Можно уверенно заявить, что современный мир построен на технологиях, которые тем или иным образом задействуют полезные ископаемые. Многие предметы, окружающие нас и в быту, и на работе, и даже во время долгожданного отпуска, созданы с применением того, что люди, утрировано говоря, «выкопали» из-под земли. Не стоит забывать и про энергоносители, которые в большинстве своем также относятся к горючим полезным ископаемым (нефть, уголь, газ и т.д.). Но есть одна проблема — ископаемые не бесконечны, а потому необходимы альтернативные источники энергии. Одним из вариантов является солнечная энергия, сбор которой лучше всего проводить в пустынях, занимающих порядка 14 % суши. Учитывая погодные особенности, в пустыне солнечного излучения больше, чем в других биомах. Однако солнечные панели хороши только в том случае, если не покрыты толстым слоем песка. Следовательно, их необходимо периодически мыть. Использовать для этого воду — самый очевидный, но и самый расточительный вариант. А потому ученые из Массачусетского технологического института (США) поставили перед собой задачу разработать методику очистки фотоэлементов без воды с помощью электростатической индукции. В чем секрет данной методики, и насколько сухая чистка эффективна? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Солнечное излучение — это прекрасная альтернатива энергоносителям из добываемых, а потому исчерпываемых, ископаемых. Солнце, конечно, тоже не вечное, но оно точно сможет просуществовать достаточно долго, пока человечество не придумает вариант получше (или же не исчезнет). По примерным оценкам к 2030 году добыча солнечной энергии составит около 10% от мирового производства электроэнергии.

Интерес к солнечной энергии и ее добыче породил множество трудов, главной целью которых является повышение эффективности работы фотоэлементов. Однако, несмотря на все эти усилия, работа даже самой мощной солнечной панели может быть нарушена обыкновенной пылью и песком, коих в избытке в пустынях, являющихся оптимальной локацией для размещения солнечных ферм.


Изображение №1

Авторы труда провели лабораторное исследование, которое имитировало суровые условия загрязнения на солнечной панели, и обнаружили, что выходная мощность уменьшается экспоненциально с увеличением запыленности (1A и 1B). В суровых условиях со скоростью накопления пыли, близкой к 1 г/м² в день, требуется всего около месяца, чтобы накопление пыли достигло 3 мг/см². К примеру, как показано на 1В, накопление пыли в размере 5 мг/см² соответствует почти 50% потере выходной мощности. В регионах с частыми песчаными бурями также может наблюдаться быстрая потеря эффективности. Анализ имеющихся данных показал, что потеря мощности в 3-4% в глобальном масштабе приводит к экономическим потерям в размере от 3.3 до 5.5 миллиардов долларов. Следовательно, чистота — залог успеха.

Самым очевидным, а потому самым часто применяемым, методом очистки солнечных панелей является использование струй воды под давлением. Поскольку в пустынных регионах воды мало, ее необходимо транспортировать из других мест, прежде чем распылять на солнечные панели. Ввиду этих сложностей, очистка с применением воды составляет около 10% от стоимости эксплуатации и обслуживания солнечных ферм. Данные свидетельствуют о том, что как фотоэлектрические, так и концентрированные солнечные электростанции потребляют от 1 до 5 миллионов галлонов (1 галлон = 3.78 л) воды на 100 МВт в год для очистки. Из этого следует, что в глобальном масштабе (500 ГВт фотоэлектрической мощности во всем мире) потребляется порядка 10 миллиардов галлонов воды в год. Такого объема воды достаточно, чтобы удовлетворить годовую потребность в воде 2 миллионов человек.

Чтобы сократить потребление воды, некоторые мелкие фермы внедрили ручную или роботизированную сухую очистку. Однако сухая чистка менее эффективна при удалении пыли и приводит к необратимым царапинам на поверхности, что со временем снижает коэффициент пропускания света. Следовательно, необходим метод, который минимизирует (или вовсе нивелирует) потребление воды при очистке, при этом не будет нести вред системе, снижая ее работоспособность.

Одним из самых многообещающих вариантов решения проблемы является электростатическая очистка, которая потенциально может исключить потребление воды и контактное трение из-за отсутствия механических компонентов, которые соприкасаются с панелями. Электродинамические экраны (EDS от electrodynamic screens) являются наиболее популярными системами электростатического пылеудаления.

