Segment solární energetiky čelí řadě výzev – počínaje závislostí na slunečním světle, přes uchovávání vyrobené elektřiny a relativně nízkou účinnost panelů, až po zanášení fotovoltaických elektráren prachem. Nepříjemným faktem je, že solární panely ztrácejí po měsíci bez čištění až 30 % výkonu.
Vědci z Massachusettského technologického institutu (MIT) vyvinuli metodu, která k udržování solárních panelů bez prachu využívá statickou elektřinu. Její zásadní výhodou je eliminace potřeby neustálého čištění vodou.
Čisté i bez vody
Očekává se, že do roku 2030 dosáhne podíl solární energie na celosvětové výrobě elektřiny 10 %, přičemž velká část se bude pravděpodobně vyrábět v pouštních oblastech, kde je dostatek slunečního záření. Již nyní je však značným problémem hromadění prachu na povrchu solární panelů, kvůli kterému je nutné je pravidelně čistit.
Odhaduje se, že na čištění solárních panelů je ročně potřeba asi 38 miliard litrů vody, což by stačilo na pokrytí potřeb až dvou milionů lidí. Pokusy o čištění bez vody jsou náročné na pracovní sílu a mají tendenci způsobovat nevratné poškrábání povrchu, což rovněž snižuje účinnost.
Vědecký tým z MIT navrhl způsob automatického čištění solárních panelů nebo zrcadel solárních tepelných elektráren bezkontaktním systémem, který by podle nich mohl výrazně snížit problém se zanášením prachem.
Systém využívá elektrostatické odpuzování, které způsobí, že se prachové částice doslova odlepí a prakticky vyskočí z povrchu panelu, aniž by byla potřeba voda nebo kartáče. Systém se aktivuje tak, že těsně nad povrchem solárního panelu projede jednoduchá elektroda, která prachovým částicím propůjčí elektrický náboj. Ty jsou následně odpuzovány nábojem přiváděným na panel.
Stačí přidat prostý mechanismus
K provozování systému stačí přidat k instalaci jednoduchý elektromotor a vodicí lišty podél panelů. Podrobnosti byly zveřejněny v odborném časopise Science Advances ve článku doktoranda Sreedatha Panata a profesora strojního inženýrství Kripy Varanasiho.
Celosvětové úsilí o vývoj účinnějších solárních panelů může podle Varanasiho „vážně ohrozit takový všední problém, jako je prach“. Laboratorní testy, které Panat a Varanasi provedli, ukázaly, že k poklesu energetického výkonu panelů dochází strmě již na samém počátku procesu hromadění prachu a po jednom měsíci bez čištění může snadno dosáhnout až třetinového snížení.
Vědci vypočítali, že i snížení výkonu o pouhé jedno procento může mít u 150megawattové solární instalace za následek ztrátu ročních příjmů ve výši 200 000 dolarů (cca 4,5 milionů korun). Uvádějí, že v celosvětovém měřítku by snížení výkonu solárních elektráren o 3 až 4 procenta znamenalo ztrátu 3,3 až 5,5 miliardy dolarů (cca 75 až 124 miliard korun).
„Na solárních materiálech se velmi intenzivně pracuje,“ říká Varanasi. „Posouvají se hranice a při zlepšování účinnosti se snaží tu a tam získat pár procent, a tady máte něco, co může všechno hned vymazat.“
Čištění vodou je zbytečně komplikované
Mnohé z největších solárních elektráren na světě, včetně těch v Číně, Indii, Spojených arabských emirátech a USA, se nacházejí v pouštních oblastech. Voda používaná k čištění solárních panelů se musí dovážet z velké vzdálenosti a musí být velmi čistá, aby na povrchu nezanechávala usazeniny. Někdy se používá suchá cesta, která je však při čištění povrchů méně účinná a může způsobit trvalé poškrábání.
Čištění vody přitom tvoří asi 10 % provozních nákladů na provoz solárních zařízení. Nový systém by mohl tyto výdaje potenciálně snížit a zároveň zlepšit celkový výkon tím, že umožní častější automatické čištění, tvrdí vědci.
„Vodní stopa solárního průmyslu je ohromující,“ říká Varanasi s tím, že se bude zvyšovat, jak se tyto instalace budou celosvětově rozšiřovat. „Odvětví proto musí být velmi opatrné a přemýšlet o tom, jak z něj udělat udržitelné řešení.“
V minulosti se vědci pokoušeli vyvinout řešení na bázi elektrostatiky, kde spoléhali na vrstvu zvanou elektrodynamické síto, která využívala vzájemně propojené elektrody. Tyto clony však mohly mít vady, které propouštěly vlhkost a způsobovaly jejich selhání. Na místě, jako je Mars, kde vlhkost nepředstavuje problém, mohou být užitečné, ale v pouštním prostředí na Zemi to může být vážný problém.
Funguje to!
Nový systém vyžaduje pouze průchod elektrody přes panel, kterou může být jednoduchá kovová tyč vytvářející elektrické pole, jež přenáší náboj na prachové částice. Opačný náboj na průhledné vodivé vrstvě o tloušťce jen několika nanometrů nanesené na skleněném krytu solárního panelu pak částice prachu odpuzuje.
Experimenty s použitím speciálně připravených laboratorních vzorků prachu s různou velikostí částic prokázaly, že tento proces účinně funguje. Testy ukázaly, že vlhkost vzduchu vytváří na částicích tenkou vrstvu vody, která se ukázala být rozhodující pro fungování tohoto efektu.
„Prováděli jsme pokusy při různé vlhkosti vzduchu od 5 % do 95 %,“ říká Panat. „Pokud je vlhkost prostředí vyšší než 30 %, lze z povrchu odstranit téměř všechny částice, ale s klesající vlhkostí je to obtížnější.“
Podle Varanasiho má systém díky eliminaci závislosti na dovážené vodě schopnost účinně bránit hromadění prachu, který může obsahovat korozivní sloučeniny. Dokáže také snížit celkové provozní náklady a výrazně zlepšit celkovou účinnost a spolehlivost solárních zařízení.
