防尘太阳能电池板的竞赛 | 流行科学

世界上大多数大型太阳能发电场都位于沙漠。这些地区为太阳能发电提供了充足的空地和全年的阳光。研究人员设想改造撒哈拉沙漠——地球上最广阔的沙漠地区——将其变成一个巨大的太阳能发电场，其发电潜力可能达到目前世界能源需求的四倍。

但是，存在一个主要问题——灰尘。太阳能电池板上积聚的灰尘会在一个月的运行时间内将其效率降低近 30%。作为参考，仅全球范围内 3% 到 4% 的太阳能损失就可能意味着至少 33 亿到 55 亿美元的经济损失。随着气候变化加剧沙尘暴，太阳能电池板的效率可能会迅速下降，除非它们每月清洗数次。

加压水射流和喷雾是最常见的清洗太阳能电池板的方法。为避免损坏太阳能电池板玻璃的风险，只能使用纯净去离子水。将清洁水运送到水资源稀缺的干旱或偏远沙漠地区，占太阳能发电场运营和维护成本的10%。

虽然目前太阳能发电场的全球装机容量已超过 500 吉瓦，但研究人员估计，仅用于清洗太阳能电池板的饮用水每年就高达100 亿加仑。为了便于理解，这相当于约 200 万生活在发展中国家的人们一年的用水量。

“我惊讶于清洗太阳能电池板所需的纯净水数量之大，”麻省理工学院机械工程学教授 Kripa Varanasi（与作者无亲属关系）说道。“太阳能行业的用水量在未来只会增长。我们需要弄清楚如何让太阳能发电场更具可持续性。”

需要一种无水、无接触的清洁方法

使用刷子和空气压力等干擦方法来清除太阳能电池板上积聚灰尘的尝试，存在因表面长期刮擦而损坏太阳能电池板的风险。

现有清洁方法的低效率促使 Varanasi 和他的研究生 Sreedath Panat 发明了一种非接触式清洁系统，该系统可以自动排斥太阳能电池板上的灰尘，且无需用水。

新系统利用静电斥力将灰尘颗粒从太阳能电池板表面弹开。虽然灰尘本身不是导体，但他们发现，通过一种直接从太阳能电池板表面上方经过的电极（如金属杆）施加电场力或合适的电压范围，可以给附着在电池板上的灰尘颗粒充电。接下来，对一种透明薄膜（类似于手机和笔记本电脑上使用的薄膜）施加相反的电荷，然后将其安装在系统中，从而使电池板的玻璃表面能够排斥恼人的灰尘颗粒。

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该系统可以独立于太阳能电池板清洁机器人使用。或者，它也可以安装在电池板的每一侧，并消耗少量太阳能。Varanasi 和 Panat 在最近发表于《科学进展》杂志上的论文中详细介绍了他们的研究。

过去，NASA 曾在火星探测器上使用静电技术清除太阳能电池板上的灰尘，这得益于电动力学屏。然而，该技术之所以有效，是因为它是在极度干燥且没有湿度（在地球上不可能实现）的条件下实施的。“它还需要昂贵的叉指电极，这种电极的力较弱，且无法承受潮湿，”Varanasi 解释道。

这促使二人选择了一种不同的静电方法来清洁地球上的太阳能电池板。他们首先对不同尺寸的灰尘颗粒进行了实验，并发现灰尘颗粒中的二氧化硅会吸收大气中的水分。

“灰尘颗粒上的电荷来自于一层薄薄的吸湿层，该层只有几纳米厚，但仍然充当导体。这使得我们能够估算灰尘颗粒的电场力，并清除 30 到 40 微米大小的灰尘颗粒，”Varanasi 说。

研究人员在 5% 到 95% 的广泛湿度范围内进行实验后，得出了这一有希望的突破。然后他们发现，湿度是使系统工作的驱动力。

“只要相对湿度高于 30%，这个系统就非常可靠，而且效果非常好，”Varanasi 说。“由于早晨有露水形成，我们可以将其应用于大多数地理区域，甚至是最干旱的沙漠。”

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两人已经创建了一个实验室规模的原型，该原型包括一个太阳能电池板、一个导电表面和一个安装在顶部的移动电极。但是，该系统仍然无法清除小于 10 微米的颗粒。

“这些微小的灰尘颗粒正是造成太阳能电池板阴影效应的原因，”他补充道。“我们正在进行一些改进，以克服这个问题。”