Genel Verimliliği Artırarak ve Su Kullanmadan Güneş Panellerindeki Toz Nasıl Giderilir?

Güneş enerjisinin 2030 yılına kadar küresel elektrik üretiminin %10'una ulaşması bekleniyor ve bunun büyük bir kısmı güneş ışığının bol olduğu çöl bölgelerinde yer alacak. Ancak güneş panelleri veya aynalar üzerinde toz birikmesi önemli bir sorundur - fotovoltaik panellerin enerji çıktısını sadece bir ayda %30'a kadar azaltabilir - bu nedenle bu tür kurulumlar için düzenli temizlik şarttır.
Ancak şu anda güneş panellerini temizlemek için yılda yaklaşık 10 milyar galon su kullanıldığı tahmin ediliyor; bu, 2 milyona kadar insana içme suyu sağlamaya yetecek kadar su demek. Susuz temizleme girişimleri yoğun emek gerektirir ve yüzeylerin geri döndürülemez şekilde çizilmesine neden olur ve bu da verimliliği azaltır. Şimdi, MIT'deki bir araştırmacı ekibi, toz sorununu önemli ölçüde azaltabilecek, susuz, temassız bir sistemde güneş panellerini veya güneş enerjisi santrallerinin aynalarını otomatik olarak temizlemenin bir yolunu tasarladı.
Yeni sistem, toz parçacıklarının suya veya fırçalara ihtiyaç duymadan panel yüzeyinden ayrılmasına ve neredeyse dışarı doğru savrulmasını sağlamak için elektrostatik itme kullanır. Sistemi etkinleştirmek için, güneş paneli yüzeyinin hemen üzerinden basit bir elektrot geçerek toz parçacıklarına bir elektrik yükü verir ve bunlar daha sonra panelin kendisine uygulanan bir yük tarafından itilir. Sistem, basit bir elektrik motoru ve panelin yan tarafındaki kılavuz raylar kullanılarak otomatik olarak çalıştırılabilir. Araştırma, MIT yüksek lisans öğrencisi Sreedath Panat ve Makine Mühendisliği Profesörü Kripa Varanasi'nin Science Advances dergisinde yayınlanan bir makalede anlatılıyor.
Varanasi, dünya çapında her zamankinden daha verimli güneş panelleri geliştirmek için ortak çabalara rağmen, "toz gibi sıradan bir sorun aslında her şeyi ciddi bir şekilde engelleyebilir" diyor. Panat ve Varanasi tarafından gerçekleştirilen laboratuvar testleri, panellerden gelen enerji çıkışındaki düşüşün, toz birikimi sürecinin en başında keskin bir şekilde gerçekleştiğini ve temizlik yapılmadan sadece bir ay sonra %30'luk azalmaya kolayca ulaşabileceğini gösterdi. 150 megavatlık bir güneş enerjisi tesisatı için güçte %1'lik bir azalma bile, yıllık gelirde 200.000 $'lık bir kayıpla sonuçlanabileceğini ortaya koydu. Araştırmacılar, küresel olarak, güneş santrallerinden elde edilen elektrik üretimindeki %3 ila %4'lük bir düşüşün, 3,3 milyar ila 5,5 milyar dolar arasında bir kayıp anlamına geleceğini söylüyorlar.
Varanasi, "Güneş malzemeleri konusunda çok fazla çalışma var. Sınırları zorluyorlar, verimliliği artırmak için şu veya bu noktada birkaç yüzde kazanmaya çalışıyorlar ve burada tüm bunları hemen ortadan kaldırabilecek bir şey var; toz."
Çin, Hindistan, Birleşik Arap Emirlikleri ve Amerika Birleşik Devletleri de dahil olmak üzere dünyanın en büyük güneş enerjisi tesislerinin çoğu çöl bölgelerinde bulunmaktadır. Bu güneş panellerinin basınçlı su jetleri kullanılarak temizlenmesi için kullanılan suyun, belli bir mesafeden kamyonla taşınması ve yüzeylerde tortu bırakmaması için çok saf olması gerekir. Kuru ovma bazen kullanılır, ancak yüzeyleri temizlemede daha az etkilidir ve ışık iletimini de azaltan kalıcı çizilmeye neden olabilir.
Suyla temizleme, güneş enerjisi tesisatının işletme maliyetinin yaklaşık %10'unu oluşturur. Araştırmacılar, yeni sistemin daha sık otomatik temizlemeye izin vererek genel güç çıkışını iyileştirirken bu maliyetleri potansiyel olarak azaltabileceğini söylüyor.
