Modeling and Analysis of Environmental Effects on Photovoltaic Cell Characteristics Using MATLAB

Nesrin A. Alshatwi

doi:10.37375/susj.v16i1.4153

المؤلفون

نسرين عبدالجليل الشتوي قسم الفيزياء، كلية العلوم، جامعة سرت، سرت، ليبيا

DOI:

https://doi.org/10.37375/susj.v16i1.4153

الكلمات المفتاحية:

الخلايا الكهروضوئية، الإشعاع الشمسي، درجة الحرارة، عكارة الغلاف الجوي، برنامج MATLAB

الملخص

تتناول هذه الدراسة أداء وحدة الخلايا الكهروضوئية في ظل ظروف بيئية مختلفة، مع التركيز على التأثيرات المشتركة للإشعاع الشمسي، وتغيرات درجة الحرارة، وعكارة الغلاف الجوي على الخصائص الكهربائية وقدرة خرج النظام الكهروضوئي. أُجريت محاكاة عددية للحصول على خصائص التيار-الجهد (I-V) والقدرة-الجهد (P-V) ضمن نطاق درجة حرارة من 0°C إلى 75°C ، ومستويات إشعاع شمسي تتراوح من 400 W/m² إلى 1000 W/m². علاوة على ذلك، أُدرجت عكارة الغلاف الجوي في النموذج لتقييم تأثيرها في تخفيف الإشعاع الطيفي الساقط على وحدة الخلايا الكهروضوئية. تشير النتائج إلى أنه في ظل ظروف الاختبار القياسية (25°C ، 1000 W/m²)، تحقق وحدة الخلايا الكهروضوئية أقصى قدرة خرج (Pmax) تبلغ حوالي 105 W. وتؤدي زيادة الإشعاع الشمسي من 400 W/m² إلى 1000 W/m² إلى تحسين ملحوظ في تيار الدائرة القصيرة وأقصى قدرة خرج، بينما لا يُظهر جهد الدائرة المفتوحة سوى تغير طفيف. في المقابل، تؤدي زيادة درجة حرارة التشغيل من 0°C إلى 75°C إلى تدهور ملحوظ في الأداء، مما يقلل Pmax إلى حوالي 80W نتيجة لانخفاض جهد الخرج. علاوة على ذلك، وُجد أن عكارة الغلاف الجوي تؤثر سلبًا على أداء الخلايا الكهروضوئية من خلال إضعاف الإشعاع الشمسي الساقط، مما يؤدي إلى انخفاض في أقصى قدرة خرج في ظل ظروف إشعاع متطابقة. بشكل عام، تؤكد النتائج التي تم الحصول عليها أن درجة الحرارة تؤثر بشكل رئيسي على خصائص جهد وحدة الخلايا الكهروضوئية، في حين أن عكارة الغلاف الجوي تقلل بشكل كبير من التيار المتولد نتيجة التوهين للإشعاع الشمسي. توفر هذه النتائج إرشادات مفيدة لتحسين ونشر أنظمة الخلايا الكهروضوئية بشكل موثوق في البيئات المتربة والغنية بالهباء الجوي.

المراجع

Duffie, J.A. and W.A. Beckman, Solar engineering of thermal processes. 2013: John Wiley & Sons.

Stevanović, S., S. Stevanović, and R. Živković, Advantages and disadvantages of solar energy production and use. 2022.

Rhodes, C.J., Solar energy: principles and possibilities. Science progress, 2010. 93(1): p. 37-112.

Hayat, M.B., et al., Solar energy—A look into power generation, challenges, and a solar‐powered future. International journal of energy research, 2019. 43(3): p. 1049-1067.

Lazaroiu, A., et al., A Comprehensive Overview of Photovoltaic Technologies and Their Efficiency for Climate Neutrality. Sustainability 2023, 15, 16297. 2023.

Muhammad, F.F., et al., Simple and efficient estimation of photovoltaic cells and modules parameters using approximation and correction technique. PLoS One, 2019. 14(5): p. e0216201.

