DOI: https://doi.org/10.1016/j.solener.2025.113239
تاريخ النشر: 2025-01-16
المؤلف: Mansour Alzahrani وآخرون
الموضوع الرئيسي: تقنيات تحسين أنظمة الطاقة الشمسية
نظرة عامة
تبحث هذه الورقة البحثية في تأثير تراكم الغبار على أداء وحدات الطاقة الشمسية (PV) في بيئة صحراوية، وتحديداً في مدينة جدة. شملت الدراسة تركيب سبع أزواج من وحدات الطاقة الشمسية بزاوايا ميل مختلفة (0°، 15°، 25°، 45°، 60°، 70°، و90°) ومراقبة إنتاج الطاقة الخاص بها على مدار 12 شهراً. تشير النتائج إلى أن تراكم الغبار يمكن أن يؤدي إلى انخفاضات كبيرة في إنتاج الطاقة، حيث تصل الانخفاضات إلى 80.4% للوحدات بزاوية 0° بعد 183 يوماً بدون مطر. الزاوية المثلى لزيادة إنتاج الطاقة تختلف مع مواقع الشمس الموسمية ومستويات الغبار، حيث تؤدي زاوية 25° أفضل أداء خلال الفترات الجافة، بينما تكون زاوية 45° مثالية خلال الفترات الممطرة بسبب تأثيرات التنظيف الطبيعي.
تؤكد الدراسة على أهمية اختيار زوايا الميل المناسبة للتخفيف من الآثار السلبية للغبار وتعزيز أداء تركيبات الطاقة الشمسية في الظروف الصحراوية القاسية. وتبرز أن العوامل البيئية، مثل شدة الأمطار وتراكم الغبار، تلعب دوراً حاسماً في كفاءة وحدات الطاقة الشمسية. من خلال تحديد الزوايا المثلى وفهم تأثير الظروف البيئية، توفر هذه الدراسة رؤى قيمة لتحسين كفاءة وطول عمر أنظمة الطاقة الشمسية في البيئات الصحراوية.
مقدمة
تسلط مقدمة الورقة البحثية الضوء على العلاقة الحيوية بين الإشعاع الشمسي وإنتاج الطاقة لوحدات الطاقة الشمسية (PV)، التي تحول حالياً حوالي 20% فقط من الطاقة الشمسية الساقطة إلى كهرباء. تؤكد الدراسة على أهمية زوايا الميل المثلى لوحدات الطاقة الشمسية، خاصة في المواقع الجغرافية المختلفة وأوقات السنة. حددت دراسة محددة في المملكة العربية السعودية زوايا الميل المثلى وهي 20°، 25°، و30° نحو الجنوب، والتي تتوافق مع ثلاث مناطق متميزة للطاقة الشمسية (SEZ-A، SEZ-B، وSEZ-C).
بالإضافة إلى ذلك، تتناول المقدمة الآثار الضارة للتلوث—تراكم الغبار على أسطح وحدات الطاقة الشمسية—والذي يقلل بشكل كبير من إنتاج الطاقة. تشير الأدلة من دراسات مختلفة إلى أن التلوث يمكن أن يؤدي إلى انخفاضات كبيرة في الكفاءة، حيث تم الإبلاغ عن انخفاضات تصل إلى 50% بعد ستة أشهر على وحدات مائلة بزاوية 26° في شرق المملكة العربية السعودية. تؤكد الأبحاث على ضرورة وجود استراتيجيات تنظيف فعالة للتخفيف من التلوث، مع الاعتراف بالتحديات والتكاليف المرتبطة بهذه الطرق. الهدف الرئيسي من هذه الدراسة هو تقديم بيانات شاملة حول تأثير التلوث على وحدات الطاقة الشمسية الثابتة والمائلة في البيئات الصحراوية، بهدف تحديد زوايا الميل المثلى التي تقلل من فقدان الإشعاع وتعزز من إنتاج الطاقة. تسعى هذه الدراسة إلى المساهمة في تطوير نموذج قوي لتحسين الطاقة الشمسية مصمم للظروف القاسية.
طرق البحث
في هذه الدراسة، أنشأ المؤلفون إطاراً تجريبياً للتحقيق في تأثير تراكم الغبار على أداء الألواح الشمسية متعددة البلورات. تم تركيب سبع أزواج من الألواح الشمسية بقدرة 10 واط بزاوايا ميل مختلفة (0°، 15°، 25°، 45°، 60°، 75°، و90°) على سطح كلية الهندسة بجامعة الملك عبد العزيز في جدة، المملكة العربية السعودية، وهي منطقة معروفة بتراكم الغبار الشديد بسبب مناخها الصحراوي. كل زوج يتكون من لوحة تم تنظيفها يومياً وأخرى تُركت لتراكم الغبار، مما يسمح بمقارنة مباشرة للأداء على مدار 12 شهراً.
