Fundamental Studies of Dust Fouling and Mitigation Approaches for PV Modules. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Husam's_Thesis_Report.pdf Download (4MB) | Preview

Arabic Abstract

تعد المملكة االعربية السعودية الدولة الاكثر استهلاكا للطاقة الكهربائية مقارنة بالدول المجاورة لها في الشرق الأوسط , حيث يقدر معدل النمو في المملكة بحوالي 01 % سنويا. في الوقت ذاته تقع المملكة ضمن الحزام الشمسي للكرة الأرضية و هذا بدوره يكسبها غناً في مصادر الطاقة المتجددة و بالأخص الطاقة الشمسية منها. و من أجل الاستفادة من الطاقة الشمسية أعلنت عدد من الخطط المتضمنة على بناء أنظمة توليد طاقة كهربائية من الطاقة الشمسية. تعد أنظمة الوحدات الفولتوضوئية من الأنظمة الأمثل للتحويل المباشر للطاقة الشمسية؛ ولهذا وضعت مدينة الملك عبد لله للطاقة المتجددة و الذرية خطةً لبناء ما يقارب 0,1 جيجا وات خلال الأربع سنوات القادمة مستخدمةً الوحدات الفولتوضوئية. أيضا تم بناء ما يتجاوز 01 ميجاوات من أنظمة الوحدات الفولتوضوئية في مناطق مختلفة حول المملكة مثل أرامكو, الخفجي, جازان و جامعة الملك عبد لله للعلوم و التكنولوجيا في جدة. لكن التحدي الصعب ألان هو التغلب على الظروف الجوية كالحراره العالية و الرطوبة إضافةً إلى العواصف الرملية و التي من شأنها التأثير سلباً على أداء أنظمة الوحدات الفولتوضوئية من خلال تراكم طبقات الغبار على أسطح الوحدات. حيث قدرت بعض الدراسات أنه قد يصل مقدار التناقص في الطاقة المنتجة من الوحده الفولتوضوئية إلى ما يقارب 01 % بعد ستة أشهر من التعريض للجو الخارجي؛ لهذا أتت هذه الرسالة لتضع عدد من الدراسات الأساسية لفهم و تقييم مشكلة تراكم الغبار من خلال البحث في الطبيعة الفيزيائية و الكيميائية لحبات الغبار المتراكم، فهم الطبيعة الفيزيائية لقوى التلاصق بين حبات الغبار و أسطح الوحدات الضوئية، و الذي من شأنه يقود لوضع الخصائص المرجوة لبناء أسطح ذات طبيعة طاردة للغبار و المياه في انٍ واحدٍ فضلاً عن قدرتها على تحمل الظروف الجوية الصعبة للجو الصحراوي. في هذا العمل تم تعريض عدد من الوحدات الفولتوضوئية للجو الخارجي من أجل تقييم مقدار التناقص في أدائها نتيجة تراكم الغبار. النتائج أظهرت خسارة بقدر 00 % من الطاقة المنتجة من الوحدة بعد 0 أسابيع من التعريض للجو الخارجي. أيضا في هذه الرسالة تبين أن أقطار ذرات الغبار تتراوح بين 1.0 و 071 ميكرون و أنها ذات أشكال غير منتظمة xx لكنها تميل إلى الشكل الدائري إضافة إلى كون الأوكسجين و الكالسيوم و السيليكون شكلوا النسب الأكبر في التركيب الكيميائي للغبار. أيضا في هذه الرسالة تم بناء أسطح هيدروفوبكية مختلفة من شرائح السليكون قادره على طرد الغبار و تقليل تراكمها مع الأخذ بعين الاعتبار المحافظة على نفاذية ضوئية عالية للسطح. يتميز السطح بقدرته على طرد المياه بطريقة تحاكي قدرة أوراق اللوتس على ذلك. و للتأكد من قدرة السطح على تقليل تراكم الغبار، تمت دراسة قوى التلاصق بين حبات الغبار و السطوح المطوره . النتائج أظهرت أن القوى التلاصق بين حبات الغبار و السطح المطور تقلصت إلى أكثر من 01 % من قيمتها الأصلية على الأسطح العادية معتمدة في ذلك على تضاريس السطح. أيضا تم في هذا الرسالة دراسة طبيعة تلاصق حبات الغبار على الأسطح الزيتية . حيث حافظت هذه السطوح على قوى تلاصق أقل منها على السطوح المستوية الجافه. و لكنها تميزت بقدره هائلة على تقليل الاحتكاك بين حبات الغبار و السطح. أيضا تضمنت هذه الرسالة على دراسة أثر الرطوبة و تكاثف بخار الماء على قوى التلاصق بين حبات الغبار و السطح. النتائج أظهرت قفزة في مقدار قوى التلاصق في حالة الأسطح الجافة المستوية منها و المفبركة. أما في حالة الأسطح الزيتية، فلم يظهر أي أثر للرطوبة على قوى التلاصق.

English Abstract

The Kingdom of Saudi Arabia (KSA) is rich in resources and is a rapidly developing country. Its need for electrical power is growing at an annual average rate of 10%. KSA falls within solar belt, which avail a large opportunity and great potential for utilizing solar energy to meet some of the growing electrical energy demand. Realizing this fact, the KSA have established King Abdullah City for Atomic and Renewable Energy (KA-CARE). KA-CARE has announced an ambitious plan for solar energy utilization during the coming 15 years. The plan includes installation of 1.4 GW worth of PV system during the coming 4 years. Also more than 20MW of PV system have already been installed and in operation. One of the major challenges for effective utilization of solar energy systems in the Gulf region and hence KSA is the dust fouling on the surface of PV modules glass cover. Therefore; this study focuses on understanding the nature of dust fouling effects on PV modules performance and potential mitigation techniques. A number of PV modules were tested at outdoor conditions inside KFUPM campus. The average PV module power reduction due to dust accumulation was about 20% after 5 weeks of exposure without cleaning. It is observed that anti-reflective glass enhances the power output of modules, at the same time it relatively reduces the amount of dust accumulation. The accumulated dust particles have irregular and various forms but in general tend to be spherical in shape. Analysis of the chemical composition of xviii accumulated dust samples indicated that oxygen is the highest concentration followed by calcium, and silicon elements. Calcite and quartz compounds occupied more than 50% of the dust particles. Most of particles have a diameter less 2μm with presence of few large particles (≥10μm). In an attempt to look into potential mitigating techniques; dry and wet hydrophobic surfaces were synthesized. Since surface adhesion properties play the big role in the amount of dust accumulation; silica particle adhesion and friction properties were measured on both dry and wet hydrophobic surfaces using colloidal probe technology. Systematic silica particle-adhesion measurements indicated that the vertical particle-adhesion force strength either on wet or dry hydrophobic surfaces is dependent on texture and decreases with increasing spaces between the texture posts. Also, measured results indicated that silica particle vertical adhesion strength on lubricant impregnated textured silicon surfaces is larger than those on dry textured surfaces. Qualitative friction measurements indicated that LIS showed lower friction properties compared to dry surfaces. At high humidity level dry hydrophobic surfaces showed a drastic increase in the vertical adhesion. On the contrary, it was found out that humidity or vapor condensation doesn’t affect the adhesion properties of LIS.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Said, Syed
Committee Members:	Al-Aqeeli, Nasser and Toumi, Kamal
Depositing User:	WALIWIL HU MOHAMMED WAHID (g201104030)
Date Deposited:	10 Feb 2014 12:02
Last Modified:	01 Nov 2019 15:41
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139102