Làm thế nào để làm sạch các tấm pin mặt trời mà không cần nước?

Nhưng việc làm sạch các tấm pin mặt trời hiện được ước tính sử dụng khoảng 10 tỷ gallon nước mỗi năm – đủ để cung cấp nước uống cho 2 triệu người. Nỗ lực làm sạch không dùng nước tốn nhiều công sức và có xu hướng gây xước bề mặt không thể phục hồi, điều này cũng làm giảm hiệu suất. Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu tại MIT đã phát minh ra một cách tự động làm sạch các tấm pin mặt trời, hoặc gương của các nhà máy nhiệt mặt trời, trong một hệ thống không tiếp xúc với nước, có thể làm giảm đáng kể vấn đề bụi, họ nói.

Hệ thống mới sử dụng lực đẩy tĩnh điện để làm cho các hạt bụi tách ra và hầu như nhảy ra khỏi bề mặt của tấm pin mặt trời mà không cần đến nước hoặc chổi. Để kích hoạt hệ thống, một điện cực đơn giản đi qua ngay trên bề mặt của tấm pin năng lượng mặt trời, truyền điện tích cho các hạt bụi, sau đó sẽ bị đẩy lùi bằng một điện tích đặt vào chính tấm pin. Hệ thống có thể được vận hành tự động bằng cách sử dụng một động cơ điện đơn giản và các thanh dẫn hướng dọc theo mặt bên của tấm pin mặt trời. Nghiên cứu được mô tả trên tạp chí Science Advances, trong một bài báo của sinh viên tốt nghiệp MIT Sreedath Panat và giáo sư kỹ thuật cơ khí Kripa Varanasi.

Bất chấp những nỗ lực phối hợp trên toàn thế giới nhằm phát triển các tấm pin mặt trời ngày càng hiệu quả hơn, Varanasi nói, “một vấn đề như bụi thực sự có thể gây ra một vết lõm nghiêm trọng trong toàn bộ vấn đề.” Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm do Panat và Varanasi thực hiện cho thấy sự sụt giảm sản lượng năng lượng từ các tấm pin xảy ra mạnh ngay khi bắt đầu quá trình tích tụ bụi và có thể dễ dàng giảm tới 30% chỉ sau một tháng mà không cần làm sạch. Họ tính toán rằng ngay cả việc giảm 1% điện năng đối với việc lắp đặt năng lượng mặt trời 150 megawatt, có thể dẫn đến thiệt hại 200.000 đô la doanh thu hàng năm. Các nhà nghiên cứu nói rằng trên toàn cầu, việc giảm 3 đến 4% sản lượng điện từ các nhà máy năng lượng mặt trời sẽ dẫn đến thiệt hại từ 3,3 tỷ USD đến 5,5 tỷ USD.

Varanasi nói: “Có rất nhiều công việc đang diễn ra trong lĩnh vực vật liệu năng lượng mặt trời. “Họ đang vượt qua các ranh giới, cố gắng đạt được vài phần trăm ở chỗ này và chỗ khác trong việc cải thiện hiệu quả, và ở đây bạn có thứ gì đó có thể xóa sổ tất cả những điều đó ngay lập tức.”

Nhiều cơ sở lắp đặt điện mặt trời lớn nhất trên thế giới, bao gồm cả các cơ sở ở Trung Quốc, Ấn Độ, UAE và Mỹ, nằm ở các vùng sa mạc. Nước được sử dụng để làm sạch các tấm pin mặt trời này bằng cách sử dụng vòi phun nước có áp suất phải được vận chuyển từ xa và nó phải rất tinh khiết để tránh để lại cặn trên bề mặt. Chà khô đôi khi được sử dụng nhưng ít hiệu quả hơn trong việc làm sạch bề mặt và có thể gây xước vĩnh viễn, đồng thời làm giảm khả năng truyền sáng.

Làm sạch bằng nước chiếm khoảng 10% chi phí vận hành của các lắp đặt năng lượng mặt trời. Các nhà nghiên cứu cho biết, hệ thống mới có thể giảm những chi phí này trong khi cải thiện sản lượng điện tổng thể bằng cách cho phép vệ sinh tự động thường xuyên hơn.

Varanasi nói: “Dấu chân nước của ngành công nghiệp năng lượng mặt trời là đáng kinh ngạc,” và nó sẽ ngày càng gia tăng khi các cơ sở lắp đặt này tiếp tục mở rộng trên toàn thế giới. “Vì vậy, ngành phải hết sức thận trọng và suy nghĩ về việc làm thế nào để biến đây trở thành một giải pháp bền vững.”