Parida, B., S. Iniyan, and R. Goic, A review of solar photovoltaic technologies. Renewable and sustainable energy reviews, 2011. 15(3): p. 1625-1636.

Kenu, E., A review of solar photovoltaic technologies. International Journal of Engineering Research & Technology, 2020. 9.

Dambhare, M.V., B. Butey, and S. Moharil. Solar photovoltaic technology: A review of different types of solar cells and its future trends. in Journal of Physics: Conference Series. 2021. IOP Publishing.

Zaccagnini, F., et al., Photovoltaic Cells Using Broadband Plasmon‐Sensitized Nanostructures. Small, 2025. 21(51): p. e09735.

Tu, Y., et al., Perovskite solar cells for space applications: progress and challenges. Advanced Materials, 2021. 33(21): p. 2006545.

Adeeb, J., A. Farhan, and A. Al-Salaymeh, Temperature effect on performance of different solar cell technologies. Journal of Ecological Engineering, 2019. 20(5).

Dinçer, F. and M.E. Meral, Critical factors that affecting efficiency of solar cells. smart grid and renewable energy, 2010. 1(1): p. 47.

Vidyanandan, K., An overview of factors affecting the performance of solar PV systems. Energy Scan, 2017. 27(28): p. 216.

Sepulveda-Oviedo, E.H., Impact of environmental factors on photovoltaic system performance degradation. Energy Strategy Reviews, 2025. 59: p. 101682.

Al-Bashir, A., et al., Analysis of effects of solar irradiance, cell temperature and wind speed on photovoltaic systems performance. International journal of energy economics and policy, 2020. 10(1): p. 353-359.

Guechi, A., M. Chegaar, and M. Aillerie, Environmental effects on the performance of nanocrystalline silicon solar cells. Energy Procedia, 2012. 18: p. 1611-1623.

Charalampous, G., et al., Characterization of Dust Aerosol Source Types and Associated Shortwave Direct Radiative Effects Over Cyprus: A Seven-Year Study. EGUsphere, 2026. 2026: p. 1-46.

Hysa, A., M.M. Mahmoud, and A. Ewais, An investigation of the output characteristics of photovoltaic cells using iterative techniques and MATLAB® 2024a software. Control Systems and Optimization Letters, 2025. 3(1): p. 46-52.

Yaqoob, S.J., et al., Comparative study with practical validation of photovoltaic monocrystalline module for single and double diode models. Scientific reports, 2021. 11(1): p. 19153.

Koffi, A.H., et al., A step by step analytical solution to the single diode model of a solar cell. NUST Journal of Engineering Sciences, 2022. 15(2): p. 60-64.

Abdulrazzaq, A.K., G. Bognár, and B. Plesz, Enhanced single-diode model parameter extraction method for photovoltaic cells and modules based on integrating genetic algorithm, particle swarm optimization, and comparative objective functions. Journal of Computational Electronics, 2025. 24(2): p. 44.

Vujoševi, S. and K. Baki, Enhanced Single-Diode Solar Cell Model: Analytical Solutions Using Lambert W Function and Circuit Innovations. IEEE Journal of the Electron Devices Society, 2025.

Hysa, A., Modeling and simulation of the photovoltaic cells for different values of physical and environmental parameters. Emerging Science Journal, 2019. 3(6): p. 395-406.

Kumar, R. and S. Singh, Solar photovoltaic modeling and simulation: As a renewable energy solution. Energy Reports, 2018. 4: p. 701-712.

Nguyen, X.H. and M.P. Nguyen, Mathematical modeling of photovoltaic cell/module/arrays with tags in Matlab/Simulink. Environmental systems research, 2015. 4(1): p. 24.

Gad, N., M. Lotfy Rabeh, and A. Yahia, Effects of Solar Irradiance and Temperature on Photovoltaic Module Characteristics using a capacitive load method. Menoufia Journal of Electronic Engineering Research, 2023. 32(1): p. 24-30.