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Un nuovo metodo di pulizia potrebbe rimuovere la polvere dagli impianti solari nelle regioni con limitazioni d’acqua, migliorando l’efficienza complessiva

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Credito: Pixabay/CC0 di dominio pubblico

Si prevede che l’energia solare raggiungerà il 10% della produzione globale di energia entro il 2030 e gran parte di questa sarà probabilmente localizzata nelle aree desertiche, dove la luce solare è abbondante. Ma l’accumulo di polvere sui pannelli solari o sugli specchi è già un problema significativo: può ridurre la produzione dei pannelli fotovoltaici fino al 30% in un solo mese, quindi una pulizia regolare è essenziale per tali installazioni.

Ma attualmente si stima che la pulizia dei pannelli solari utilizzi circa 10 miliardi di galloni di acqua all’anno, abbastanza per fornire acqua potabile a un massimo di 2 milioni di persone. I tentativi di pulizia senz’acqua sono laboriosi e tendono a causare graffi irreversibili delle superfici, il che riduce anche l’efficienza. Ora, un team di ricercatori del MIT ha escogitato un modo per pulire automaticamente i pannelli solari, o gli specchi degli impianti solari termici, in un sistema senz’acqua e senza contatto che potrebbe ridurre significativamente il problema della polvere, dicono.

Il nuovo sistema utilizza la repulsione elettrostatica per causare il distacco delle particelle di polvere e il salto virtuale dalla superficie del pannello, senza bisogno di acqua o spazzole. Per attivare il sistema, un semplice elettrodo passa appena sopra la superficie del pannello solare, conferendo una carica elettrica alle particelle di polvere, che vengono poi respinte da una carica applicata al pannello stesso. Il sistema può essere azionato automaticamente tramite un semplice motore elettrico e binari di guida lungo il lato del pannello. La ricerca è descritta nella rivista La scienza avanzain un articolo dello studente laureato del MIT Sreedath Panat e del professore di ingegneria meccanica Kripa Varanasi.

Nonostante gli sforzi concertati in tutto il mondo per sviluppare pannelli solari sempre più efficienti, dice Varanasi, “un problema banale come la polvere può effettivamente intaccare seriamente l’intera faccenda”. I test di laboratorio condotti da Panat e Varanasi hanno mostrato che il calo di energia in uscita dai pannelli avviene molto all’inizio del processo di accumulo di polvere e può facilmente raggiungere una riduzione del 30% dopo un solo mese senza pulizia. Anche una riduzione dell’1% della potenza, per un’installazione solare da 150 megawatt, hanno calcolato, potrebbe comportare una perdita di $ 200.000 di entrate annuali. I ricercatori affermano che a livello globale, una riduzione del 3-4% della produzione di energia dagli impianti solari equivarrebbe a una perdita compresa tra $ 3,3 miliardi e $ 5,5 miliardi.

“C’è così tanto lavoro in corso sui materiali solari”, afferma Varanasi. “Stanno spingendo i limiti, cercando di guadagnare qualche percento qua e là nel migliorare l’efficienza, e qui hai qualcosa che può cancellare tutto questo immediatamente”.

Molte delle più grandi installazioni di energia solare al mondo, comprese quelle in Cina, India, Emirati Arabi Uniti e Stati Uniti, si trovano nelle regioni desertiche. L’acqua utilizzata per pulire questi pannelli solari con getti d’acqua pressurizzati deve essere trasportata a distanza e deve essere molto pura per evitare di lasciare depositi sulle superfici. A volte viene utilizzato il lavaggio a secco, ma è meno efficace nella pulizia delle superfici e può causare graffi permanenti che riducono anche la trasmissione della luce.

La pulizia dell’acqua rappresenta circa il 10% dei costi operativi degli impianti solari. Il nuovo sistema potrebbe potenzialmente ridurre questi costi, migliorando al contempo la potenza complessiva in uscita consentendo pulizie automatizzate più frequenti, affermano i ricercatori.

“L’impronta idrica dell’industria solare è sbalorditiva”, afferma Varanasi, e aumenterà man mano che queste installazioni continueranno ad espandersi in tutto il mondo. “Quindi, l’industria deve essere molto attenta e premurosa su come rendere questa una soluzione sostenibile”.

Altri gruppi hanno cercato di sviluppare soluzioni a base elettrostatica, ma queste si sono collegate su uno strato chiamato schermo elettrodinamico, utilizzando elettrodi interdigitati. Questi schermi possono presentare difetti che consentono all’umidità di entrare e causarne il guasto, afferma Varanasi. Mentre potrebbero essere utili in un luogo come Marte, dice, dove l’umidità non è un problema, anche negli ambienti desertici sulla Terra questo può essere un problema serio.

Il nuovo sistema che hanno sviluppato richiede solo un elettrodo, che può essere una semplice barra di metallo, per passare sopra il pannello, producendo un campo elettrico che impartisce una carica alle particelle di polvere mentre si sposta. Una carica opposta applicata a uno strato conduttivo trasparente spesso pochi nanometri depositato sulla copertura di vetro del pannello solare respinge quindi le particelle e, calcolando la giusta tensione da applicare, i ricercatori sono riusciti a trovare un intervallo di tensione sufficiente per superare l’attrazione della gravità e delle forze di adesione e provocano il sollevamento della polvere.

Utilizzando campioni di polvere di laboratorio appositamente preparati con una gamma di dimensioni delle particelle, gli esperimenti hanno dimostrato che il processo funziona efficacemente su un’installazione di prova su scala di laboratorio, afferma Panat. I test hanno mostrato che l’umidità nell’aria ha fornito un sottile rivestimento d’acqua sulle particelle, che si è rivelato fondamentale per far funzionare l’effetto. “Abbiamo eseguito esperimenti con umidità variabili dal 5% al ​​95%”, afferma Panat. “Finché l’umidità ambientale è superiore al 30 percento, è possibile rimuovere quasi tutte le particelle dalla superficie, ma quando l’umidità diminuisce, diventa più difficile”.

Varanasi afferma che “la buona notizia è che quando si arriva al 30% di umidità, la maggior parte dei deserti cade effettivamente in questo regime”. E anche quelli che sono in genere più asciutti tendono ad avere un’umidità maggiore nelle prime ore del mattino, portando alla formazione di rugiada, quindi la pulizia potrebbe essere programmata di conseguenza.

“Inoltre, a differenza di alcuni dei lavori precedenti sugli schermi elettrodinamici, che in realtà non funzionano con un’umidità elevata o addirittura moderata, il nostro sistema può funzionare con un’umidità fino al 95 percento, indefinitamente”, afferma Panat.

In pratica, in scala, ogni pannello solare potrebbe essere dotato di ringhiere su ciascun lato, con un elettrodo che attraversa il pannello. Un piccolo motore elettrico, magari utilizzando una minuscola porzione dell’uscita dal pannello stesso, attuerebbe un sistema di cinghie per spostare l’elettrodo da un’estremità all’altra del pannello, provocando la caduta di tutta la polvere. L’intero processo può essere automatizzato o controllato da remoto. In alternativa, sottili strisce di materiale trasparente conduttivo potrebbero essere disposte in modo permanente sopra il pannello, eliminando la necessità di parti mobili.

Eliminando la dipendenza dall’acqua trasportata su camion, eliminando l’accumulo di polvere che può contenere composti corrosivi e abbassando i costi operativi complessivi, tali sistemi hanno il potenziale per migliorare significativamente l’efficienza e l’affidabilità complessive degli impianti solari, afferma Varanasi.


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