa c ti o ns  on  Pow er  Ele ct roni cs,   Journa l  of  Emerging   a nd  Select ed  To pic s  in   Pow er  El e ct roni cs,   I E T  Pow er  El e ct r onic s,  and  IEEE   conf ere n ce s.   Hu ss ai n’s  rese ar ch   intere sts:   Pow e r  E le c tronics  Sy stem s,   AC  &   D C  Speed   Contro l   Drive s,  PWM  I nver te rs  (singl e   phase   &  three   phase s),  Harm onic s  red uc ti on   te chn ique s,  an d   Maxim um   Pow er  Point Tra cki ng  te chn ique s.     Dr.  Khal ed   Hos sin  is   an   assistant  profe ss or  in   Me cha ni ca l   Engi ne eri ng   at  t he   Ame ric an   Unive rsity  of  Ras  Al   Kh ai m ah,  UA E.   Dr.  Hos sin  re c ei ved   a   PhD   i n  Mec h ani c al  Engi ne eri ng   fro m   Northumbri a  U nive rsity ,   UK .   He  is  a  membe r  of  ed it or ia l   b oar d  and  r evi e wer  for  nume ro us   Inte rna ti ona l   Sci ent ific   Journals   as  wel l  as  a  member   a t  seve r al   nat ion al   and  int e rna ti on al   sci ent if ic  and  profe ss ional   bodie s.   His  rese a rch   ar e a  of   int er est   incl udes  Organi c   R anki ne   Cyc le s,   Solar  The rm al  S ystem s,   Bi om ass   Ene rgy, Th erm a l   Pow er  Plant s ,   a nd  Ene rgy   Sys tems Opti miza ti on .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.