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Jun 12, 2023

So reinigen Sie Solarmodule ohne Wasser

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Es wird erwartet, dass Solarenergie bis zum Jahr 2030 10 Prozent der weltweiten Stromerzeugung ausmachen wird, und ein Großteil davon dürfte in Wüstengebieten liegen, wo es reichlich Sonnenlicht gibt. Aber die Ansammlung von Staub auf Solarmodulen oder Spiegeln ist bereits ein erhebliches Problem – sie kann die Leistung von Photovoltaikmodulen in nur einem Monat um bis zu 30 Prozent reduzieren – daher ist eine regelmäßige Reinigung für solche Anlagen unerlässlich.

Aber die Reinigung von Solarpaneelen verbraucht derzeit schätzungsweise etwa 10 Milliarden Gallonen Wasser pro Jahr – genug, um bis zu 2 Millionen Menschen mit Trinkwasser zu versorgen. Versuche zur wasserlosen Reinigung sind arbeitsintensiv und neigen dazu, irreversible Kratzer auf den Oberflächen zu verursachen, was ebenfalls die Effizienz verringert. Jetzt hat ein Forscherteam am MIT eine Möglichkeit entwickelt, Sonnenkollektoren oder die Spiegel von Solarthermieanlagen in einem wasserlosen, berührungslosen System automatisch zu reinigen, was das Staubproblem erheblich reduzieren könnte, sagen sie.

Das neue System nutzt elektrostatische Abstoßung, um Staubpartikel abzulösen und praktisch von der Plattenoberfläche abzuspringen, ohne dass Wasser oder Bürsten erforderlich sind. Um das System zu aktivieren, bewegt sich eine einfache Elektrode direkt über der Oberfläche des Solarpanels und verleiht den Staubpartikeln eine elektrische Ladung, die dann durch eine auf das Panel selbst aufgebrachte Ladung abgestoßen wird. Mit einem einfachen Elektromotor und Führungsschienen an der Seite des Paneels kann das System automatisch betrieben werden. Die Forschung wird heute in der Zeitschrift Science Advances in einem Artikel des MIT-Absolventen Sreedath Panat und des Professors für Maschinenbau Kripa Varanasi beschrieben.

Trotz konzertierter Bemühungen weltweit, immer effizientere Solarmodule zu entwickeln, sagt Varanasi: „Ein banales Problem wie Staub kann tatsächlich eine ernsthafte Beeinträchtigung des Ganzen verursachen.“ Von Panat und Varanasi durchgeführte Labortests zeigten, dass der Energieausstoß der Module gleich zu Beginn der Staubansammlung steil abfällt und bereits nach einem Monat ohne Reinigung leicht eine Reduzierung um 30 Prozent erreichen kann. Sie berechneten, dass selbst eine Leistungsreduzierung um ein Prozent bei einer 150-Megawatt-Solaranlage zu einem Verlust von 200.000 US-Dollar an Jahreseinnahmen führen könnte. Die Forscher sagen, dass eine Reduzierung der Stromproduktion von Solaranlagen um 3 bis 4 Prozent weltweit einen Verlust zwischen 3,3 und 5,5 Milliarden US-Dollar bedeuten würde.

„Es wird so viel an Solarmaterialien gearbeitet“, sagt Varanasi. „Sie gehen an die Grenzen und versuchen, hier und da ein paar Prozent bei der Effizienzsteigerung zu gewinnen, und hier haben Sie etwas, das all das sofort zunichte machen kann.“

Viele der größten Solarstromanlagen der Welt, darunter in China, Indien, den Vereinigten Arabischen Emiraten und den USA, befinden sich in Wüstenregionen. Das Wasser, das zur Reinigung dieser Solarmodule mit Druckwasserstrahlen verwendet wird, muss aus der Ferne angeliefert werden und sehr rein sein, um keine Ablagerungen auf den Oberflächen zu hinterlassen. Manchmal wird Trockenschrubben eingesetzt, ist jedoch bei der Reinigung der Oberflächen weniger effektiv und kann zu bleibenden Kratzern führen, die auch die Lichtdurchlässigkeit verringern.

Die Wasserreinigung macht etwa 10 Prozent der Betriebskosten von Solaranlagen aus. Das neue System könnte möglicherweise diese Kosten senken und gleichzeitig die Gesamtleistung verbessern, indem es häufigere automatisierte Reinigungen ermöglicht, sagen die Forscher.

„Der Wasser-Fußabdruck der Solarindustrie ist umwerfend“, sagt Varanasi, und er wird noch zunehmen, da diese Anlagen weltweit weiter wachsen. „Die Branche muss also sehr vorsichtig und überlegt sein, wie sie daraus eine nachhaltige Lösung machen kann.“

Andere Gruppen haben versucht, elektrostatische Lösungen zu entwickeln, diese stützten sich jedoch auf eine Schicht, die als elektrodynamischer Schirm bezeichnet wird und ineinandergreifende Elektroden verwendet. Diese Bildschirme können Defekte aufweisen, die Feuchtigkeit eindringen lassen und zum Versagen führen, sagt Varanasi. Während sie an einem Ort wie dem Mars nützlich sein könnten, sagt er, wo Feuchtigkeit kein Problem darstellt, kann dies selbst in Wüstenumgebungen auf der Erde ein ernstes Problem darstellen.

