Date of Award

6-2019

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Electrical Engineering (MEE)

Department

Electrical Engineering

First Advisor

Dr. Mohammad Shakeel Laghari

Second Advisor

Dr. Addy Wahyudie

Third Advisor

Tapas K. Mallick

Abstract

Dust accumulation on the photovoltaic (PV) surface decreases the solar radiation penetration to the PV cells and eventually the power production from the PV system. In order to prevent the dust-based power losses, the PV systems are required to be cleaned frequently depending upon different geographical locations, PV integration schemes, and the scale of the PV power plant. In large-scale power plants, the PVs are periodically cleaned traditionally by water sprinkling that requires sophisticated equipment mobile equipment that at the best involves robotics and hence calls for substantial capital investment as well as water consumption. Since most of the largescale PV plants are located away from the urban centers, water transportation required for PV cleaning incurs tremendous overheads thus increasing the electricity production cost. The desert environment that houses utility-scale PV plants in UAE poses a three folds challenge to keep the plant cleaned namely

1. The increased dust accumulation on the PV surface due to sandstorms that requires more frequent cleaning.

2. The lack of water supply infrastructure in the non-populated spaces.

3. The water scarcity that eventually renders water being the most precious resource.

The current project attempts to overcome the grave problem facing PV plant in the desert by proposing an onsite water production employing a PV customized atmospheric water generation (AWG) system. The research involved at first determining the optimal frequency of cleaning within the UAE indicating a minimum of 13 % power loss in UAE within non-sandstorm conditions. The radiation loss due to dust accumulation was calculated by a measured difference in the incident and transmitted radiation through a transparent glass surface. The radiation loss reached up to 27 % within three months during non-sandstorm winter clean sky conditions that represent yet the best-case scenario. The findings enabled designing the optimal capacity of the AWG system.

At a second phase, the AWG designed incorporating diurnal dew point drop, adiabatic air expansion in porous media, radioactive cooling over a sky exposed surface, and Peltier cooling in sequential order to achieve an autonomous AWG system. The proposed AWG was constructed and tested with an average water production of 110 ml per night (2-3 hours) having average night-time humidity of 66 % with average electricity consumption of 1.17 kWh/day. The water produced over seven-night reached an average value of almost 1 liter that was sprinkled over the panel and wiped of that achieved completely cleaned PV surface.

Comments

يعمل تراكم الغبار على أسطح الخلايا الضوئية على تقليل تغلغل الإشعاع الشمسي إلى الخلية الكهروضوئية؛ والذي بدوره يقلل من كفاءة هذه الأنظمة، ويقلل من طاقتها المنتجة. ومحاولة لتقليل كمية الطاقة المفقودة نتيجة للغبار المترسب على أسطح هذه الخلايا الضوئية، يجب ضمان نظافة هذه الأنظمة عن طريق التنظيف المتكرر والدوري؛ وفقًا لمواقعها الجغرافية، ونظام الطاقة الكهروضوئية المستخدم، ومساحة محطة توليد الطاقة الكهروضوئية. ذلك ويتم تنظيف الأجهزة الكهروضوئية في محطات الطاقة الكبيرة بشكل دوري بطرق تقليدية، عن طريق رش المياه باستخدام معدات خارجية متنقلة، تشمل الروبوتات. وبالتالي تتطلب عمليات التنظيف هذه استثمارات رأسمالية كبيرة، وكذلك استهلاكًا كبيرًا للمياه. كما أن معظم محطات الطاقة الكهروضوئية الواسعة النطاق تقع بعيدًا عن المراكز الحضرية، مما يتطلب نقلًا مائيًا لكمية كبيرة من الماء لتنظيف الخلايا الكهروضوئية. تستلزم عمليات النقل المائي، وكمية المياة المستخدمة اللازمين للتنظيف الكهروضوئي لهذه المحطات نفقات هائلة تزيد من تكلفة إنتاج الكهرباء. كما أنّه يتم تثبيت معظم محطات توليد الطاقة الكهروضوئية على نطاق صحراوي واسع، وتشكل البيئة الصحراوية التي تضم هذه الخلايا الكهروضوئية على نطاق المرافق في الإمارات العربية المتحدة تحديًا يتمثل في التالي:

1 - زيادة تراكم الغبار على أسطح الخلايا الضوئية؛ بسبب العواصف الرملية والذي بدوره يتطلب تنظيف أكثر تواترًا.

2 - نقص البنية التحتية لإمدادات المياه في الأماكن غير المأهولة بالسكان.

3 - ندرة المياه التي تجعل المياه في نهاية المطاف هي أثمن الموارد.

يهدف هذا البحث لإيجاد طريقة للتغلب على هذا القيد من خلال آلية بديلة لإنتاج المياه في موقع تثبيت الخلايا الضوئية بتطبيق نظام مخصص لتوليد المياه من الغلاف الجوي. وبتحديد التكرار الأمثل للتنظيف في دولة الإمارات العربية المتحدة، أشارت النتائج إلى فقدان الطاقة بنسبة

13 % كحد أدنى في ظل ظروف غير عاصفة رملية. كما بلغت نسبة فقدان الإشعاع الناتجة عن تراكم الغبار عن طريق حساب الفرق بين الإشعاع المنتج والإشعاع المنقول عبر سطح زجاجي شفاف. بلغ فقدان الإشعاع ما يصل إلى 22 ٪ في غضون ثلاثة أشهر خلال ظروف السماء النظيفة الشتوية غير العاصفة، التي تمثل حتى الآن السيناريو الأفضل. وحيث أن النتائج السابقة مكنت تصميم السعة المثلى لنظام AWG .

و في المرحلة الثانية، فإن تجسيد نظام توليد المياه في الغلاف الجوي سوف يستغل انخفاض نقطة الندى النهارية ، وتمدد الهواء الساكن في الوسط المسامي، والتبريد الإشعاعي على الأسطح المكشوف باتجاه السماء، وبلتيير برودة بترتيب متسلسل لتحسين نظام التنظيف لكهروضوئي الذي يعتمد على نفسه. تم إنشاء واختبار AWG المقترح بمتوسط إنتاج للمياه يبلغ 110 مل في الليلة ( 3-2 ساعات ) مع متوسط رطوبة في الليل بنسبة 66 ٪ مع متوسط استهلاك للكهرباء يبلغ 1.12 كيلو واط في الساعة. بلغت قيمة المياه المنتجة على مدار سبع ليال متوسط 1 لتر تقريبًا تم رشها على اللوحة ومسحها مما أدى إلى تنظيف سطح الخلية الضوئية بالكامل.

Download

Included in

Engineering Commons

Share

COinS