Но на очистку солнечных панелей в настоящее время, по оценкам, расходуется около 10 миллиардов галлонов воды в год - этого достаточно, чтобы обеспечить питьевой водой до 2 миллионов человек. Попытки безводной очистки являются трудоемкими и, как правило, приводят к необратимому царапанию поверхностей, что также снижает эффективность. Теперь команда 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.

Новая система использует электростатическое отталкивание, чтобы частицы пыли отделялись и практически отскакивали от поверхности панели без использования воды или щеток. Чтобы активировать систему, простой электрод проходит непосредственно над поверхностью солнечной панели, придавая электрический заряд частицам пыли, которые затем отталкиваются зарядом, приложенным к самой панели. Система может управляться автоматически с помощью простого электродвигателя и направляющих вдоль боковой панели. Исследование описано в журнале Научные достижения, в статье аспиранта Массачусетского технологического института Сридата Паната и профессора машиностроения Крипы Варанаси.

Несмотря на согласованные усилия по всему миру по разработке все более эффективных солнечных панелей, говорит Варанаси, "такая обыденная проблема, как пыль, на самом деле может нанести серьезный ущерб всему этому". Лабораторные тесты, проведенные Panat и Varanasi, показали, что снижение энергопотребления панелей происходит резко в самом начале процесса накопления пыли и может легко достигать 30-процентного снижения всего через один месяц без очистки. По их подсчетам, даже 1-процентное снижение мощности солнечной установки мощностью 150 мегаватт может привести к потере годового дохода в размере 200 000 долларов. Исследователи говорят, что в глобальном масштабе сокращение выработки электроэнергии солнечными установками на 3-4 процента приведет к потере от 3,3 до 5,5 миллиардов долларов.

"В области солнечных материалов ведется так много работы", - говорит Варанаси. "Они раздвигают границы, пытаясь получить несколько процентов здесь и там в повышении эффективности, и здесь у вас есть что-то, что может уничтожить все это сразу".

Многие из крупнейших солнечных электростанций в мире, в том числе в Китае, Индии, ОАЭ и США, расположены в пустынных регионах. Вода, используемая для очистки этих солнечных панелей с помощью струй воды под давлением, должна доставляться на грузовике 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 появлению постоянных царапин, что также снижает светопропускание.

Очистка воды составляет около 10 процентов эксплуатационных расходов солнечных установок. Исследователи говорят, что новая система потенциально может снизить эти затраты при одновременном повышении общей выходной мощности за счет более частой автоматической очистки.

"Водный след солнечной промышленности 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 том, как сделать это устойчивым решением".

Другие группы пытались разработать решения на основе электростатики, но они опирались на слой, называемый электродинамическим экраном, с использованием электродов со взаимными контактами. 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 таком месте, как Марс, где влажность не является проблемой, даже в условиях пустыни на Земле это может стать серьезной проблемой.

Новая система, которую они разработали, требует только, чтобы электрод, который может быть простым металлическим стержнем, проходил над панелью, создавая электрическое поле, которое по мере прохождения передает заряд частицам пыли. 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 для приложения, исследователи смогли найти диапазон напряжений, достаточный для преодоления силы тяжести и адгезии, и вызвать пыль, которую нужно убрать.

Используя специально подготовленные лабораторные образцы пыли с различными размерами частиц, эксперименты доказали, что процесс эффективно работает на испытательной установке лабораторного масштаба, говорит Панат. Тесты показали, что влажность воздуха обеспечивает тонкий слой воды на частицах, что, как оказалось, имеет решающее значение для достижения эффекта. "Мы проводили эксперименты при различной влажности от 5 до 95 процентов", - говорит Панат. "Пока влажность окружающей среды превышает 30 процентов, вы можете удалить почти все частицы с поверхности, но по мере уменьшения влажности это становится сложнее".

Варанаси говорит, что "хорошая новость заключается в том, что когда вы достигаете 30-процентной влажности, большинство пустынь действительно попадают в этот режим". И даже те, которые обычно более сухие, чем это, 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 предыдущих разработок 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 неограниченно долго", - говорит Панат.

На практике, в масштабе, каждая солнечная панель может быть оснащена ограждениями с каждой стороны, с электродом, проходящим поперек панели. Небольшой электродвигатель, возможно, использующий крошечную часть мощности от самой панели, приводил бы в действие ленточную систему для перемещения электрода с одного конца панели на другой, в результате чего вся пыль оседала бы. Весь процесс может быть автоматизирован или управляться дистанционно. В качестве альтернативы, тонкие полоски проводящего прозрачного материала могут быть постоянно расположены над панелью, устраняя необходимость в движущихся частях.

По словам Варанаси, устраняя зависимость от воды, доставляемой на грузовиках, устраняя накопление пыли, которая может содержать коррозионные соединения, и снижая общие эксплуатационные расходы, такие системы могут значительно повысить общую эффективность и надежность солнечных установок.

Исследование было поддержано итальянской энергетической фирмой Eni. S.p.A. в рамках энергетической инициативы MIT.