Soiling in solar energy conversion technologies: assessment and mitigation

Abstract

Soiling, the process of particle deposition onto surfaces, has been studied since the 40’s. Initially, it was studied as a physical process, including types of adhesion forces, and later its effect on performance of solar energy conversion technologies was analyzed, such as in photovoltaics and concentrated solar power. This thesis approaches the problem from a cause-effect point of view and how it can be mitigated. Soiling is characterized, mineral and chemically, using a Scanning Electron Microscope. Polycristalline photovoltaic modules deposition rates are retrieved and related to environmental parameters, as well as, to long-range Saharan desert dust transport, a non-local phenomenon. Attention is also given to Spring, where atmospheric pollen concentration enhances soiling. The effect of soiling on the photovoltaic optimum tilt angle, for fixed and multiple angles, is studied along with a simple economic analysis. Cleaning schedules, for a desired system efficiency, are calculated based on annual soiling. Mirror soiling, related to concentrated solar power technologies, is also analyzed. Soiling rates are calculated and interlinked with environmental parameters such as air temperature, relative humidity, particulate mater concentration and vertical wind speed. From a collaboration with the Institut de Recherche en Energie Solaire et Energies Nouvelles, Morocco, an insightful study is made comparing soiling effect between Portugal and Morocco. A passive cleaning method, impregnated anti-soiling coating, is tested. Comparison between coated and uncoated mirrors is done to evaluate its performance and conclude if it stands as a possible tool to reduce water consumption in cleaning solar harvesting technologies; Resumo: Sujidade em Tecnologias de Conversão de Energia Solar: Avaliação e Mitigação A sujidade, o processo de deposição de partículas em superfícies, tem sido estudada desde os anos 40. Inicialmente, começou a ser estudada como um processo fisico, incluindo tipos de forças de adesão, e mais tarde o seu efeito no desempenho de tecnologias de conversão de energia solar, como na tecnologia fotovoltaica e e de concentração. Esta tese aborda este problema de um ponto de vista causa-efeito e como pode ser mitigado. A sujidade é caracterizada, mineral e químicamente, usando um Microscópio Eletrónico de Varrimento. As taxas de deposição em módulos fotovoltaicos policristalinos são calculadas e relacionadas com parametros ambientais, tal como com o transporte de longo alcance de areia do deserto do Sahara, um fenómeno não local. Também é dada atenção à Primavera, onde a concentração de pólen na atmosfera aumenta a sujidade. O efeito da sujidade no ângulo de inclinação fotovoltaico óptimo, para ângulos fixos e múltiplos, é estudado juntamente com analises económicas. Calendários de limpeza, para uma eficiência de sistema desejada, são calculados com base em dados anuais de deposição de particulas. A sujidade em espelhos, relacionada com as tecnologias de energia solar concentrada, é também analisada. As taxas de deposição são calculadas e relacionadas com parâmetros ambientais, tais como temperatura do ar, humidade relativa, concentração de particulas e velocidade vertical do vento. A partir de uma colaboração com o Institut de Recherche en Energie Solaire et Energies Nouvelles, Marrocos, fez-se um estudo esclarecedor, comparando o efeito da sujidade entre Portugal e Marrocos. Um método passivo de limpeza, revestimentos impregnados anti-sujidade, é testado. A comparação entre espelhos revestidos e não revestidos é realizada para avaliar o seu desempenho e concluir se é um método importante para alcançar uma redução no consumo de água na limpeza de tecnologias de energia solar.