Naukowcy z National University of Sciences & Technology (NUST) w Pakistanie opracowali system czyszczenia modułów fotowoltaicznych, który poprzez usuwanie pyłu z powierzchni ogniw podnosi ich produktywność, a jednocześnie chłodzi moduły. Realizacja obu tych aspektów podnosi sprawność. Prosta idea nadaje się do implementacji zarówno dla domowych instalacji fotowoltaicznych, jak i tych wielkoskalowych. Co ważne, zespół wyposażył instalację w mikrokontroler, automatyzujący proces czyszczenia i czyniąc go bezobsługowym.

Prosty a funkcjonalny

Badania wykonane przez zespół skupiły się na roli zanieczyszczeń w całkowitej generacji z PV i udoskonaleniem metody ich czyszczenia. Całość analizy miała miejsce w Islamabadzie w Pakistanie. Wykorzystano moduły polikrystaliczne, a próba badawcza objęła trzy różne kąty nachylenia stołów - 23°, 33° i 43°. Odnotowane straty wyniosły kolejno 16,20%, 14,12%, oraz 11,64%.

Znacząca część systemu czyszczenia to stalowy prostopadłościan o długości 76,2 cm, zamontowany przy górnej części modułu. Jest on wyposażony w osiem dysz płaskostrumieniowych, które zapewniają równomierny przepływ wody po przedniej stronie panelu. Dysze umieszczone są w odległości 14 cm od siebie i umożliwiają przepływ wody na poziomie 0,49 l/m. Obieg wody w systemie zapewnia pompa wodna o mocy 36 W.

Po oczyszczeniu powierzchni modułu, woda jest zbierana i filtrowana, by potem powtórnie znaleźć się w obiegu systemu czyszczącego. Taki cykl jest szczególnie ważny ze względów oszczędzania wody. Warto zwrócić uwagę, że problemy z dostępem do wody, to najczęściej domena piaszczystych terenów pustyń. A to właśnie tam występuje największa potrzeba oczyszczania modułów z pyłu. 

Dla sprawdzenia rzeczywistego znaczenia czyszczenia modułów w pakistańskich warunkach przeprowadzono badanie z próbą kontrolną w postaci instalacji, z powierzchni której nie usuwano pyłów. Dane ze wszystkich instalacji fotowoltaicznych były zbierane co minutę, monitorowano produkcję energii elektrycznej i temperatury modułów. Urządzenie czyszczące zamontowane zostało w modułach nachylonych pod kątami: 23°, 33° i 43°. Całość badania trwała od stycznia do lutego włącznie. 

Według dostarczonych wyników badań, moduły wyposażone w system czyszczenia dostarczyły o 13,74% wyższy prąd niż nieczyszczona próba kontrolna. Dodatkowo, woda obmywając moduł obniżyła średnią temperaturę instalacji o 0,8°C w porównaniu ze wzorcowym modułem. 

Zastosowanie zautomatyzowanego systemu czyszczenia wodą pod ciśnieniem, działającego codziennie przez 5 minut, pozwala odzyskać do 80% utraconej mocy spowodowanej osadzaniem się pyłów z atmosfery.

Dlaczego to takie ważne?

Zanieczyszczenia powierzchni modułów to jedno z głównych ograniczeń implementacji fotowoltaiki w trudniejszych klimatach. Nieprzykładanie wagi do stanu czystości instalacji zwłaszcza w takich regionach może w znaczny sposób zaburzyć produkcję prądu, tym samym pozbawić inwestycję ekonomicznej opłacalności. Warto wspomnieć, że z reguły instalacja fotowoltaiczna składa się z kilku połączonych modułów. Nie każdy zdaje sobie sprawę, że produkcja prądu z całości instalacji uzależniona jest od poziomu sprawności jej najsłabszego ogniwa. Z informacji zawartych w literaturze naukowej wynika, że generalnie zakres spadku sprawności fotowoltaiki spowodowany zanieczyszczeniem modułów mieści się w zakresie od 0,5% do 63%. 

Dla lepszego zobrazowania skali problemu, w warunkach klimatycznych Arabii Saudyjskiej instalacja nie czyszczona przez pół roku odnotowała 50% straty produkcji energii z powodu osadzania się pyłów. W warunkach kalifornijskich straty wynoszą około 0,051% dziennie, dając straty w zakresie 1,5% do 6,2% rocznie. Badania przeprowadzone pod tym kątem w Hiszpanii wskazały na straty w wysokości 4,4% na dzień, w trakcie suchego sezonu mogą wzrosnąć do nawet 20%. 

Większy kąt nachylenia stołu pomaga w grawitacyjnym czyszczeniu instalacji, tym samym takie systemy cechuje wyższy wskaźnik produkcji. Instalacje analizowane w trakcie innego badania (0°, 25° i 45°) odnotowały kolejno straty równe 7.6%, 14.1% i 10.9%.

Rozmiar ziaren ma znaczenie!

Jak rozmiar ziaren pyłu wpływa na spadek produkcji? Przeprowadzone na ten temat badania wykazały, że zwiększenie rozmiaru cząsteczek z 10 mm do 30 mm spowodowały zmniejszenie ogólnej akumulacji brudu na module z 9.76 g/m² do 2.59 g/m². Spowodowało to spadek produktywności modułu z 14.64% do 3.89%. Zmiana w zakresie przepuszczalności promieni świetlnych to spadek z 25.32% do 8.38%.

Regiony o suchym klimacie wymagają od inwestorów intensywniejszego czyszczenia modułów fotowoltaicznych, ze względu na mniejsze szanse na samooczyszczenie. Pakistan jest właśnie jednym z takich regionów o zapylonej i zanieczyszczonej atmosferze. Z powodu zabrudzeń produkcja energii z fotowoltaiki może się tam zmniejszyć nawet o 40%. Dlatego zainstalowane moduły fotowoltaiczne wymagają częstego czyszczenia.

Źródło: A building integrated solar PV surface-cleaning setup to optimize the electricity output of PV modules in a polluted atmosphere