Các nhóm khác đã cố gắng phát triển các giải pháp dựa trên tĩnh điện, nhưng những giải pháp này đã dựa trên một lớp gọi là màn hình điện động lực học, sử dụng các điện cực xen kẽ. Varanasi cho biết những màn hình này có thể có các khuyết tật khiến hơi ẩm lọt vào và khiến chúng bị hỏng. Ông nói, mặc dù chúng có thể hữu ích ở một nơi như sao Hỏa, nơi độ ẩm không phải là một vấn đề, ngay cả trong môi trường sa mạc trên Trái đất, đây cũng có thể là một vấn đề nghiêm trọng.

Hệ thống mới mà họ phát triển chỉ yêu cầu một điện cực, có thể là một thanh kim loại đơn giản, đi qua tấm pin mặt trời, tạo ra một điện trường truyền điện tích cho các hạt bụi khi nó di chuyển. Một điện tích trái dấu được áp dụng cho một lớp dẫn điện trong suốt chỉ dày vài nanomet được tích tụ trên lớp kính của tấm pin mặt trời sau đó đẩy các hạt và bằng cách tính toán điện áp phù hợp để áp dụng, các nhà nghiên cứu đã có thể tìm ra dải điện áp đủ để vượt qua sức hút của trọng lực và lực bám dính, và làm cho bụi bay đi.

Sử dụng các mẫu bụi được chuẩn bị đặc biệt trong phòng thí nghiệm với nhiều kích cỡ hạt khác nhau, các thí nghiệm đã chứng minh rằng quy trình hoạt động hiệu quả trên cơ sở thử nghiệm quy mô phòng thí nghiệm, Panat nói. Các thử nghiệm cho thấy độ ẩm trong không khí cung cấp một lớp nước mỏng phủ trên các hạt, hóa ra lại là yếu tố quan trọng để làm cho hiệu ứng hoạt động. Panat nói: “Chúng tôi đã thực hiện các thí nghiệm ở các độ ẩm khác nhau từ 5% đến 95%. “Miễn là độ ẩm xung quanh lớn hơn 30 phần trăm, bạn có thể loại bỏ gần như tất cả các hạt khỏi bề mặt, nhưng khi độ ẩm giảm, nó trở nên khó hơn.”

Varanasi nói rằng “tin tốt là khi bạn đạt đến độ ẩm 30%, hầu hết các sa mạc thực sự rơi vào chế độ này.” Và ngay cả những nơi thường khô hơn có xu hướng có độ ẩm cao hơn vào buổi sáng sớm, dẫn đến hình thành sương, vì vậy việc dọn dẹp có thể được hẹn giờ cho phù hợp.

Panat cho biết: “Hơn nữa, không giống như một số công việc trước đây trên màn hình điện động lực học, thực tế không hoạt động ở độ ẩm cao hoặc thậm chí vừa phải, hệ thống của chúng tôi có thể hoạt động ở độ ẩm thậm chí cao tới 95%,” vô thời hạn.

Trên thực tế, ở quy mô lớn, mỗi tấm pin mặt trời có thể được lắp với lan can ở mỗi bên, với một điện cực trải dài trên tấm pin. Một động cơ điện nhỏ, có thể sử dụng một phần nhỏ công suất từ ​​chính bảng điều khiển, sẽ dẫn động một hệ thống dây đai để di chuyển điện cực từ đầu này sang đầu kia của bảng điều khiển, làm cho tất cả bụi rơi ra ngoài. Toàn bộ quá trình có thể được tự động hóa hoặc điều khiển từ xa. Ngoài ra, các dải mỏng bằng vật liệu trong suốt dẫn điện có thể được bố trí cố định phía trên bảng điều khiển, loại bỏ sự cần thiết của các bộ phận chuyển động.

Varanasi cho biết: Bằng cách loại bỏ sự phụ thuộc vào nước chứa trong xe tải, bằng cách loại bỏ sự tích tụ của bụi có thể chứa các hợp chất ăn mòn và bằng cách giảm chi phí vận hành tổng thể, các hệ thống như vậy có khả năng cải thiện đáng kể hiệu quả tổng thể và độ tin cậy của việc lắp đặt năng lượng mặt trời.

Nguồn: Viện Công nghệ Massachusetts cung cấp.