شماره ركورد
33910
پديد آورنده
اميرمحمد مرزبندكاسب
عنوان
مدلسازي اثر بارش باران بر عملكرد پنل هاي فتوولتائيك
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي سيستم هاي انرژي(تكنولوژي انرژي)
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/06/29
استاد راهنما
سيدمجتبي ميرحسيني
استاد مشاور
رضا دشتي
دانشكده
فناوري هاي نوين
چكيده
با توجه به افزايش روزافزون تقاضاي جهاني براي انرژي و محدوديت منابع فسيلي، بهرهگيري از انرژيهاي تجديدپذير بهويژه انرژي خورشيدي به عنوان يك منبع پاك و پايدار بيش از پيش اهميت يافته است. سيستمهاي فتوولتائيك به عنوان يكي از كارآمدترين فناوريهاي توليد برق از انرژي خورشيدي شناخته ميشوند. با اين حال، عملكرد اين سيستمها تحت تأثير مستقيم شرايط محيطي قرار دارد. دو عامل محيطي مهم كه تأثير چشمگيري بر عملكرد ماژولهاي فتوولتائيك دارند، انباشت گردوغبار و بارندگي هستند. گردوغبار با پوشاندن سطح پنلها، ميزان تابش دريافتي را كاهش داده و در نتيجه موجب افت توان خروجي ميشود. از سوي ديگر، باران ميتواند نقش دوگانهاي ايفا كند؛ در شرايطي باعث شستوشوي ذرات و افزايش كارايي پنل شود و در مواردي ديگر، به دليل شدت و مدت ناكافي، منجر به ايجاد لكههاي گلآلود و كاهش بيشتر راندمان گردد.
در اين پژوهش، يك مدل جامع براي پيشبيني توان خروجي پنلهاي فتوولتائيك در شرايط تركيبي گرد و غبار و بارندگي ارائه شده است. براي اين منظور، چهار مدل مستقل شامل: (1) مدل محاسبه تابش خورشيدي بر سطوح با زواياي شيب مختلف، (2) مدل پيشبيني ميزان انباشت گردوغبار بر سطح پنلها، (3) مدل تخمين اثر پاككنندگي باران، و (4) مدل برآورد توان توليدي در حضور گردوغبار و باران مورد استفاده قرار گرفته و سپس در قالب يك چارچوب يكپارچه ادغام گرديده است. اين چارچوب قابليت آن را دارد كه بر اساس دادههاي هواشناسي شامل تابش، بارندگي، سرعت باد، رطوبت نسبي و غلظت ذرات معلق، ميزان گردوغبار انباشتهشده و اثر باران بر سطح پنلها را محاسبه كرده و در نهايت توان خروجي را پيشبيني نمايد.
مطالعه موردي اين تحقيق بر اساس دادههاي هواشناسي شهر تهران انجام شده است. در اين مطالعه، عملكرد پنلهاي خورشيدي در سه زاويه شيب ˚0، ˚30 و ˚60 درجه مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه افزايش زاويه شيب پنلها ميتواند تا حد قابل توجهي از ميزان رسوب گردوغبار بكاهد، بهطوريكه پنلهاي با زاويه بيشتر آلودگي كمتري را تجربه كرده و راندمان بالاتري نسبت به پنلهاي افقي دارند. به عنوان نمونه، در جنوب تهران در ماه دسامبر، ميزان انباشت گردوغبار در زاويه 0 درجه به حدود 5/4 گرم بر مترمربع رسيد كه موجب كاهش عملكرد تا نزديك به 11 درصد گرديد، در حاليكه در زاويه ˚60 درجه مقدار گردوغبار كمتر از 2 گرم بر مترمربع بود و افت راندمان كمتر از 5 درصد باقي ماند.
نتايج همچنين نشان داد كه بارش باران نقش مؤثري در پاكسازي پنلها ايفا ميكند، اما ميزان اين اثر به شدت و مدت بارندگي وابسته است. بارشهاي شديد(بيش از 7.6 ميلي متر بر ساعت) توانستند تا حدود 80٪ ذرات سطحي را حذف كرده و باعث بازيابي راندمان شوند، در حالي كه بارشهاي سبك تنها 20–30 % از ذرات را زدودند و در برخي موارد به دليل ايجاد لايه گلآلود، منجر به كاهش بيشتر راندمان گرديدند. به طور خاص، در جنوب تهران در ماه دسامبر، وقوع بارش شديد موجب بهبود عملكرد پنل(Wp200) تا بيش از 140 وات-ساعت شد، در حالي كه در شرايط بارش سبك، بهبود منفي مشاهده گرديد.
بر اساس نتايج بهدستآمده، گردوغبار ميتواند موجب كاهش قابل ملاحظهاي در توان خروجي پنلها گردد و اين كاهش در مناطق خشك و نيمهخشك نظير تهران، به دليل بارشهاي محدود، بيشتر نمايان ميشود. از سوي ديگر، در شرايطي كه بارندگيهاي منظم و شديد رخ دهد، بخش عمدهاي از گردوغبار حذف شده و افت توان به حداقل ميرسد.