Несмотря на то, что системы EDS являются многообещающими и были успешно внедрены в солнечные панели на марсоходах, есть несколько проблем с их применением на Земле. Ключевой проблемой является проникновение влаги с течением времени в диэлектрическую пленку, которая изолирует электроды, из-за ее пористости. Накопление влаги может в конечном итоге привести к короткому замыканию электродов и отказу системы. Кроме того, встроенные переплетенные массивы микроэлектродов в EDS являются весьма дорогостоящими для массового коммерческого внедрения.


Изображение №2

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые представляют нашему вниманию альтернативный вариант EDS. Данная разработка была вдохновлена экспериментом, показанным на 2А, где видно, что частицы пыли, лежащие на нижнем электроде в установке с параллельными пластинами, отталкиваются от поверхности при приложении достаточного напряжения (видео №1).

Видео №1

Это «отталкивание» происходит из-за индукции, вызывающей накопление заряда на пыли (2В). Когда ученые проводили аналогичные эксперименты, заменяя частицы пыли проводящим железом или изолирующими частицами тефлона, было обнаружено, что частицы пыли ведут себя как железо, а не как тефлон. И пыль, и частицы железа удаляются с поверхности электрода, когда приложенное напряжение превышает определенное пороговое значение (2C).

Ученые отмечают, хотя «пыль» — это термин, который охватывает широкий спектр твердых частиц, типичные частицы пустынной пыли, которые загрязняют солнечные панели, представляют собой минеральные твердые частицы. Минеральный/химический состав частиц может варьироваться в зависимости от географического положения. Однако частицы минеральной пыли обычно состоят из значительной части (от 30 до 75%) кремнезема, который адсорбирует влагу. Хотя чистый кремнезем является хорошим изолирующим материалом, адсорбированная влага снижает его кажущееся удельное электрическое сопротивление, и он заряжается при контакте с электродом.

Ученые использовали проводниковое поведение частиц пыли, чтобы отталкивать их от поверхностей солнечных панелей. Сначала оценивался заряд пылевых частиц, а затем определялось условие удаления частиц через приложенное напряжение. Затем ученые варьировали относительную влажность, чтобы изучить влияние изменения адсорбции влаги на электростатическое удаление пыли. В итоге была создана система электростатического удаления пыли для солнечной панели.

Результаты исследования

Для разработки системы электростатической очистки, в которой основным параметром управления является напряжение, необходимо было детально изучить сам процесс электростатического удаления пыли.


Изображение №3

На диаграмме Максвелла-Кремоны (3A) показано, что электростатическая сила (F_E), действующая на отрыв частицы от поверхности, противостоит силам прилипания (F_A) и гравитации (F_G), которые стремятся удерживать частиц на поверхности. Наличие критического порогового напряжения (2C) показывает, что частица отрывается от поверхности, когда индукция заряда приводит к достаточно сильной электростатической силе отталкивания, чтобы преодолеть прилипание и гравитацию.

Силу гравитации можно определить, зная плотность (предполагая кремнезем) и приблизительный размер пылинки (ρ ~ 2650 кг/м³; F_G = ρ4/3πR³g).

Точно так же в умеренном диапазоне относительной влажности (от 45 до 55%) сила сцепления микрочастиц с шероховатостью поверхности в основном определяется силой Ван-дер-Ваальса. Сила Ван-дер-Ваальса для микрочастиц очень хорошо охарактеризована и может быть оценена с помощью модели Хамакера после включения поправочного коэффициента на шероховатость поверхности. Наконец, электростатическая сила определяется произведением заряда частицы на приложенное электрическое поле (F_E = QE).

В применяемой конфигурации электродов с параллельными пластинами напряженность электрического поля легко определяется. Однако, поскольку электропроводность пылевых частиц плохо охарактеризована, заряд частиц (Q) остается неизвестным. Таким образом, чтобы иметь возможность предсказать электростатическую силу и, следовательно, напряжение удаления пыли, необходимо оценить заряд частиц.

