วิธีการทำความสะอาดแผงโซลาร์เซลล์แบบใหม่ที่ประหยัดน้ำ ได้แรงบันดาลใจจากธรรมชาติ

ปัญหาที่กำลังเพิ่มขึ้นสำหรับผู้ประกอบการพลังงานแสงอาทิตย์

การติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์ทั่วโลกเผชิญกับความท้าทายด้านการบำรุงรักษาอย่างต่อเนื่อง ฝุ่น ทราย และมลพิษสะสมอยู่บนพื้นผิวแผงและลดประสิทธิภาพการผลิตพลังงาน ปัจจุบันภาคพลังงานแสงอาทิตย์ทั่วโลกใช้น้ำมากกว่า 12 พันล้านแกลลอนต่อปีสำหรับการทำความสะอาด และตัวเลขนี้จะเพิ่มขึ้นเมื่อการติดตั้งขยายตัว ในพื้นที่แห้งแล้งซึ่งมีศักยภาพด้านพลังงานแสงอาทิตย์สูงที่สุด การขาดแคลนน้ำทำให้การล้างด้วยแรงดันสูงแบบดั้งเดิมไม่คุ้มค่าอีกต่อไป

คราบสกปรกบนแผงโซลาร์เซลล์สามารถลดปริมาณพลังงานที่ผลิตได้ลงอย่างมาก สำหรับฟาร์มโซลาร์เซลล์ขนาดใหญ่ที่ดำเนินงานโดยมีกำไรน้อย ผลกระทบทางการเงินนั้นเป็นเรื่องจริง ระบบทำความสะอาดที่ช่วยรักษาผลผลิตในขณะที่ลดปริมาณการใช้น้ำนั้น มีประโยชน์ทั้งในด้านสิ่งแวดล้อมและเชิงพาณิชย์

วิธีการทำงานของระบบถูพื้นแบบหยดน้ำ

ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยซิตี้แห่งฮ่องกง นำโดยศาสตราจารย์สตีเวน หวัง ร่วมมือกับนักวิจัยจากอิมพีเรียลคอลเลจลอนดอน และสถาบันวิศวกรรมกระบวนการในปักกิ่ง ระบบของพวกเขาใช้ประโยชน์จากพฤติกรรมทางกายภาพของหยดน้ำเมื่อกระทบกับพื้นผิว เมื่อหยดน้ำกระทบกับพื้นผิวแผง มันจะกระจายออกไปด้านนอกแล้วหดตัวกลับ การกระจายตัวและการหดตัวกลับนี้ก่อให้เกิดแรงทางอุทกพลศาสตร์ แรงเหล่านั้นจะยกและเคลื่อนย้ายอนุภาคออกจากพื้นผิว

ทีมวิจัยเรียกเทคนิคนี้ว่า “ไม้ถูพื้นแบบหยดน้ำ” ซึ่งใช้น้ำเพียงประมาณหนึ่งในสิบของปริมาณน้ำที่ใช้ในการทำความสะอาดด้วยเจ็ทน้ำแบบมาตรฐาน นักวิจัยพบว่าประสิทธิภาพในการทำความสะอาดเป็นไปตามรูปแบบที่ไม่เป็นเชิงเส้น พลังงานการกระแทกระดับปานกลางให้ผลลัพธ์ที่แข็งแกร่งกว่าแรงสูงสุด ในการทดสอบโดยใช้เม็ดทรายเพื่อจำลองสภาพทะเลทราย หยดน้ำที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมสามารถกำจัดสิ่งปนเปื้อนได้อย่างสม่ำเสมอกว่าวิธีการที่ใช้พลังงานสูงกว่า

ศาสตราจารย์หวังกล่าวว่า ทีมงานได้ออกแบบวิธีการนี้เพื่ออนุรักษ์ทรัพยากรน้ำไปพร้อมกับการปรับปรุงการใช้พลังงานหมุนเวียน ระบบนี้ยังสามารถจัดการกับอนุภาคที่มีน้ำหนักมากได้ รวมถึงอนุภาคที่มีความหนาแน่นมากกว่าน้ำหลายเท่า ซึ่งขยายศักยภาพในการใช้งานให้กว้างไกลกว่าฝุ่นละอองบนพื้นผิว