نوآوري اصلي اين پاياننامه در ارائه مدلي جامع است كه تأثير همزمان گردوغبار، بارش باران و زاويه نصب پنل را در پيشبيني توان خروجي لحاظ ميكند. اين رويكرد، نسبت به مطالعات پيشين كه اغلب تنها يكي از اين عوامل را بررسي كردهاند، ديدگاه كاملتري ارائه ميدهد. استفاده از اين مدل ميتواند در برنامهريزي مكانيابي نيروگاههاي خورشيدي، طراحي زاويه نصب بهينه، زمانبندي عمليات تميزكاري، و همچنين برآورد دقيقتر توان توليدي نقش مهمي ايفا نمايد.
به طور كلي، يافتههاي اين پژوهش نشان ميدهد كه در نظر گرفتن شرايط محيطي در مدلسازي عملكرد پنلهاي فتوولتائيك ضرورتي اجتنابناپذير است. مدل پيشنهادي اين امكان را فراهم ميسازد تا با استفاده از دادههاي اقليمي محلي، پيشبيني دقيقتري از توان خروجي صورت گيرد و در نتيجه، بهرهوري سيستمهاي خورشيدي در شرايط واقعي بهبود يابد. اين امر ميتواند در سطح كلان، به توسعه پايدار، كاهش وابستگي به سوختهاي فسيلي، و افزايش سهم انرژي خورشيدي در سبد انرژي كشور كمك شاياني نمايد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/08/12
عنوان به انگليسي
Modeling The Effect of Rainfall on Performance of Photovoltaic Panels
تاريخ بهره برداري
9/20/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
اميرمحمد مرزبندكاسب
چكيده به لاتين
With the ever-increasing global demand for energy and the limitations of fossil fuel resources, the utilization of renewable energies, particularly solar energy as a clean and sustainable source, has become increasingly important. Photovoltaic systems are recognized as one of the most efficient technologies for generating electricity from solar energy. However, the performance of these systems is directly influenced by environmental conditions. Two major environmental factors that significantly affect the efficiency of photovoltaic modules are dust accumulation and rainfall. Dust covers the surface of the panels, reducing the amount of received radiation and consequently leading to a drop in output power. On the other hand, rain can play a dual role: in some cases, it washes away particles and improves panel efficiency, while in other cases, due to insufficient intensity or duration, it creates muddy stains that further reduce efficiency. In this research, a comprehensive model was developed to predict the output power of photovoltaic panels under combined dust accumulation and rainfall conditions. For this purpose, four independent models were employed: (1) a model for calculating solar radiation on surfaces with different tilt angles, (2) a model for predicting dust accumulation on panel surfaces, (3) a model for estimating the cleaning effect of rain, and (4) a model for evaluating the power output in the presence of dust and rain. These models were then integrated into a unified framework. This framework has the capability to use meteorological data—including radiation, rainfall, wind speed, relative humidity, and particulate matter concentration—to calculate dust accumulation and the effect of rain on panel surfaces, ultimately predicting output power. The case study of this research was conducted based on meteorological data from Tehran. In this study, the performance of solar panels at three tilt angles of 0°, 30°, and 60° was examined. The results indicated that increasing the tilt angle of panels can significantly reduce dust deposition. Panels with higher tilt angles experienced less contamination and higher efficiency compared to horizontal panels. For example, in southern Tehran during December, dust accumulation at a 0° angle reached about 4.5 g/m², leading to an efficiency reduction of nearly 11%, while at a 60° angle, dust accumulation was less than 2 g/m² and the efficiency loss remained below 5%. The results also showed that rainfall plays an effective role in cleaning panels, but its impact depends on the intensity and duration of the precipitation. Heavy rainfall was able to remove up to 80% of surface particles and restore efficiency, while light rainfall removed only 20–30% of particles and, in some cases, caused muddy layers that further reduced efficiency. Specifically, in southern Tehran during December, heavy rainfall improved panel performance by more than 140 W, whereas light rainfall resulted in a negative improvement. Based on the obtained results, dust can cause a considerable reduction in the output power of panels, and this reduction becomes more pronounced in arid and semi-arid regions such as Tehran, where rainfall is limited. Conversely, in conditions with regular and intense rainfall, most of the accumulated dust is removed and power loss is minimized. The main novelty of this thesis lies in presenting a comprehensive model that considers the simultaneous effects of dust, rainfall, and panel tilt angle in predicting output power. Compared to previous studies that mostly examined only one of these factors, this approach provides a more complete perspective. The application of this model can play an important role in solar power plant site selection, optimal tilt angle design, scheduling of cleaning operations, and more accurate power generation forecasting.
Overall, the findings of this research indicate that considering environmental conditions in modeling the performance of photovoltaic panels is an inevitable necessity. The proposed model enables more accurate power output predictions using local climatic data, thereby improving the efficiency of solar systems under real-world conditions. At the macro level, this can make a significant contribution to sustainable development, reducing dependence on fossil fuels, and increasing the share of solar energy in the national energy mix.
كليدواژه هاي فارسي
فتوولتائيك , باران , پيش بيني گردوغبار , اثر پاك كنندگي باران , پيش بيني توان خروجي
كليدواژه هاي لاتين
Photovoltaic , Rain , Dust Prediction , Rain Cleaning Effect , Output Power Prediction
Author
Amirmohammad MarzbandKaseb
SuperVisor
Mojtaba Mirhosseini