Credit: Pixabay/ CC0公共领域太阳能发电预计到2030年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。但是太阳能电池板或镜子上的灰尘积累已经是一个严重的问题——它可以在一个月内减少太阳能电池板30%的产量——所以定期清洁对于这种装置是必不可少的。但是据估计，目前清洁太阳能电池板每年要消耗大约100亿加仑的水，足够为200万人提供饮用水。无水清洁的尝试是劳动密集型的，并且倾向于导致表面不可逆的划伤，这也降低了效率。现在，麻省理工学院的一组研究人员设计了一种在无水、非接触系统中自动清洁太阳能电池板或太阳能热电厂镜子的方法，可以显著减少灰尘问题，他们说。
这种新系统利用静电斥力使灰尘颗粒分离，并几乎脱离面板表面，而不需要水或刷子。为了激活该系统，一个简单的电极正好经过太阳能电池板表面上方，给灰尘颗粒充电，然后灰尘颗粒被施加到电池板本身的电荷排斥。该系统可以使用简单的电动机和沿着面板侧面的导轨s自动操作。这项研究发表在《科学进展》杂志上，论文由麻省理工学院研究生Sreedath Panat和机械工程教授Kripa Varanasi撰写。
瓦拉纳西说，尽管全世界都在努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可以严重削弱整个事情。”Panat和Varanasi进行的实验室测试表明，从面板输出的能量在灰尘积聚过程的最开始急剧下降，并且在不清洁的情况下仅一个月就可以轻松达到30%的下降。他们计算出，对于一个150兆瓦的太阳能装置，即使减少1%的电力，也可能导致年收入损失20万美元。研究人员表示，从全球来看，太阳能发电厂的电力输出减少3%至4%将导致33亿至55亿美元的损失。
瓦拉纳西说:“在太阳能材料方面还有很多工作要做。”。“他们正在突破界限，试图在提高效率方面获得几个百分点，而在这里，你可以马上消除所有这些。”
世界上许多最大的太阳能装置，包括中国、印度、阿联酋和美国的装置，都位于沙漠地区。使用高压水射流清洗这些太阳能电池板的水必须从远处用卡车运来，而且必须非常纯净，以避免在表面留下沉积物。有时使用干擦洗，但在清洁表面时效果不佳，并且会造成永久性划痕，从而降低透光率。
水净化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洗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，随着这些设施在全球范围内的不断扩张，水足迹将会增加。“因此，该行业必须非常谨慎和深思熟虑，如何使这成为一个可持续的解决方案。”
其他小组试图开发基于静电的解决方案，但这些都依赖于一个称为电动屏幕的层，使用交叉电极。瓦拉纳西说，这些屏幕可能会有缺陷，让水分进入并导致它们失败。他说，虽然它们可能在火星这样的地方有用，但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，产生电场，使灰尘颗粒带电。施加到太阳能电池板玻璃覆盖层上仅几纳米厚的透明导电层上的相反电荷会排斥颗粒，通过计算正确的电压，研究人员能够找到一个足以克服重力和附着力的电压范围，并使灰尘消散。
Panat说，使用特别制备的具有一系列颗粒尺寸的实验室灰尘样本，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，空气中的湿度在颗粒上形成了一层薄薄的水，这对于产生效果至关重要。“我们在5%到95%的不同湿度下进行实验，”Panat说。“只要环境湿度大于30%，你就可以清除表面上几乎所有的颗粒，但随着湿度的降低，这变得更加困难。”
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情况。”即使是那些通常比这更干燥的地方，在清晨也会有更高的湿度，导致露水的形成，因此清洁可以相应地定时。
Panat说:“此外，与之前电动屏幕的一些工作不同，电动屏幕实际上不能在高湿度或中等湿度下工作，我们的系统可以在湿度高达95%的情况下无限期工作。”
实际上，在大规模生产中，每个太阳能电池板的每一侧都可以安装栏杆，电极横跨电池板。一个小的电动机，也许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，使所有的灰尘落下。整个过程可以自动化或远程控制。或者，导电透明材料的薄带可以永久地布置在面板上方，消除了对移动部件的需要。
瓦拉纳西说，通过消除对卡车运进来的水的依赖，通过消除可能含有腐蚀性化合物的灰尘的积累，以及通过降低整体运营成本，这种系统有可能显著提高太阳能装置的整体效率和可靠性。
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