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如何在没有水的情况下清洁太阳能电池板

如何在没有水的情况下清洁太阳能电池板

2022-03-14 15:11:17

到 2030 年,太阳能预计将达到全球发电量的 10%,其中大部分可能位于阳光充足的沙漠地区。但太阳能电池板或镜子上的灰尘积聚已经是一个重大问题——它可以在短短一个月内将光伏电池板的输出减少多达 30%——因此定期清洁对于此类安装至关重要。

但据估计,目前清洁太阳能电池板每年需要使用约 100 亿加仑的水——足以供应多达 200 万人的饮用水。尝试无水清洁是劳动密集型的,并且往往会导致表面不可逆转的划痕,这也会降低效率。现在,麻省理工学院的一组研究人员设计了一种自动清洁太阳能电池板或太阳能热电厂镜子的方法,采用无水、非接触系统,可以显着减少灰尘问题,他们说。

新系统使用静电排斥使灰尘颗粒分离并从面板表面几乎飞出,无需水或刷子。为了激活该系统,一个简单的电极通过太阳能电池板表面的正上方,将电荷传递给灰尘颗粒,然后它们被施加到面板本身的电荷排斥。该系统可以使用简单的电动机和面板侧面的导轨自动运行。麻省理工学院研究生 Sreedath Panat 和机械工程教授 Kripa Varanasi 在今天的《科学进展》杂志上描述了这项研究。

瓦拉纳西说,尽管世界各地齐心协力开发更高效的太阳能电池板,但“像灰尘这样的普通问题实际上会对整个事情造成严重影响。” Panat 和 Varanasi 进行的实验室测试表明,面板的能量输出在灰尘积累过程的一开始就急剧下降,并且在没有清洁的情况下仅一个月就可以轻松达到 30% 的减少。他们计算,对于 150 兆瓦的太阳能装置,即使功率降低 1%,也可能导致年收入损失 200,000 美元。研究人员表示,在全球范围内,太阳能发电厂的发电量减少 3% 至 4% 将造成 33 亿美元至 55 亿美元的损失。

“太阳能材料方面有很多工作要做,”瓦拉纳西说。“他们正在突破界限,试图在这里和那里获得几个百分点来提高效率,而在这里你有一些东西可以立即消除所有这些。”

世界上许多的太阳能装置,包括中国、印度、阿联酋和美国的装置,都位于沙漠地区。用于使用加压水射流清洁这些太阳能电池板的水必须从远处运来,而且必须非常纯净,以免在表面留下沉积物。有时会使用干擦,但在清洁表面时效果较差,并且会导致性刮擦,从而降低透光率。

水清洁约占太阳能装置运营成本的 10%。研究人员说,新系统可能会降低这些成本,同时通过允许更频繁的自动清洁来提高整体功率输出。

“太阳能行业的水足迹令人难以置信,”瓦拉纳西说,随着这些装置在全球范围内的不断扩大,水足迹将会增加。“因此,该行业必须非常谨慎和深思熟虑如何使其成为可持续的解决方案。”

其他小组试图开发基于静电的解决方案,但这些都依赖于称为电动屏幕的层,使用叉指电极。Varanasi 说,这些屏幕可能存在允许水分进入并导致其失效的缺陷。他说,虽然它们可能在像火星这样的地方有用,在那里水分不是问题,即使在地球上的沙漠环境中,这也可能是一个严重的问题。

他们开发的新系统只需要一个电极,它可以是一个简单的金属棒,通过面板,产生一个电场,在尘埃颗粒移动时给它带来电荷。将相反电荷施加到沉积在太阳能电池板玻璃覆盖层上的仅几纳米厚的透明导电层上,然后排斥颗粒,通过计算施加的正确电压,研究人员能够找到足以克服的电压范围重力和附着力的拉动,使灰尘被带走。

Panat 说,使用专门准备的具有各种颗粒大小的实验室灰尘样本,实验证明该过程在实验室规模的测试装置上有效。测试表明,空气中的湿度会在颗粒上形成一层薄薄的水层,这对于使效果发挥作用至关重要。“我们在 5% 到 95% 的不同湿度下进行了实验,”Panat 说。“只要环境湿度大于 30%,你就可以从表面去除几乎所有的颗粒,但随着湿度的降低,它会变得更难。”

瓦拉纳西说:“好消息是,当湿度达到 30% 时,大多数沙漠实际上都属于这种状态。” 即使是那些通常比这更干燥的地方,在清晨也往往具有更高的湿度,从而导致结露,因此可以相应地定时清洁。

“此外,与之前关于电动屏幕的一些工作不同,这些工作实际上不能在高湿度甚至中等湿度下工作,我们的系统可以无限期地在高达 95% 的湿度下工作,”帕纳特说。

实际上,在规模上,每个太阳能电池板都可以在每一侧安装栏杆,电极横跨面板。一个小型电动机,可能使用面板本身输出的一小部分,将驱动一个皮带系统将电极从面板的一端移动到另一端,从而使所有灰尘脱落。整个过程可以自动化或远程控制。或者,导电透明材料的薄条可以地布置在面板上方,从而无需移动部件。

Varanasi 说,通过消除对卡车运水的依赖、消除可能含有腐蚀性化合物的灰尘积聚以及降低总体运营成本,此类系统有可能显着提高太阳能装置的整体效率和可靠性。

该研究得到了意大利能源公司 Eni 的支持。SpA 通过麻省理工学院能源倡议。


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