Für das neue System, das sie entwickelt haben, muss lediglich eine Elektrode, bei der es sich um einen einfachen Metallstab handeln kann, über die Platte geführt werden und ein elektrisches Feld erzeugen, das den Staubpartikeln beim Vorbeiströmen eine Ladung verleiht. Eine entgegengesetzte Ladung, die auf eine nur wenige Nanometer dicke transparente leitende Schicht auf der Glasabdeckung des Solarpanels aufgebracht wird, stößt die Partikel ab. Durch die Berechnung der richtigen anzulegenden Spannung konnten die Forscher einen Spannungsbereich finden, der zur Überwindung ausreicht der Anziehungskraft der Schwerkraft und der Adhäsionskräfte und bewirken, dass der Staub abgehoben wird.

Mithilfe speziell vorbereiteter Laborproben von Staub mit verschiedenen Partikelgrößen hätten Experimente bewiesen, dass das Verfahren in einer Testanlage im Labormaßstab effektiv funktioniert, sagt Panat. Die Tests zeigten, dass die Luftfeuchtigkeit eine dünne Wasserschicht auf den Partikeln bildete, was sich als entscheidend für die Wirkung erwies. „Wir haben Experimente bei unterschiedlichen Luftfeuchtigkeiten von 5 bis 95 Prozent durchgeführt“, sagt Panat. „Solange die Umgebungsfeuchtigkeit größer als 30 Prozent ist, kann man fast alle Partikel von der Oberfläche entfernen, aber mit abnehmender Luftfeuchtigkeit wird es schwieriger.“

Varanasi sagt: „Die gute Nachricht ist, dass bei einer Luftfeuchtigkeit von 30 Prozent die meisten Wüsten tatsächlich in diesen Bereich fallen.“ Und selbst dort, wo es normalerweise trockener ist, ist die Luftfeuchtigkeit in den frühen Morgenstunden tendenziell höher, was zur Taubildung führt. Daher könnte die Reinigung entsprechend geplant werden.

„Darüber hinaus kann unser System im Gegensatz zu einigen früheren Arbeiten zu elektrodynamischen Bildschirmen, die bei hoher oder sogar mäßiger Luftfeuchtigkeit eigentlich nicht funktionieren, sogar bei einer Luftfeuchtigkeit von bis zu 95 Prozent unbegrenzt arbeiten“, sagt Panat.

In der Praxis könnte im großen Maßstab jedes Solarpanel auf jeder Seite mit einem Geländer ausgestattet werden, wobei sich eine Elektrode über das Panel erstreckt. Ein kleiner Elektromotor, der möglicherweise einen winzigen Teil der Leistung der Platte selbst nutzt, würde ein Bandsystem antreiben, um die Elektrode von einem Ende der Platte zum anderen zu bewegen, wodurch der gesamte Staub abfällt. Der gesamte Prozess könnte automatisiert oder ferngesteuert werden. Alternativ könnten dünne Streifen aus leitfähigem, transparentem Material dauerhaft über der Platte angeordnet werden, wodurch bewegliche Teile überflüssig werden.

Durch die Eliminierung der Abhängigkeit von eingeschlepptem Wasser, durch die Eliminierung der Staubansammlung, die korrosive Verbindungen enthalten kann, und durch die Senkung der Gesamtbetriebskosten haben solche Systeme das Potenzial, die Gesamteffizienz und Zuverlässigkeit von Solaranlagen deutlich zu verbessern, sagt Varanasi.

Die Forschung wurde vom italienischen Energieunternehmen Eni unterstützt. SpA durch die MIT Energy Initiative.

Mashable-Reporter Emmett Smith beleuchtet, wie MIT-Forscher eine neue Technik entwickelt haben, um Staub von Solarmodulen zu entfernen, ohne Wasser zu verwenden. Die neue Methode nutzt „elektrostatische Abstoßung, bei der eine über dem Panel gleitende Elektrode Staubpartikel elektrisch auflädt und sie anschließend abstößt.“

MIT-Ingenieure haben eine neue kontaktlose Methode zur Reinigung von Solarmodulen entwickelt, die Milliarden Gallonen Wasser einsparen könnte, berichtet Anuradha Varanasi für Popular Science. „Ich war erstaunt über die schiere Menge an reinem Wasser, die für die Reinigung von Solarmodulen benötigt wird“, sagt Prof. Kripa Varanasi. „Der Wasser-Fußabdruck der Solarindustrie wird in Zukunft nur noch größer. Wir müssen herausfinden, wie wir Solarparks nachhaltiger machen können.“

Prof. Kripa Varanasi, Doktorand Sreedath Panath und ein Forscherteam entwickeln eine wasserfreie Methode, um Staub von Solarmodulen zu entfernen, berichten Billy Hurley und Ed Brown für Tech Briefs. „Wasser ist ein so kostbares Gut, und die Menschen müssen vorsichtig sein, wie sie diese Ressource, die wir haben, nutzen“, sagt Varanasi. „Die Solarindustrie muss das wirklich im Hinterkopf behalten; wir wollen nicht ein Problem lösen und ein neues schaffen.“

MIT-Forscher haben ein neues wasserfreies System entwickelt, das statische Elektrizität nutzt, um Staub von Sonnenkollektoren zu entfernen, berichtet Miriam Fauzia für The Daily Beast. „Mit dieser Technik können wir bis zu 95 Prozent der Stromleistung eines Solarpanels zurückgewinnen“, erklärt Doktorand Sreedath Panat.

Der New Scientist-Reporter Chen Ly schreibt, dass MIT-Forscher eine neue Technik entwickelt haben, die statische Elektrizität nutzt, um den Staub von Solarpaneelen zu entfernen, wodurch jährlich rund 45 Milliarden Liter Wasser eingespart werden könnten. „Ich denke, Wasser ist ein kostbares Gut, das sehr unterschätzt wird“, sagt Prof. Kripa Varanasi. „Ich hoffe, dass dies mehr Menschen dazu anregen wird, über Wasserfragen nachzudenken.“

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