Видео №2

Чтобы оценить заряд (Q) для частиц пыли, были проведены эксперименты по отталкиванию частиц посредством погружения электродов в ванну с силиконовым маслом (3B). Поскольку между пластинами прикладывалась разность потенциалов, частицы приобретали заряд и прыгали между пластинами (3C). Вязкость масла (500 сСт) была выбрана достаточно высокой, чтобы свести к минимуму влияние инерции, и, таким образом, частицы достигли конечной скорости движения между пластинами достаточно быстро по сравнению с общим временем прохождения частиц между пластинами.

Видео №3

Видео №4

Электростатическая сила была уравновешена с силой сопротивления Стокса, силой гравитации и силой плавучести как QE + mg + 6πμRU + F_B = 0.

Далее была измерена скорость частиц и заряд тех, что отрывающихся от поверхности:



На 3D показана зависимость заряда от напряженности приложенного электрического поля для частиц пыли разного размера. Было обнаружено, что заряд линейно пропорционален напряженности приложенного электрического поля, как и в проводящих материалах. На 3E показан расчетный заряд в зависимости от радиуса частицы. Накопленный заряд квадратично пропорционален радиусу (Q ~ R²). Это подтверждает, что накопление заряда происходит на поверхности частицы, а не в ее объеме, подобно проводящим материалам.

Наконец, чтобы сравнить величину заряда частиц пыли с зарядом частиц с известной электропроводностью (σ), ученые провели эксперименты в ванне с силиконовым маслом с использованием тефлона (σ ~ 10⁻²⁴; хороший изолятор) и стальных сфер (σ ~ 10⁶; хороший проводник).

В то время как частицы тефлона оставались неподвижными на нижнем электроде, указывая на пренебрежимо малую индукцию заряда, частицы стали подпрыгивать между электродами, подобно частицам пыли. Теперь можно было оценить заряд (Q), используя баланс сил. Ученые определили безразмерный заряд (Q*) на основе экспериментально оцененного заряда и теоретического приближения для заряда идеального проводника (Q_th ~ 4πR²∈₀∈_rE). На 3F показан график Q* для частиц тефлона, пыли и стали. В то время как заряд тефлона составляет ~ 0, заряд как стальных, так и пылевых частиц составляет ~ 1. Хотя точное численное значение безразмерного заряда выше для стальных частиц, масштабирование заряда указывает на то, что частицы пыли ведут себя очень похоже на проводник.

Сходство в поведении заряда между пылью и стальными частицами также объясняется временем релаксации заряда (τ = ∈/σ). Время релаксации заряда — это характерный масштаб времени, в течение которого частица достигает заряда насыщения (Q_th). Для многих металлов время релаксации заряда составляет от 10⁻¹⁵ до 10⁻¹⁹ с (τ ≪ 1 с), поэтому зарядка частиц происходит мгновенно. Для частиц пыли непостоянство химического состава и наличие абсорбированной влаги затрудняют точное определение τ. Однако есть возможность определить эффективную проводимость (σ_eff) ансамбля пылевых частиц и тем самым эффективное время релаксации заряда (τ_eff). Верхний предел τ_eff был получен посредством экспериментального измерения эффективной проводимости: σ_eff > 5 х 10⁻⁸. Было определено, что τ_eff ≪ 1 с, что объясняет почти мгновенную зарядку пыли и стали.

Далее необходимо было определить напряжение, способное удалить пыль с поверхности. Из оценки заряда и полученного выражения для заряда как функции напряжения было получено полное выражение для баланса сил для идеально сферической частицы с учетом электростатической, гравитационной и ван-дер-ваальсовой сил сцепления. Для определенного размера частиц электростатическая сила ограничена максимальной напряженностью электрического поля, которая может поддерживаться в воздухе (3 МВ/м), не вызывая пробоя диэлектрика.