تمت مراقبة أداء وحدات الطاقة الشمسية (PV) بشكل مستمر، مع الإبلاغ عن البيانات كل دقيقة إلى واجهة سحابية تعتمد على ThingSpeak. بالإضافة إلى ذلك، تم تنفيذ نظام لمراقبة جودة الهواء لقياس الجسيمات العالقة في الهواء (PM)، مما يسهل الربط بين أحداث الغبار والتغيرات في أداء الألواح الشمسية. تم الحصول على بيانات الطقس اليومية، بما في ذلك هطول الأمطار، وتغطية السحب، والرؤية الأفقية، من المركز الوطني للأرصاد الجوية لتوفير سياق للنتائج. يتم تفصيل المواصفات الكهربائية لوحدات الطاقة الشمسية متعددة البلورات المستخدمة في التجربة في الجدول 1.
النتائج
فحصت نتائج هذه الدراسة التجريبية تأثير زاوية الميل وتراكم الغبار على إنتاج وحدات الطاقة الشمسية (PV) تحت ظروف بيئية متغيرة، بما في ذلك الفترات الجافة والممطرة. استمرت الدراسة لمدة 365 يوماً، حيث تم تصنيف 183 يوماً على أنها جافة و182 يوماً على أنها ممطرة. تم جمع بيانات عن إنتاج الطاقة لكل من وحدات الطاقة الشمسية النظيفة والمغبرة يومياً على فترات دقيقة واحدة من 09:00 إلى 16:00 لضمان تحليل دقيق للأداء مع تقليل تأثيرات الظل من الأجسام القريبة.
ركز التحليل على زوايا الميل المختلفة، على الرغم من أنه من المهم ملاحظة أن الوحدات التي تم ضبطها بزاوية 90° واجهت مشاكل تقنية، مما أدى إلى استبعاد وحدة 90° النظيفة من التقييم العام. ستساهم النتائج من هذه الدراسة في فهم كيفية تأثير العوامل البيئية، مثل تراكم الغبار وزاوية الميل، على كفاءة أنظمة الطاقة الشمسية.
المناقشة
تسلط قسم المناقشة في الورقة البحثية الضوء على التأثيرات الكبيرة لتراكم الغبار والعوامل البيئية على أداء وحدات الطاقة الشمسية (PV) في جدة، المملكة العربية السعودية. استخدمت الدراسة مجموعتين من وحدات الطاقة الشمسية بزاوايا ميل مختلفة—واحدة تم تنظيفها بانتظام والأخرى تُركت غير نظيفة—لتقييم كيفية تأثير الغبار والأحداث البيئية، مثل الأمطار الخفيفة، وعواصف الغبار، وتغطية السحب، على إنتاج الطاقة. أشارت النتائج إلى أن تراكم الغبار أدى إلى انخفاضات كبيرة في الأداء، حيث لوحظت انخفاضات تصل إلى 80.4% بعد فترات طويلة بدون مطر، خاصة بالنسبة للوحدات بزاوية 0°. من ناحية أخرى، حسنت الأمطار الخفيفة أداء الوحدات المغبرة، خاصة تلك التي بزاوايا أكثر انحداراً، من خلال تسهيل التنظيف الطبيعي. زادت عواصف الغبار من مشاكل الأداء، مع ملاحظات بانخفاضات كبيرة في الطاقة عبر جميع زوايا الميل.
كشفت تحليل متوسط إنتاج الطاقة الشهري أن زاوية الميل 25° كانت تحقق الأداء الأعلى باستمرار عبر ظروف مختلفة، مما يوازن بشكل فعال بين تراكم الغبار والتقاط الإشعاع الشمسي. خلال موسم الأمطار، انتقلت الزاوية المثلى إلى 45°، مما عزز أداء الوحدات بسبب فعالية التنظيف الناتج عن الأمطار. خلصت الدراسة إلى أن فهم التفاعل بين زاوية الميل والعوامل البيئية أمر حاسم لتحسين كفاءة وحدات الطاقة الشمسية في المناخات الصحراوية، مما يوفر رؤى قيمة لتركيبات الألواح الشمسية المستقبلية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.solener.2025.113239
Publication Date: 2025-01-16
Author(s): Mansour Alzahrani et al.
Primary Topic: Photovoltaic System Optimization Techniques
Overview
This research paper investigates the effects of dust accumulation on the performance of photovoltaic (PV) modules in a desert environment, specifically in Jeddah City. The study involved the installation of seven pairs of PV modules at various tilt angles (0°, 15°, 25°, 45°, 60°, 70°, and 90°) and monitored their power output over a 12-month period. The findings indicate that dust accumulation can lead to significant reductions in power output, with reductions reaching up to 80.4% for modules at a 0° angle after 183 days without rain. The optimal tilt angle for maximizing power output varies with seasonal sun positions and dust levels, with a 25° angle performing best during dry periods and a 45° angle being optimal during rainy periods due to natural cleaning effects.
