Μια ερευνητική ομάδα στο Πανεπιστήμιο City του Χονγκ Κονγκ ανέπτυξε μια μέθοδο καθαρισμού ηλιακών πάνελ που μειώνει την κατανάλωση νερού κατά περισσότερο από 80%. Η τεχνική, που δημοσιεύτηκε στο Nature Sustainability, επιτυγχάνει ποσοστά απομάκρυνσης ρύπων έως και 99.9%. Βασίζεται σε αρχές που παρατηρούνται στα φτερά πεταλούδων και στα φύλλα φυτών.
Ένα αυξανόμενο πρόβλημα για τους φορείς εκμετάλλευσης ηλιακών συστημάτων
Οι ηλιακές εγκαταστάσεις παγκοσμίως αντιμετωπίζουν μια διαρκή πρόκληση συντήρησης. Σκόνη, άμμος και ρύπανση συσσωρεύονται στις επιφάνειες των πάνελ και μειώνουν την ενεργειακή απόδοση. Ο παγκόσμιος ηλιακός τομέας χρησιμοποιεί σήμερα περισσότερα από 12 δισεκατομμύρια γαλόνια νερού ετησίως για καθαρισμό. Αυτός ο αριθμός θα αυξηθεί καθώς οι εγκαταστάσεις επεκτείνονται. Σε άνυδρες περιοχές, όπου το ηλιακό δυναμικό είναι το υψηλότερο, η λειψυδρία καθιστά ολοένα και πιο δύσκολο να δικαιολογηθεί το συμβατικό πλύσιμο υψηλής πίεσης.
Η ρύπανση των πάνελ μπορεί να μειώσει σημαντικά την ενεργειακή απόδοση. Για τα μεγάλα ηλιακά πάρκα που λειτουργούν με μικρά περιθώρια κέρδους, οι οικονομικές συνέπειες είναι πραγματικές. Τα συστήματα καθαρισμού που διατηρούν την απόδοση μειώνοντας παράλληλα τη ζήτηση νερού έχουν τόσο περιβαλλοντικό όσο και εμπορικό βάρος.
Πώς λειτουργεί το σύστημα σφουγγαρίστρας με σταγόνες
Η ομάδα του Πανεπιστημίου της Πόλης του Χονγκ Κονγκ, με επικεφαλής τον καθηγητή Στίβεν Γουάνγκ, συνεργάστηκε με συνεργάτες στο Imperial College του Λονδίνου και στο Ινστιτούτο Μηχανικής Διεργασιών στο Πεκίνο. Το σύστημά τους εκμεταλλεύεται τη φυσική συμπεριφορά των σταγονιδίων νερού κατά την πρόσκρουση. Όταν μια σταγόνα χτυπά μια επιφάνεια πάνελ, εξαπλώνεται προς τα έξω και στη συνέχεια οπισθοχωρεί. Αυτή η εξάπλωση και η οπισθοχώρηση δημιουργούν υδροδυναμικές δυνάμεις. Αυτές οι δυνάμεις ανυψώνουν και εκτοπίζουν τα σωματίδια από την επιφάνεια.
Η ομάδα αποκαλεί την τεχνική «σφουγγαρίστρες με σταγονίδια υγρού». Χρησιμοποιεί περίπου το ένα δέκατο του νερού που απαιτείται για τον τυπικό καθαρισμό με πίδακα υγρού. Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η αποτελεσματικότητα του καθαρισμού ακολουθεί ένα μη γραμμικό μοτίβο. Η μέτρια ενέργεια κρούσης παρήγαγε ισχυρότερα αποτελέσματα από τη μέγιστη δύναμη. Σε δοκιμές που χρησιμοποίησαν σωματίδια άμμου για την αναπαράσταση συνθηκών ερήμου, τα βελτιστοποιημένα σταγονίδια απομάκρυναν τους ρύπους με μεγαλύτερη συνέπεια από τις προσεγγίσεις υψηλότερης ενέργειας.
Ο καθηγητής Wang δήλωσε ότι η ομάδα σχεδίασε τη μέθοδο για την εξοικονόμηση υδάτινων πόρων, βελτιώνοντας παράλληλα την ανάπτυξη ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Το σύστημα μπορεί επίσης να χειριστεί βαρύτερα σωματίδια, συμπεριλαμβανομένων εκείνων με πυκνότητα αρκετές φορές μεγαλύτερη από αυτή του νερού. Αυτό επεκτείνει τη δυνατότητα χρήσης του πέρα από την ελαφριά επιφανειακή σκόνη.