Изображение №4

Далее было создано уравнение для суммы сил и построение его в виде функции размера частиц, в результате чего получилась колоколообразная кривая (4A). Поскольку сила Ван-дер-Ваальса масштабируется с размером частиц, электростатическая сила масштабируется с площадью поверхности, а гравитационная сила масштабируется с объемом частиц, полученный баланс показывает, что по мере увеличения размера частиц F_net < 0 из-за преобладания гравитации. Точно так же, когда размер частиц становится малым (вставка на 4А), F_net снова становится < 0 из-за преобладания адгезии. Однако при промежуточных размерах частиц этот анализ подтверждает, что электростатической силы достаточно для наблюдаемого в эксперименте отрыва частиц от заряженных поверхностей:



Чтобы экспериментально определить условия удаления частиц, ученые создали установку (4B), где частицы пыли расположены на нижней пластине (полупроводниковая пластина) установки, помещенной на весы (точность до 1 мг). При этом верхняя пластина расположена так, что ее масса не влияет на весы. Между пластинами прикладывалось определенное напряжение, затем проводились наблюдения за поведением частиц пыли и записи параметров.

Доля удаленной пыли [M* = (M — M_min) / (M_max — M_min)] определялась путем обезразмеривания* показаний весов (M) с использованием начальных (M_max) и конечных показаний (M_min).

Обезразмеривание* — полное или частичное удаление единиц измерения из уравнения, содержащего физические величины.

На 4C показана кривая, полученная после построения графика зависимости M* от приложенного напряжения. Видно, что для разных размеров частиц существует уникальное пороговое напряжение, при котором удаляется большая часть частиц. Данное пороговое значение и стоит считать напряжением удаления пыли.

Используя выражение для баланса сил, можно получить выражение для напряжения удаления пыли:



где g cos (θ) — нормальная составляющая силы тяжести из-за наклона (θ ~ 20°) пластины, а s — расстояние (зазор) между пластинами (~ 1.2 см).

Ученые отмечают, что они также ввели поправочный коэффициент шероховатости C_r перед членом силы Ван-дер-Ваальса на основе модифицированной модели Румпфа. Этот фактор объясняет шероховатую топологию поверхности частиц пыли, что видно на снимках атомно-силовой микроскопии (4D). Наноразмерная шероховатость значительно снижает силу сцепления и поэтому должна учитываться в рассматриваемом балансе сил.

Точное значение C_r зависит от размера частицы ®. Поскольку размеры частиц варьируются от ~7.5 до ~ 327 мкм, расчетные значения C_r также будут варьироваться. На мелкие частицы преобладает действие силы сцепления, а на крупные частицы в основном действует только сила тяжести. Следовательно, C_r больше подходит для более мелких частиц (< 30 мкм). Для частиц размером порядка 10 мкм оценочное значение Cr составляет ~ 10^–2.

Далее было выполнено обезразмеривание горизонтальной оси из 4C посредством нормализации измеренного напряжения с помощью V_th, а затем ее нанесение на 4E (V* = V/V_th). В результате видно, что все кривые сливаются в одну безразмерную. Это свидетельствует о том, что разработанная простая модель отражает основную физику процесса удаления пыли на основе индукции. Таким образом, V* = 1 определяет безразмерный критерий удаления пыли.

Еще один важный фактор, который необходимо учитывать, это влажность. Влагопоглощение частицами пыли изменяется в зависимости от относительной влажности окружающей среды, которая в полевых условиях колеблется в зависимости от времени суток и времени года. Поскольку зарядка зависит от поглощения влаги, логично предположить, что удаление пыли также будет зависеть и от влажности.


Изображение №5

Чтобы изучить влияние изменения влажности, была создана экспериментальная установка (5A), в которой электроды были помещены в герметичную акриловую камеру с двумя входами: один для продувки азотом для снижения влажности, а другой для подачи влажного воздуха для повышения влажности. Беспроводной датчик влажности, размещенный внутри камеры, измерял влажность в режиме реального времени.

Нижний электрод был изготовлен из гладкого кремния прямоугольной формы, чтобы минимизировать влияние неровностей поверхности на адгезию. При подаче напряжения (10 кВ) частицы пыли удалялись, что было количественно определено с помощью оптического микроскопа, отображающего оставшуюся пыль на кремниевой пластине (5В). На 5C показан снимок одного из экспериментов с оставшимися частицами пыли (~ 30 мкм), появляющимися в виде белых точек на темной кремниевой пластине. Площадь пластины, покрытая частицами, использовалась в качестве параметра оценки меры удаления пыли. Относительная влажность варьировалась от ~ 10 до ~ 95% для частиц пыли разного размера (5D). При низких значениях относительной влажности (< 30%) частицы пыли оставались прилипшими к поверхности из-за отсутствия зарядки. Однако при значениях относительной влажности выше 30% и вплоть до 95% удаление пыли было высокоэффективным.

