INFLUENCE OF DUST ACCUMULATION ON THE PERFORMANCE OF SOLAR ENERGY HARVESTING DEVICES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Ahmad Bilal Ahmadullah.pdf Restricted to Repository staff only until 14 August 2025. Download (10MB)

Arabic Abstract

تمثل الطاقة الشمسية دورًا حيويًا في عملية التحول العالمي نحو مصادر الطاقة النظيفة. مجمعات الطاقة الشمسية هي إحدى التقنيات المستخدمة على نطاق واسع والتي تلتقط الإشعاع الشمسي وتحوله إلى طاقة حرارية مفيدة. مقارنة بتأثير تراكم الأتربة على أداء الوحدات الكهروضوئية (PV)، مازال تأثير تراكم الأتربة على أداء مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية (المسطحة والمركزة) يحظى باهتمام محدود. تنخفض كفاءة المجمعات الشمسية بسبب تراكم الأتربة على أسطحها في المناطق الصحراوية القاحلة مثل المملكة العربية السعودية. تهدف هذه الدراسة إلى دراسة تأثير تراكم الغبار إقتصادياً وتقنياً على المجمعات الشمسية لتسخين المياة مثل: المجمعات الشمسية المسطحة (FPC) ، ومجمعات الطاقة الشمسية المركزة مثل: مجمعات فريسنل الخطية (LF)ومجمعات الأحواض المقوسة (PTC) مع الأخذ في الإعتبار كثافات مختلفة من تراكم الغبار والتي تحاكي حالة التغيرات المناخية الفعلية في المملكة العربية السعودية. تم العمل على تطوير معادلات رياضية لمحاكاة عمل هذه الأنظمة الشمسية لكل ساعة خلال أيام السنة باستخدام برنامج MATLAB، ومن ثم تم تحديد الأحجام المثلى لكل مكونات النظام الشمسي مع تقليل تكاليف الإنتاج. كحالة مرجعية لكل تكنولوجيا تحت الدراسة من أنظمة الطاقة الشمسية، تم تحديد أحجام مكونات النظام الشمسي في حالة الأسطح النظيفة ثم تم تكرار عملية تحديد مكونات النظام الشمسي للأسطح المغبرة باستخدام كثافات مختلفة للأتربة. بالنسبة للأسطح النظيفة، وُجد أن الحجم الأمثل للمجمع الشمسي يتكون من خزان بسعة 1 متر مكعب و لوح شمسي بمساحة 9 متر مربع مع تكلفة 0.128 دولار لكل كيلواط ساعة. لتسخين نفس كمية المياة المطلوبة في حالة تراكم الأتربة، وُجد أن حجم الخزان الحراري ارتفع إلى 1.1، 1.3، و1.4 متر مكعب في حالة تراكم الغباربكثافة 0.7، 1.4،و 2.1 ملي جرام لكل سنتيمتر مربع، على التوالي. في هذه الحالة فإن المجمعات ذات الأسطح المستوية زادت مساحتها إلى 11، 13، و 19 متر مربع مع ارتفاع التكلفة إلى 15، 34، و 71 بالمائة في حالة تراكم الأتربة ب 0.7، 1.4، و 2.1 ملي جرام لكل سنتيمتر مربع على التوالي. بالنسبة لما يتعلق بمجمعات الطاقة الشمسية المركزة في حالة الأسطح النظيفة فإن عدد السنين المطلوبة لاستعادة تكاليف الاستثمار تصل إلى 11.84 سنة بينما تكون في حالة تراكم الأغبرة إلى 2.1 ملي جرام لكل سنتيمتر على أسطح المجمعات قد يصل إلى 20.26 سنة. وأوضحت النتائج أن مجمعات الطاقة الشمسية المركزة مثل محطة فريسنل الخطية (LF) و المجمعات ذات الأحواض المقوسة (PTC) قد ارتفع حجم وتكلفة الطاقة لها بسبب تراكم الأغبرة على أسطحها. أما فيما يتعلق بالأسطح النظيفة للمجمعات فإن محطة فريسنل الخطية (LF) كانت قد حققت أقل تكلفة بـ 0.211 دولار لكل كيلو واط في الساعة بمضاعفات شمسية تقدر ب تقدر بـ 13 و 59 ساعة تخزين حمل حرارية بينما المجمعات ذات الأحواض المقوسة (PTC) حققت أقل تكلفة عند 0.221 دولار لكل كيلو واط في الساعة بمضاعفات شمسية تقدر ب تقدر بـ 12 و 40 ساعة تخزين حمل حرارية. في حالات تأثير الأغبرة على مجمعات الطاقة الشمسية فيتطلب ذلك الزيادة في المضاعفات الشمسية و وعدد ساعات التخزين الحرارية للمجمعات للمحافظة على إنتاج الطاقة النظيفة من المجمعات والذي يسبب ارتفاع في تكاليف الطاقة. في حالة تراكم الأغبرة بمقدار 2 ملي جرام لكل سنتمتر مربع على محطة فريسنل الخطية (LF) فإن ذلك يتطلب مضاعفات شمسية بمقدار 54 و عدد ساعات تخزين حمل حرارية 129 بتكلفة تصل إلى 0.713 دولار لكل كيلو واط في الساعة مقارنة بالمجمعات ذات الأحواض المقوسة (PTC) والذي يصل إلى مضاعفات شمسية بمقدار 16 و عدد ساعات تخزين حمل حرارية إلى 51 بتكلفة تصل إلى 0.285 دولار لكل كيلو واط في الساعة. ارتفاع مستوى تراكم الإبرة من 0 إلى 2 ملي جرام لكل سنتمتر مربع في محطة فريسنل الخطية (LF) يمثل ارتفاع بنسبة 237.91% في تكلفة انتاج الطاقة و315.38% في حالة المضاعفات الشمسية و118.64% في عدد ساعات الحمل الحرارية. بينما في حالة المجمعات ذات الأحواض المقوسة (PTC) فإن الزيادة كانت على النحو التالي: بنسبة 28.96% في تكلفة انتاج الطاقة بنسبة 27.50% في حالة المضاعفات الشمسية وبنسبة 33.33% في عدد ساعات الحمل الحرارية. تشيرهذه النتائج إلى أنه في حالات اختلاف مستويات تراكم الأغبرة فإن المجمعات ذات الأحواض المقوسة (PTC) قد تكون أفضل فعالية من حيث التكلفة مقارنة بمحطة فريسنل الخطية (LF).