สิ่งที่การวิจัยค้นพบ

บทความในวารสาร Nature Sustainability รายงานว่าแผงโซลาร์เซลล์เคลือบสารกันน้ำพิเศษสามารถกำจัดสารปนเปื้อนได้มากถึง 99.9 เปอร์เซ็นต์ และปริมาณการใช้น้ำลดลงมากกว่า 80 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิม ตัวเลขเหล่านี้ได้มาจากการทดสอบในห้องปฏิบัติการ การตรวจสอบภาคสนามในระดับใหญ่โดยหน่วยงานอิสระยังไม่ได้รับการตีพิมพ์ และประสิทธิภาพในโลกแห่งความเป็นจริงอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับการเคลือบแผง ชนิดของอนุภาค และสภาพภูมิอากาศในท้องถิ่น

งานวิจัยนี้ใช้หลักการเลียนแบบธรรมชาติ ปีกผีเสื้อและใบพืชบางชนิดสามารถระบายน้ำและเศษสิ่งสกปรกออกได้ผ่านโครงสร้างจุลภาคบนพื้นผิว นักวิจัยได้นำหลักการทางฟิสิกส์นั้นมาประยุกต์ใช้กับการทำความสะอาดแผงควบคุม ระบบหยดน้ำจำลองคุณสมบัติบางอย่างเหล่านั้นได้โดยไม่ต้องใช้ส่วนประกอบทางกลที่ซับซ้อน

ผลกระทบต่ออุตสาหกรรมพลังงานแสงอาทิตย์

ภาคพลังงานแสงอาทิตย์กำลังเผชิญแรงกดดันในการลดปริมาณการใช้น้ำในการดำเนินงาน การใช้น้ำในการบำรุงรักษาแผงโซลาร์เซลล์เป็นหนึ่งในด้านที่เห็นได้ชัดถึงแรงกดดันนี้ องค์การพลังงานระหว่างประเทศคาดการณ์ว่ากำลังการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์จะเติบโตอย่างรวดเร็วในช่วงทศวรรษ 2030 โดยเฉพาะในภูมิภาคที่มีแสงแดดจัดและขาดแคลนน้ำ เช่น ตะวันออกกลาง แอฟริกาเหนือ และบางส่วนของเอเชียใต้ โซลูชันการทำความสะอาดที่ใช้น้ำน้อยลงจึงมีความเกี่ยวข้องโดยตรงกับสภาพแวดล้อมการติดตั้งในภูมิภาคเหล่านั้น

ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยซิตี้กล่าวว่า ระบบนี้มีศักยภาพอย่างยิ่งสำหรับฟาร์มพลังงานแสงอาทิตย์ขนาดใหญ่ในพื้นที่แห้งแล้ง เนื่องจากมีปริมาณฝุ่นละอองสูงในสภาพแวดล้อมเหล่านั้น และการเข้าถึงน้ำก็มีจำกัด วิธีการทำความสะอาดที่สามารถแก้ไขปัญหาทั้งสองอย่างได้พร้อมกันจึงมีคุณค่าในทางปฏิบัติอย่างชัดเจน

งานวิจัยนี้ยังไม่ได้ระบุระยะเวลาในการนำไปใช้งานเชิงพาณิชย์ ทีมงานได้สาธิตวิธีการดังกล่าวในระดับห้องปฏิบัติการแล้ว ยังคงเป็นคำถามที่เปิดกว้างว่าวิธีการนี้จะสามารถผลิตและนำไปใช้งานอย่างคุ้มค่าในระดับโรงงานขนาดใหญ่ได้หรือไม่ นักลงทุนและผู้พัฒนาที่กำลังพิจารณาเทคโนโลยีนี้ต้องการเห็นการทดลองภาคสนามและการประเมินต้นทุนก่อนที่จะสรุปผลอย่างแน่ชัด

ศาสตราจารย์หวังและเพื่อนร่วมงานได้สร้างผลลัพธ์ที่น่าเชื่อถือทางเทคนิค การผสมผสานระหว่างอัตราการกำจัดสูงและการใช้น้ำต่ำช่วยแก้ปัญหาการใช้งานจริงได้ เส้นทางจากผลการค้นพบในห้องปฏิบัติการไปสู่การนำไปใช้ในวงกว้างนั้นยังอีกยาวไกล แต่หลักฐานในขั้นนี้ถือว่ามีแนวโน้มที่ดี