Дополнительные опыты с шариками кремнезема подтвердили работоспособность индукции заряда на основе влажности. Было обнаружено, что шарики кремнезема заряжаются и полностью отталкиваются от электродов при подаче напряжения (видео №5).

Видео №5

Гидрофильная природа кремнезема позволяет частицам поглощать достаточное количество влаги, чтобы испытать достаточную зарядку.

Однако частицы диоксида кремния, покрытые OTS [трихлор(октадецил)силаном], молекулой с гидрофобной концевой группой, становятся гидрофобными и не могут адсорбировать достаточное количество влаги даже при относительной влажности 55%. Поэтому шарики кремнезема, покрытые OTS, не полностью отталкиваются от электродов (видео №6).

Видео №6

Эти наблюдения показывают, что зарядка регулируется гидрофильной природой частиц, что приводит к достаточному поглощению влаги с последующей индукцией заряда.

После выполнения всех подготовительных расчетов и моделирования, ученые приступили к созданию лабораторного прототипа системы удаления пыли.


Изображение №6

Стеклянная пластина поверх солнечной панели была покрыта прозрачным и проводящим слоем легированного алюминием оксида цинка (нижний электрод) толщиной 5 нм с использованием атомно-слоевого осаждения (ALD от atomic layer deposition) (6А). Верхний электрод (из алюминия) подвижен, чтобы не затенять солнечную панель, и перемещается вдоль панели во время очистки с помощью шагового двигателя с линейной направляющей (6B).

При подаче на электроды напряжение ~ 12 кВ, частицы пыли удаляются с поверхности солнечной панели, когда верхний электрод проходит над поверхностью (видео №7).

Видео №7

Выходная мощность солнечной панели была измерена до и после очистки частиц пыли разного размера (6C). Было установлено 95% восстановление потерянной мощности после очистки частиц размером более ~ 30 мкм.

Ученые отмечают, что для реальных солнечных ферм распределение частиц пыли по размерам зависит от географического положения. Оно может варьироваться от 0.8 до 1000 мкм. Однако во многих местах частицы пыли превышают 30 мкм, что делает разработанную установку не только применимой, но и весьма эффективной.

Авторы разработки также отмечают, что покрытие солнечной панели специальным проводящим слоем (нижний электрод) никак не влияет на ее работу, так как его толщина не превышает 5 нм. В будущем этот параметр можно снизить вплоть до 1 нм, что дополнительно снизит финансовые затраты на разработку данной установки по очистке пыли.

Что касается потребления энергии, связанного с электростатическим отталкиванием пыли, то тут проблем также нет, ибо оно ничтожно мало. Это связано с тем, что между верхним и нижним электродами не протекает ток и, следовательно, не потребляется электрическая мощность. Единственный режим потребления энергии связан с перемещением подвижного электрода. Для этого можно использовать выделенную солнечную панель. Кроме того, один движущийся электрод очистки можно применять для работы с массивом солнечных панелей из 20 штук, если включить в его функционал возможность перемещаться в обоих направлениях вдоль массива.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали простую, но крайне эффективную систему бесконтактной очистки солнечных панелей от пыли. Важный аспект данной системы заключается в том, что она не требует воды вообще. Вместо этого используется электростатическая индукция, заставляющая частицы пыли буквально отталкиваться от поверхности солнечных панелей.

Учитывая рост спроса на солнечную энергию, число панелей с каждым годом растет. Расположение их в пустынных регионах сулит увеличение производительности, но и ряд проблем, связанных с суровыми климатическими условиями. Одна из таких проблем, как вы уже поняли, это пыль и песок, загрязняющие панели и снижающие их выходную мощность на 30%. Из-за этого солнечные фермы требуют постоянной очистки, которая на данный момент производится с помощью воды. Несмотря на то, что Земля по большей степени покрыта водой, этот ресурс (особенно в пресном виде) доступен далеко не всем, а потому использование его для чистки солнечных панелей можно отнести к вынужденному расточительству. Однако, разработанная учеными система позволяет нивелировать эту проблему.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?