English Abstract

Solar energy plays a vital role in the worldwide transition toward cleaner energy sources. Solar collectors are one of the extensively used solar technologies that capture sunlight and transform it into useful thermal energy. In comparison with its impact on the performance of PV modules, the influence of dust accumulation on the performance of solar flat and concentrated collectors has received limited attention. In arid desert regions such as Saudi Arabia, the efficiency of solar collectors is significantly reduced due to dust accumulation on the active surfaces. This study aims to assess the impacts of dust accumulation on the performance and economics of a flat plate solar water heating system (SWH), linear Fresnel (LF), and parabolic trough (PTC) solar power plants with and without the presence of different dust accumulation densities on the active surface, mimicking the local weather conditions of the Kingdom of Saudi Arabia. Mathematical models and MATLAB code are developed and used in hourly-based simulations to optimize each system component’s sizes while minimizing the cost of production. As a reference case for each solar technology, system component sizes are optimized considering clean active surfaces. Then, the optimization process is repeated for the dusty surfaces with different dust accumulation densities. For the scenario of a clean active surface, the optimal sizes for SWHS components are a 1 m3 storage tank volume and 9 m2 flat plate collector area, with a Cost of Energy (COE) of 0.128 $/kWh. To fulfill the identical hot water demand with the presence of dust, the storage tank capacity and collector area increased to 1.1 m3 and 11 m2 for a dust accumulation of 0.7 mg/cm2, 1.3 m3 and 13 m2 for 4 mg/cm2, and 1.4 m3 and 19 m2 for 2.1 mg/cm2, respectively. Similarly, COE has increased by 15, 34, and 71% with the presence of 0.7, 1.4, and 2.1 mg/cm2 dust accumulation, respectively. Furthermore, the payback period of the system with the clean active surface is 11.84 years, whereas it escalated to 20.26 years as the dust accumulation increased to 2.1 mg/cm2. Regarding LF and PTC solar power plants, the results show that the size and LCOE of LF and PTC plants increase as dust accumulates. For clean surfaces, the minimum LCOE of LF is achieved at 0.211 $/kWh with the optimal configuration of 13 solar multiples (SM) and 59 thermal energy storage (TES) load hours, while for PTC it is 0.221 $/kWh with 12 SM and 40 TES load hours. However, in dusty conditions, it necessitates higher SM and TES load hours to maintain renewable energy output, leading to increased LCOE. At a dust accumulation density of 2 mg/cm², the LF plant requires an SM of 54 and 129 TES load hours, with an LCOE of 0.713 $/kWh, compared to the PTC plant's SM of 16, 51 TES load hours, and 0.285 $/kWh. The LF plant sees a dramatic increase in LCOE by 237.91%, TES load hours by 118.64%, and SM by 315.38% as dust density rises from 0 to 2 mg/cm², while the PTC plant shows a more moderate increase in LCOE by 28.96%, TES load hours by 27.50%, and SM by 33.33%. These findings suggest that, under varying dust accumulation conditions, the PTC plant may be more cost-effective compared to the LF plant.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Al-Sharafi, Abdullah
Committee Members:	Al-Qahtani, Hussain and Abubakar, Abba Abdulhamid
Depositing User:	AHMAD AHMAD ULLAH (g202114430)
Date Deposited:	15 Aug 2024 06:06
Last Modified:	15 Aug 2024 06:06
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143041