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Wissenschaftler, Die Solar Studieren, Versuchen, Ein Verstaubtes Problem Zu Lösen
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Anonim

Die Staub- und Pollenschicht, die sich auf der Windschutzscheibe Ihres Autos absetzt, wird mit einer Drehung des Hebels, der Wischer und Wasser aktiviert, leicht entfernt. Das Entfernen dieser Schicht von einem Solarmodul – insbesondere einem, das von einer Feuchtigkeitsquelle ungünstig platziert ist – erfordert erheblich mehr Arbeit.

Die Ansammlung von Staub, Ruß oder anderen Partikeln führt zu einer Verringerung der Effizienz von Photovoltaik (PV)-Modulen, was zu einer Verringerung der produzierten Strommenge und zu Einkommensverlusten für ihre Betreiber führt. Aber auch die Reinigung dieser Sonnenkollektoren ist mit Kosten verbunden.

Die laufende Forschung des National Renewable Energy Laboratory (NREL) zum Problem der „Verschmutzung“von PV-Anlagen arbeitet weiterhin an möglichen Lösungen, einschließlich patentierter Technologien zur Lösung des Problems und der Bereitstellung einer Karte, wo die Verschmutzung die größten Probleme darstellt.

Ein Problem von Anfang an verschmutzen

Seit die Solarenergie vor Jahrzehnten allgemein akzeptiert wurde, haben Wissenschaftler gearbeitet, um die Effizienz von PV-Modulen zu verbessern und die Kosten für die Stromerzeugung aus der Sonne zu senken. Das waren die großen Aufgaben. Jetzt, da Solarenergie einen zunehmenden Anteil des Strombedarfs des Landes zu geringen Kosten liefert, haben sich die Forscher sekundären Problemen mit der Technologie zugewandt.

„Wir haben es geschafft“, sagte Matthew Muller, ein Ingenieur bei NREL, der sich auf die Zuverlässigkeit und Leistung von PV spezialisiert hat. „Solar wird eingesetzt, aber wir verlieren Energie, weil Solar an staubigen Orten eingesetzt wird.“

Der jährliche Energieverlust durch Verschmutzung beträgt in Teilen der USA bis zu 7 % und im Nahen Osten sogar 50 %.

Regen und Wind können ausreichen, um etwas Staub von PV-Modulen zu entfernen, sagte Lin Simpson, der von 2016 bis 2019 zusammen mit Muller als Co-Forschungsleiter am NREL für eine vom Energieministerium finanzierte Forschungsarbeit in Höhe von 6 Millionen US-Dollar diente. Da PV-Module nachts abkühlen und Morgentau anziehen, kann der Staub einen Prozess durchlaufen, der als Zementierung bezeichnet wird. Die Verschmutzung wird buchstäblich auf die Platte geklebt.

„Je nachdem, in welchem ​​Gebiet Sie sich befinden, können sich verschiedene Mineralien als Staub auf den Oberflächen ablagern“, sagte Simpson, ein leitender Wissenschaftler. „Sobald es den Zementierungsprozess durchlaufen hat, kann es viel schwieriger werden, es dorthin zu entfernen, wo es selbst bei starkem Regen nicht entfernt wird.“

Eine einmalige Reinigung für eine 10-Megawatt-Solarfarm – die genug Strom liefert, um 2.000 Haushalte für einen Tag zu versorgen – kann schätzungsweise 5.000 US-Dollar kosten. Simpson sagte in einigen Gebieten, wie zum Beispiel im kalifornischen Central Valley, wo „Verschmutzungsraten“ausreichend hoch und der Regen ausreichend gering“ist es wirtschaftlich sinnvoll, die Platten mehr als einmal im Jahr zu reinigen.

Antworten, die benötigt werden, um Unsicherheit zu beseitigen

Solarmodule waren ursprünglich für eine Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren ausgelegt. Technologische Verbesserungen könnten ihre Lebensdauer auf bis zu 50 Jahre verlängern. Investitionen in Solarenergie – insbesondere in eine große Anlage im Versorgungsmaßstab – erfordern die Untersuchung von Faktoren wie der Menge an Energie, die produziert wird und wie viel sie verkauft werden kann. Anhand dieser Informationen können Unternehmen die Rendite ihrer Investition bestimmen.