The study emphasizes the importance of selecting appropriate tilt angles to mitigate the adverse effects of dust and enhance the performance of PV installations in harsh desert conditions. It highlights that environmental factors, such as rain intensity and dust accumulation, play a critical role in PV module efficiency. By identifying the optimal tilt angles and understanding the impact of environmental conditions, this research provides valuable insights for improving the efficiency and longevity of solar energy systems in desert environments.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the critical relationship between solar irradiance and the energy output of photovoltaic (PV) modules, which currently convert only about 20% of incident solar energy into electricity. The study emphasizes the importance of optimal tilt angles for PV modules, particularly in varying geographical locations and times of the year. A specific investigation in Saudi Arabia identified optimal tilt angles of 20°, 25°, and 30° south, corresponding to three distinct solar energy zones (SEZ-A, SEZ-B, and SEZ-C).
Additionally, the introduction addresses the detrimental effects of soiling—accumulation of dust on PV surfaces—which significantly reduces power yield. Evidence from various studies indicates that soiling can lead to substantial decreases in efficiency, with reductions of up to 50% reported after six months on modules tilted at 26° in Eastern Saudi Arabia. The research underscores the necessity for effective cleaning strategies to mitigate soiling, while also recognizing the challenges and costs associated with these methods. The primary objective of this study is to provide comprehensive data on the impact of soiling on fixed and tilted PV modules in desert environments, aiming to identify optimal tilt angles that minimize irradiance loss and enhance power generation. This work seeks to contribute to the development of a robust solar energy optimization model tailored for harsh conditions.
Methods
In this study, the authors set up an experimental framework to investigate the impact of dust accumulation on the performance of polycrystalline solar panels. Seven pairs of 10 W solar panels were installed at various tilt angles (0°, 15°, 25°, 45°, 60°, 75°, and 90°) on the roof of the Faculty of Engineering at King Abdulaziz University in Jeddah, Saudi Arabia, a region known for severe dust accumulation due to its desert climate. Each pair consisted of one panel that was cleaned daily and another that was left to accumulate dust, allowing for a direct comparison of performance over a 12-month period.
The performance of the photovoltaic (PV) modules was monitored continuously, with data reported every minute to a ThingSpeak cloud-based interface. Additionally, an air quality monitoring system was implemented to measure airborne particulate matter (PM), facilitating the correlation between dust events and variations in solar panel performance. Daily weather data, including rainfall, cloud cover, and horizontal visibility, were sourced from the National Center for Meteorology to provide context for the findings. The electrical specifications of the polycrystalline silicon PV modules used in the experiment are detailed in Table 1.
Results
The results of this experimental study examined the impact of tilt angle and dust accumulation on the output of photovoltaic (PV) modules under varying environmental conditions, including dry and rainy periods. The study spanned 365 days, with 183 days classified as dry and 182 days as rainy. Data on the output power of both clean and dusty PV modules were collected daily at one-minute intervals from 09:00 to 16:00 to ensure accurate performance analysis while minimizing shading effects from nearby objects.
The analysis focused on different tilt angles, although it is important to note that the modules set at a 90° angle encountered technical issues, resulting in the exclusion of the clean 90° module from the overall assessment. The findings from this study will contribute to understanding how environmental factors, such as dust accumulation and tilt angle, influence the efficiency of PV systems.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the significant effects of dust accumulation and environmental factors on the performance of photovoltaic (PV) modules in Jeddah, Saudi Arabia. The study utilized two sets of PV modules with varying tilt angles—one regularly cleaned and the other left uncleaned—to assess how dust and environmental events, such as light rain, dust storms, and cloud cover, influenced power output. Results indicated that dust accumulation led to substantial performance declines, with reductions of up to 80.4% observed after prolonged periods without rain, particularly for modules at a 0° angle. Conversely, light rain improved the performance of dusty modules, especially those at steeper angles, by facilitating natural cleaning. Dust storms exacerbated performance issues, with significant power reductions noted across all tilt angles.
The analysis of monthly average output power revealed that the 25° tilt angle consistently yielded the highest performance across various conditions, effectively balancing dust accumulation and solar irradiance capture. During the rainy season, the optimal angle shifted to 45°, which enhanced module performance due to effective rain-induced cleaning. The study concluded that understanding the interplay between tilt angle and environmental factors is crucial for optimizing PV module efficiency in desert climates, providing valuable insights for future solar panel installations.