Varanasi, “Güneş enerjisi endüstrisinin su ayak izi akıllara durgunluk veriyor” diyor ve ekliyor: “Bu tesisler dünya çapında genişlemeye devam ettikçe de artacak. Dolayısıyla, endüstrinin bunu nasıl sürdürülebilir bir çözüm haline getirebileceği konusunda çok dikkatli ve düşünceli olması gerekiyor.”
Diğer gruplar elektrostatik tabanlı çözümler geliştirmeye çalıştılar, ancak bunlar, birbirine bağlı elektrotlar kullanan elektrodinamik ekran adı verilen bir katmana dayandılar. Varanasi, bu ekranların neme izin veren ve arızalanmalarına neden olan kusurlara sahip olabileceğini söylüyor. Mars gibi bir yerde faydalı olsalar da, nemin bir sorun olmadığı, Dünya'daki çöl ortamlarında bile bunun ciddi bir sorun olabileceğini söylüyor.
Geliştirdikleri yeni sistem, panelin üzerinden geçmek için sadece basit bir metal çubuk olan bir elektrot gerektiriyor ve bu, toz parçacıklarına bir yük veren bir elektrik alanı üretiyor. Güneş panelinin cam kaplaması üzerinde biriken sadece birkaç nanometre kalınlığındaki şeffaf bir iletken tabakaya uygulanan zıt bir yük, daha sonra parçacıkları iter. Araştırmacılar uygulanacak doğru voltajı hesaplamaya çalıştılar, sorunun üstesinden gelebilmek için yeterli bir voltaj aralığını bulabildiler. 
Panat, bir dizi parçacık boyutuna sahip özel olarak hazırlanmış laboratuvar toz numunelerini kullanarak, deneylerin, sürecin laboratuvar ölçekli bir test kurulumunda etkili bir şekilde çalıştığını kanıtladığını söylüyor. Testler, havadaki nemin parçacıklar üzerinde ince bir su kaplaması sağladığını ve bunun da etkinin işe yaraması için çok önemli olduğunu gösterdi. Panat, "%5 ile %95 arasında değişen nemlerde deneyler yaptık" diyor. "Ortam nemi %30'dan fazla olduğu sürece yüzeydeki parçacıkların neredeyse tamamını temizleyebilirsiniz, ancak nem azaldıkça iş daha da zorlaşır."
Varanasi, "İyi haber şu ki, %30 neme ulaştığınızda, çoğu çöl aslında bu rejime giriyor. Tipik olarak bundan daha kuru olanlar bile sabahın erken saatlerinde daha yüksek neme sahip olma eğilimindedir, bu da çiy oluşumuna yol açar, bu nedenle temizlik buna göre zamanlanabilir” diyor.
Panat, "Ayrıca, aslında yüksek ve hatta orta nemde çalışmayan elektrodinamik ekranlar üzerinde daha önce yapılan bazı çalışmaların aksine, sistemimiz süresiz olarak %95'e varan nemde bile çalışabilir" diyor.
Uygulamada, ölçekte, her bir güneş paneli, panel boyunca uzanan bir elektrot ile her iki tarafta korkuluklarla donatılabilir. Küçük bir elektrik motoru, panelin kendisinden gelen çıkışın küçük bir kısmını kullanarak, elektrotu panelin bir ucundan diğerine hareket ettirmek için bir kayış sistemini çalıştırarak tüm tozun düşmesine neden olur. Tüm süreç otomatikleştirilebilir veya uzaktan kontrol edilebilir. Alternatif olarak, iletken şeffaf malzemeden ince şeritler, hareketli parçalara olan ihtiyacı ortadan kaldırarak panelin üzerine kalıcı olarak yerleştirilebilir.
Sistem, kamyonla taşınan suya bağımlılığı ortadan kaldırırken, aşındırıcı bileşikler içerebilecek toz birikimini de gideriyor ve genel işletme maliyetlerini düşürüyor. Varanasi, bu tür sistemlerin güneş enerjisi tesisatının genel verimliliğini ve güvenilirliğini önemli ölçüde iyileştirme potansiyeline sahip olduğunu söylüyor.
Bu araştırma, MIT Energy Initiative aracılığıyla İtalyan enerji firması Eni S.p.A. tarafından desteklenmiştir. Sreedath Panat ve Kripa K. Varanasi'nin “Güneş panellerinin sürdürülebilir çalışması için adsorbe edilmiş nem destekli şarj indüksiyonunu kullanarak elektrostatik toz giderme” başlıklı makalesi Science Advances'in 11 Mart 2022 sayısında yayınlandı ve doi'de çevrimiçi olarak mevcut. www.doi.org/10.1126/sciadv.abm0078.