Ein zu berücksichtigender Faktor ist die Menge an Verschmutzung, die der Standort voraussichtlich erfahren wird, aber niemand kann dies genau vorhersagen. „Wir sind noch nicht am Ziel“, sagte Michael Deceglie, ein wissenschaftlicher Mitarbeiter am NREL, der sich mit PV-Verschmutzung beschäftigt. „Solarmodule werden schmutzig, und das ist eine erhebliche Unsicherheit für ihre Energie im Laufe der Zeit. Und mit Unsicherheit gehen Risiken für die Eigentümer der Vermögenswerte einher, weil sie davon abhängig sind, Energie zu erzeugen und ihre Investitionen zu schützen. Die Branche würde von einer besseren Quantifizierung dieses Risikos an verschiedenen Standorten und mit verschiedenen Faktoren profitieren.“

Derzeit lernen die Betreiber von Solarparks im Versorgermaßstab aus Erfahrung, wie oft die Module gereinigt werden müssen, und können messen, wie viel Energie sie an den Kosten für die Reinigung verlieren würden, sagte er. „Die Leute wissen lieber, was sie im Laufe der Jahre verlieren werden, als dass es völlig unbekannt ist, denn eine völlige Unbekannte ist ein Risiko.“

Ein Patent, das im vergangenen Sommer an Müller und Forscher in Spanien erteilt wurde, deckte eine mögliche Lösung ab. Auf dem Glas vor einer Solarzelle kann ein Sensor angebracht werden, der durch Durchleuchten einer LED den Verschmutzungsgrad misst. Die Messung erfolgt durch den Vergleich des Transmissionsverlustes durch das Glas mit einer klaren Referenzglasscheibe. Die Technologie heißt „DUSST“, was für Detector Unit for Soiling Spectral Transmission steht.

Simpson sagte, NREL-Wissenschaftler entwickeln auch eine Möglichkeit, Informationen aus PV-Modulen abzurufen, um das Verschmutzungsproblem zu lösen. Durch die Überprüfung der täglich produzierten Strommenge würden sie nach „bestimmten Anzeichen dafür suchen, dass eine erhebliche Verschmutzung aufgetreten ist. Dies wäre nützlich, um einem Bediener mitteilen zu können, dass Sie X Energie verlieren und wahrscheinlich bald eine Reinigung in Erwägung ziehen sollten.“

Die Alternative ist die Einrichtung einer Anschmutzstation. Ein auf einem PV-Modul installierter Sensor wird regelmäßig gereinigt, während ein anderer verschmutzt werden darf. Ein Vergleich zwischen beiden liefert eine Einschätzung der Verschmutzung. Deceglie weist auf einen Nachteil bei der Verwendung von Sensoren hin: „Wenn Sie ein großes Array haben, werden verschiedene Teile des Arrays möglicherweise unterschiedlich verschmutzt. Ein Sensor wird niemals erfassen, was mit dem ganzen großen Array passiert.“

Deceglie und Muller haben geholfen, Algorithmen zu entwickeln, die genauere Verschmutzungsschätzungen ermöglichen. Sie entwickelten zuerst den Algorithmus der stochastischen Rate and Recovery (SRR), und in jüngerer Zeit arbeitete Deceglie mit dem Gastforscher Åsmund Skomedal an der Entwicklung der Combined Degradation and Soiling (oder CODS)-Methode, die es Benutzern ermöglicht, gleichzeitig sowohl die Verschmutzung als auch die natürliche Degradation von PV-Modulen abzuschätzen. Beide Algorithmen verwenden Energieerzeugungsdaten von PV-Anlagen. NREL stellt SRR und CODS als Teil von RdTools frei zur Verfügung (wobei die Einbindung von CODS noch in der Entwicklung ist).

Die Kopplung von SRR oder CODS mit Informationen von einer Verschmutzungsstation sollte das vollständigste Bild liefern, sagte Deceglie. „Ich persönlich freue mich sehr über diese beiden Datenquellen zusammen, damit wir die Stärken jeder einzelnen ausspielen können, damit wir uns ein wirklich gutes Bild davon machen können, was an einem Standort vor sich geht.“

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Städtische Umwelt unter die Lupe genommen

Sarah Toths Forschungen zum Thema Verschmutzung kommen näher, da sie den Zusammenhang zwischen Luftverschmutzung und Verschmutzung, insbesondere in städtischen Gebieten, untersucht. Toth hat zwei kostengünstige Siliziumsensoren in einem Industriegebiet fünf Kilometer von der Innenstadt von Denver entfernt aufgestellt. Ein Sensor wurde täglich automatisch sauber gebürstet; das andere, nie gereinigt. Am Ende des einjährigen Experiments stellte Toth fest, dass sie das Verschmutzungsverhältnis nur basierend auf angesammelten Partikeln und Niederschlag genau modellieren konnte. Sie entdeckte auch, dass Regen die meisten Kurspartikel auf natürliche Weise wegspülen konnte, aber nicht feine, die dazu neigten, an der Oberfläche zu haften.

