Development of a thermal model for the prediction of dew formation on reflective surfaces and evaluation of impact on soiling

Heliostats, flat solar collectors used in concentrated solar power applications, mainly solar tower plants, are promising devices through which sun radiation is exploited. A lot of researches in these past years have been focused on their performances, underlining the issues to which they can be connected. The problem of dust soiling has emerged and needs continuous research, development and experimental analyses. Indeed, airborne dust, can always deposit on these glazed surfaces and depending on the different quantities and dimensions of dust particles, there can be more or less important effects on the deterioration of these devices efficiency. In the particular case of heliostats, the negative impact of dust is observed in the reduction of the reflectivity, which is a fundamental parameter for the sun radiation transfer to the receiver of the plant. Several solutions to the problem have been proposed in the literature, the simplest and most diffuse, but expansive is the periodic manual or automatic water cleaning of heliostat surface. Indeed, as shown in some techno-economic analyses, these costs account for 23% of O&M expenditures of a CSP plant. Nevertheless, other remedies can be considered, relying on atmospheric phenomena, the aim of this thesis is to focus on dew formation as possible cleaning agent of dust on glazed surfaces. The data derived from an experimental set up of six differently tilted mirrors are used to investigate the problem. A thermal-hygrometric analysis is carried out, through the development of two models, implemented in Matlab, used respectively for the calculation of mirrors surface temperature during the night and dew yield generated on them. The outcomes show that dew can be considered a cleaning agent of these surfaces only above a threshold value of 0,06 mm/night, associated to have a reflectivity increase of 0.4%/night. This can be obtained only in periods of the year characterized by a wet climate, so proper ambient temperature and relative humidity conditions, which allow dew formation.

Gli eliostati, collettori piani utilizzati nelle centrali solari a concentrazione, prevalentemente a torre, sono una tecnologia promettente in grado di sfruttare la radiazione solare per applicazioni nel campo del solare termico. In passato sono stati portati avanti diversi studi per analizzare l’efficienza dei collettori solari e i fattori che potrebbero deteriorarla, è emerso il problema dello sporcamento delle loro superfici, dovuto alle polveri presenti in aria. A seconda della quantità e delle dimensioni delle particelle depositate si verificano effetti più o meno importanti sulle prestazioni energetiche dei collettori. Nel caso particolare degli eliostati, gli effetti negativi dello sporcamento sono visibili nella perdita di riflettanza, un parametro fondamentale che permette la trasmissione dell’energia solare al ricevitore posto al centro dell’impianto. Le soluzioni proposte in letteratura e utilizzate nella pratica sono molte, la periodica pulizia manuale o automatica delle superfici è il metodo più semplice ed efficace di rimozione della polvere, ma è anche il più costoso. Infatti, come mostrato in alcune ricerche il costo di questa attività costituisce il 23% delle spese totali di mantenimento di un impianto solare a concentrazione. Tuttavia, altri rimedi possono essere utilizzati per ovviare al problema, infatti è possibile affidarsi a fenomeni naturali. L’obiettivo di questa tesi è lo studio della rugiada come agente pulente delle superfici degli eliostati. I dati sperimentali utilizzati per esaminare il problema derivano da un’istallazione di sei specchi solari, caratterizzati da diversi angoli d’inclinazione. A seguito di un’analisi termo-igrometrica, sono stati implementati in Matlab due modelli, il primo necessario per il calcolo della temperatura di superficie di ciascuno specchio, il secondo per ottenere la quantità di rugiada formatasi su di essi. Dai risultati è emersa la possibilità di considerare la rugiada come agente pulente per le superfici in esame, ma solo sopra una certa quantità generata di 0,06 mm a notte, corrispondente ad un incremento della riflettività di uno specchio dello 0,4% in una notte. Questo effetto si può ottenere in particolari condizioni climatiche di temperatura ambiente e umidità relativa, che durante le ore notturne permettono la formazione di rugiada.