Τι διαπίστωσε η έρευνα
Η δημοσίευση του Nature Sustainability αναφέρει απομάκρυνση ρύπων έως και 99.9% σε ηλιακά πάνελ με υπερυδρόφοβη επικάλυψη. Η κατανάλωση νερού μειώθηκε κατά περισσότερο από 80% σε σύγκριση με τις συμβατικές μεθόδους. Αυτά τα στοιχεία προέρχονται από εργαστηριακές συνθήκες. Η ανεξάρτητη επικύρωση πεδίου σε κλίμακα δεν έχει ακόμη δημοσιευτεί και η απόδοση σε πραγματικές συνθήκες μπορεί να διαφέρει ανάλογα με την επικάλυψη του πάνελ, τον τύπο σωματιδίων και τις τοπικές κλιματικές συνθήκες.
Η μελέτη βασίζεται στη βιομίμηση. Τα φτερά πεταλούδας και ορισμένα φύλλα φυτών αποβάλλουν νερό και υπολείμματα μέσω των επιφανειακών μικροδομών. Οι ερευνητές εφάρμοσαν αυτή τη φυσική λογική στον καθαρισμό των πάνελ. Το σύστημα σταγονιδίων αναπαράγει ορισμένες από αυτές τις ιδιότητες χωρίς να απαιτεί πολύπλοκα μηχανικά εξαρτήματα.
Επιπτώσεις για την ηλιακή βιομηχανία
Ο τομέας της ηλιακής ενέργειας βρίσκεται υπό πίεση για να μειώσει το λειτουργικό του αποτύπωμα. Η χρήση νερού για τη συντήρηση των πάνελ είναι ένας τομέας όπου αυτή η πίεση είναι ορατή. Ο Διεθνής Οργανισμός Ενέργειας έχει προβλέψει ταχεία αύξηση της ηλιακής ισχύος έως τη δεκαετία του 2030, ιδίως σε περιοχές πλούσιες σε ηλιοφάνεια και με έλλειψη νερού σε όλη τη Μέση Ανατολή, τη Βόρεια Αφρική και μέρη της Νότιας Ασίας. Οι λύσεις καθαρισμού που απαιτούν λιγότερο νερό σχετίζονται άμεσα με αυτά τα περιβάλλοντα ανάπτυξης.
Η ομάδα του Πανεπιστημίου της Πόλης αναφέρει ότι το σύστημα έχει ιδιαίτερη σημασία για μεγάλα ηλιακά πάρκα σε άνυδρες περιοχές. Τα φορτία σκόνης είναι υψηλά σε αυτά τα περιβάλλοντα και η πρόσβαση στο νερό είναι περιορισμένη. Μια μέθοδος καθαρισμού που αντιμετωπίζει και τις δύο συνθήκες ταυτόχρονα έχει σαφή πρακτική αξία.
Η έρευνα δεν περιλαμβάνει ακόμη χρονοδιάγραμμα εμπορικής ανάπτυξης. Η ομάδα έχει επιδείξει τη μέθοδο σε εργαστηριακή κλίμακα. Το κατά πόσον η προσέγγιση μπορεί να κατασκευαστεί και να αναπτυχθεί οικονομικά σε εγκαταστάσεις κλίμακας κοινής ωφέλειας παραμένει ανοιχτό ερώτημα. Οι επενδυτές και οι προγραμματιστές που εξετάζουν την τεχνολογία θα θέλουν να δουν δοκιμές πεδίου και αξιολογήσεις κόστους πριν καταλήξουν σε οριστικά συμπεράσματα.
Ο καθηγητής Wang και οι συνάδελφοί του έχουν καταφέρει ένα τεχνικά αξιόπιστο αποτέλεσμα. Ο συνδυασμός υψηλών ποσοστών απομάκρυνσης και χαμηλής χρήσης νερού αντιμετωπίζει ένα πραγματικό λειτουργικό πρόβλημα. Η διαδρομή από την εργαστηριακή ανακάλυψη έως την ευρεία υιοθέτηση είναι μακρά. Η βάση δεδομένων, σε αυτό το στάδιο, είναι πολλά υποσχόμενη.