„Der Grund, warum ich meine Forschung auf diese urbanen Umgebungen konzentriere, liegt darin, dass die Zusammensetzung der Verschmutzung völlig anders ist“, sagt Toth, Ph.D. Kandidat in Umwelttechnik an der University of Colorado, der seit 2017 am NREL arbeitet. „Wir haben mehr feine Partikel, diese klebrigeren Partikel, die zu einer ganz anderen Oberflächenchemie auf dem Modul und unterschiedlichen Verschmutzungen beitragen könnten. In der Wüste kommt nicht so viel von der Oberflächenchemie ins Spiel.“

Toth, die in Los Angeles Verschmutzungssensoren eingesetzt hat, sagte, ihre Forschung habe gezeigt, dass verschiedene Reinigungsbehandlungen erforderlich sind, um sowohl feine als auch grobe Partikel effektiv zu entfernen.

„Was wir anekdotisch gesehen haben, wenn wir gealterte Moleküle unter dem Mikroskop betrachteten“, sagte sie, „ist nach ein paar Jahren einfach eine Art Oberflächenverunreinigung, die wir einfach nicht entfernen können, egal wie stark wir sie schrubben. Um es zu entfernen, muss man tatsächlich das Glas zerkratzen.“

Eine Frau steht neben einer PV-Anlage am NREL
Eine Frau steht neben einer PV-Anlage am NREL

NREL-Forscherin Sarah Toth steht neben einem PV-Tracking-System am NREL. Diese ziehen wie jede PV-Anlage Staub an. Toth hat Sensoren zur Messung des Verschmutzungsgrades in Echtzeit entwickelt und einige in Los Angeles installiert. Foto von Dennis Schroeder, NREL

Viele Möglichkeiten, die Verschmutzung zu erleichtern

Begrenzte Informationen zur Verschmutzung nach Standort, einschließlich einer von NREL erstellten Karte, sind verfügbar. "Eines der größten Dinge, die wir jetzt versuchen, zu helfen, ist, Daten zu sammeln und auf einer Karte zu speichern", sagte Müller. "Da haben wir noch einen langen Weg vor uns."

Auch ohne weitere Informationen versuchen die Hersteller, Verschmutzungen weniger zum Problem zu machen – oder zumindest leichter anzugehen. Eine mögliche Lösung ist eine Beschichtung über die Oberfläche von Sonnenkollektoren. Ein Beispiel für diese Strategie ist eine hydrophobe Beschichtung, dh sie weist Wasser ab. Wenn das Panel in einem ausreichend steilen Winkel steht, würde Tau oder Regen über seine Oberfläche laufen und den Staub wegspülen. Bei Installationen, bei denen der Winkel des Panels fast horizontal ist, funktioniert dies jedoch nicht.

Roboter könnten in einigen Bereichen funktionieren. Im Nahen Osten wurden autonome Roboter mit rotierenden Bürsten eingesetzt, um Staub von Sonnenkollektoren zu entfernen.

„Wenn Sie den Staub mit ausreichender Geschwindigkeit von diesen Platten bürsten, bleiben sie ziemlich sauber und es bildet sich keine Zementierung“, sagte Simpson. "Das erfordert, dass Sie sie jeden Tag oder jeden zweiten Tag oder so reinigen."

Es gibt keine einheitliche Lösung zur Reinigung von Solarmodulen. In Gebieten mit hoher Luftfeuchtigkeit, sagte Simpson, ist bekannt, dass Pilze wachsen. „Dieser Pilz ist ein lebender Organismus, der den Staub an der Platte verankert und der Pilz selbst verhindert, dass Licht auf die Platte gelangt. Der Pilz ist sehr schwer zu entfernen. Es erfordert Chemikalien und einiges an Schrubben.“

Die Lösung von Verschmutzungen auf Sonnenkollektoren kann verschiedene Ansätze erfordern, aber es ist ein Problem, das die Forscher zu lösen versprochen haben.

-Wayne Hicks

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