Как очистить солнечные панели без воды

Ожидается, что к 2030 году солнечная энергия достигнет 10% мирового производства электроэнергии, и большая ее часть, вероятно, будет находиться в пустынных районах, где много солнечного света. Но накопление пыли на солнечных панелях или зеркалах уже является серьезной проблемой — всего за один месяц она может снизить мощность фотоэлектрических панелей на целых 30 процентов, поэтому для таких установок необходима регулярная очистка.

Но в настоящее время для очистки солнечных панелей требуется около 10 миллиардов галлонов воды в год — этого достаточно для снабжения питьевой водой до 2 миллионов человек. Попытки безводной очистки трудоемки и, как правило, вызывают необратимое царапание поверхностей, что также снижает эффективность. Теперь группа исследователей из Массачусетского технологического института разработала способ автоматической очистки солнечных панелей или зеркал солнечных тепловых установок в безводной бесконтактной системе, которая, по их словам, может значительно уменьшить проблему пыли.

В новой системе используется электростатическое отталкивание, благодаря которому частицы пыли отрываются и практически спрыгивают с поверхности панели без использования воды или щеток. Чтобы активировать систему, над поверхностью солнечной панели проходит простой электрод, сообщающий электрический заряд частицам пыли, которые затем отталкиваются зарядом, приложенным к самой панели. Система может работать автоматически с помощью простого электродвигателя и направляющих по бокам панели. Исследование описано сегодня в журнале Научные достиженияв статье аспиранта Массачусетского технологического института Шридата Паната и профессора машиностроения Крипы Варанаси.

Варанаси говорит, что, несмотря на согласованные усилия во всем мире по разработке еще более эффективных солнечных панелей, «приземленная проблема, такая как пыль, может нанести серьезный ущерб всему этому». Лабораторные тесты, проведенные Панатом и Варанаси, показали, что резкое снижение выработки энергии панелями происходит в самом начале процесса накопления пыли и может легко достигать 30-процентного снижения уже через месяц без очистки. Они подсчитали, что даже снижение мощности на 1 процент для солнечной установки мощностью 150 мегаватт может привести к потере годового дохода в размере 200 000 долларов. Исследователи говорят, что в глобальном масштабе снижение выработки электроэнергии солнечными электростанциями на 3-4 процента приведет к убыткам в размере от 3,3 до 5,5 миллиардов долларов.

«С солнечными материалами ведется так много работы, — говорит Варанаси. «Они раздвигают границы, пытаясь получить несколько процентов здесь и там за счет повышения эффективности, а здесь у вас есть то, что может сразу все это стереть».

Многие из крупнейших солнечных электростанций в мире, в том числе в Китае, Индии, ОАЭ и США, расположены в пустынных районах. Вода, используемая для очистки этих солнечных панелей с помощью струй воды под давлением, должна подаваться издалека, и она должна быть очень чистой, чтобы не оставлять отложений на поверхностях. Иногда используется сухая чистка, но она менее эффективна при очистке поверхностей и может привести к необратимым царапинам, что также снижает светопропускание.

Очистка воды составляет около 10 процентов эксплуатационных расходов солнечных установок. Исследователи говорят, что новая система потенциально может снизить эти затраты, одновременно улучшив общую выходную мощность за счет более частой автоматической очистки.

«Водный след солнечной энергетики ошеломляет», — говорит Варанаси, и он будет увеличиваться по мере того, как эти установки продолжают расширяться по всему миру. «Таким образом, отрасль должна быть очень осторожной и вдумчивой в отношении того, как сделать это устойчивым решением».

Другие группы пытались разработать решения на основе электростатики, но они полагались на слой, называемый электродинамическим экраном, с использованием встречно-штыревых электродов. По словам Варанаси, эти экраны могут иметь дефекты, которые пропускают влагу и приводят к их выходу из строя. По его словам, хотя они могут быть полезны в таких местах, как Марс, где влажность не является проблемой, даже в условиях пустыни на Земле это может быть серьезной проблемой.

Новая система, которую они разработали, требует только электрода, который может быть простым металлическим стержнем, который проходит над панелью, создавая электрическое поле, которое передает заряд частицам пыли, когда они движутся. Противоположный заряд, приложенный к прозрачному проводящему слою толщиной всего в несколько нанометров, нанесенному на стеклянное покрытие солнечной панели, затем отталкивает частицы, и, рассчитав правильное напряжение, исследователи смогли найти диапазон напряжения, достаточный для преодоления силы гравитации и силы сцепления и заставляют пыль подниматься.

По словам Паната, эксперименты с использованием специально подготовленных лабораторных образцов пыли с различными размерами частиц доказали, что этот процесс эффективно работает на испытательной установке лабораторного масштаба. Испытания показали, что влага в воздухе создает тонкий слой воды на частицах, что оказалось решающим для работы эффекта. «Мы проводили эксперименты при различной влажности от 5 до 95 процентов, — говорит Панат. «Пока влажность окружающей среды выше 30 процентов, вы можете удалить почти все частицы с поверхности, но по мере снижения влажности это становится труднее».

Варанаси говорит, что «хорошая новость заключается в том, что когда вы достигаете 30-процентной влажности, большинство пустынь фактически попадают в этот режим». И даже те, которые обычно более сухие, как правило, имеют более высокую влажность в ранние утренние часы, что приводит к образованию росы, поэтому уборка может быть рассчитана соответствующим образом.

«Более того, в отличие от некоторых предшествующих работ по электродинамическим экранам, которые на самом деле не работают при высокой или даже умеренной влажности, наша система может работать при влажности даже до 95 процентов в течение неопределенного времени», — говорит Панат.

На практике в масштабе каждая солнечная панель может быть оснащена перилами с каждой стороны, а электрод проходит через панель. Небольшой электродвигатель, возможно, использующий крошечную часть выходной мощности самой панели, приводил бы в движение ременную систему для перемещения электрода с одного конца панели на другой, в результате чего вся пыль падала. Весь процесс может быть автоматизирован или управляться удаленно. В качестве альтернативы тонкие полоски из проводящего прозрачного материала могут быть постоянно расположены над панелью, что устраняет необходимость в движущихся частях.

По словам Варанаси, устраняя зависимость от привозимой в грузовиках воды, устраняя скопление пыли, которая может содержать коррозионно-активные вещества, и снижая общие эксплуатационные расходы, такие системы могут значительно повысить общую эффективность и надежность солнечных установок.

Исследование проводилось при поддержке итальянской энергетической компании Eni. SpA через MIT Energy Initiative.