研究太阳能的科学家试图解决一个尘土飞扬的问题

人工智能 2021-04-03 11:09:11

转动控制刮水器和水的控制杆,即可轻松清除汽车挡风玻璃上的灰尘和花粉。从太阳能电池板上移除该层,尤其是从任何湿气源中取下的不便之处,都需要进行大量工作。灰尘,烟灰或其他微粒的积累会导致光伏(PV)面板效率下降,这转化为发电量下降以及运营商的收入损失。但是清洁这些太阳能电池板的成本只有100美元。

国家可再生能源实验室(NREL)正在进行的有关光伏“污垢”问题的研究正在继续朝着可能的解决方案努力,包括采用专利技术来解决该问题并提供污染最严重的地方的地图。

从一开始就弄脏问题

自从几十年前太阳能被广泛接受以来,科学家一直在努力提高光伏板的效率,并降低太阳能发电的成本。这些是艰巨的任务。如今,随着太阳能以低成本提供越来越多的国家电力需求,研究人员已经转向该技术的次要问题。

“我们做到了,” NREL的工程师Matthew Muller说,他专门研究PV的可靠性和性能。“太阳能正在部署,但我们正在失去能量,因为太阳能已部署在尘土飞扬的地方。”

在部分地区,每年因污染而损失的能量高达7%,而在中东则高达50%。

林·辛普森说,雨和风足以冲掉光伏板上的灰尘,他曾与穆勒一起担任NREL的首席研究员,在2016年至2019年期间由能源部进行了600万美元的研究工作,以研究土壤污染。由于光伏电池板在夜间冷却并吸引晨露,因此灰尘会经历称为胶结的过程。从字面上看,污渍被粘在板上。

资深科学家辛普森说:“根据您所在的区域,您可能会有不同的矿物质以灰尘的形式沉积在表面上。” “一旦经历了固结过程,要移到连强雨都无法移走的地方会变得更加困难。”

一次清洁一个10兆瓦的太阳能发电场的清洁费用大约为5,000美元,该发电场每天可为2,000户家庭提供足够的电力。辛普森说,在某些地区,例如加利福尼亚的中央山谷,“土壤污染率足够高,而雨水却足够少”,从经济上讲,每年清洁一次以上的面板是有道理的。

现场的两个传感器显示了定期清洁的传感器和从未清洁过的传感器之间的区别。图片来源:NREL Matthew Muller

消除不确定性所需的答案

最初设计的太阳能电池板可以使用25到30年。技术进步可以将它们的寿命延长到50年。投资太阳能,尤其是大型公用事业设施,需要研究以下因素:将产生多少能量以及可以出售多少能量。该信息使公司可以确定其投资回报率。

要考虑的因素之一是预计该地点将遭受的污染程度,但是没有人能够准确预测到这一点。“我们还没有到那儿,” NREL从事光伏污染研究的科学家迈克尔·德格利(Michael Deceglie)说。“太阳能电池板很脏,随着时间的流逝,这对他们的能源来说是一个很大的不确定性。对于拥有资产的人们来说,不确定性也带来了风险,因为他们依赖于此来制造能源,而且他们正在保护自己的投资。该行业将可以更好地量化各种地点和各种因素的风险,从而从中受益。”

他说,就目前而言,公用事业规模的太阳能发电场的运营商将从经验中吸取经验,了解电池板需要清洁的频率,并可以衡量损失的能量与清洁所需的成本。“人们宁愿知道自己多年来将失去的东西,也不愿完全未知,因为完全未知是风险。”

去年夏天授予穆勒和西班牙研究人员的专利涵盖了一种可能的解决方案。可以将传感器固定在太阳能电池前面的玻璃上,然后通过使LED发光来测量污垢的数量。测量是通过将玻璃的透射损耗与干净的参考玻璃板进行比较而得出的。该技术称为“ DUSST”,代表污染光谱透射率检测器单元。

辛普森说,NREL的科学家们还在开发一种从光伏组件中提取信息的方法,以帮助解决污染问题。通过检查每天产生的电量,他们会寻找“某些迹象表明已发生大量污物。这对告诉操作员您正在损失X电量是很有用的,您可能应该看一下在不久的清洁中。”

另一种方法是建立一个污染站。定期清洁安装在光伏面板上的传感器,同时允许另一个传感器变脏。两者之间的比较提供了对污染的估计。Deceglie指出了使用传感器的一个缺点:“如果您有一个大型阵列,则阵列的不同部分可能会变脏。传感器永远无法捕获整个大型阵列的运行状况。”

Deceglie和Muller帮助开发了允许更准确的污染估算的算法。他们首先开发了随机率和回收率(SRR)算法,最近,Deceglie与来访的研究人员ÅsmundSkomedal合作开发了组合降解和污染(CODS)方法,该方法使用户可以同时估算PV板的污染和自然降解。 。两种算法都使用来自光伏系统的能源生产数据。NREL正在作为RdTools的一部分免费提供SRR和CODS(仍在开发中的CODS的合并)。

Deceglie说,将SRR或CODS与来自污染站的信息相结合应能提供最完整的图像。“我个人对这两个数据源都感到很兴奋,因此我们可以发挥各自的优势,以便对站点的实际情况有一个很好的了解。”

NREL研究人员Sarah Toth站在NREL的光伏跟踪系统旁边。像任何光伏系统一样,它们也会吸引灰尘。托特(Toth)已开发出可测量实时污垢率的传感器,并在洛杉矶安装了一些传感器。图片来源:NREL的丹尼斯·施罗德(Dennis Schroeder)

城市环境近距离观察

萨拉·托特(Sarah Toth)对污染的研究在探索大气污染与污染之间的相关性时,尤其是在城市地区时,离家越来越近了。托特(Toth)在距离丹佛市中心3英里的工业区建立了两个低成本的硅传感器。每天自动将一个传感器刷干净。另外,从来没有清洗过。在为期一年的实验结束时,托特发现她仅根据累积的颗粒物和降雨量就可以准确地模拟污垢率。她还发现,雨水可以自然洗掉大部分航线颗粒,但不能将细小颗粒冲走,这些颗粒往往会粘在表面。

“我之所以将研究重点放在这些城市环境上,是因为污染的成分完全不同,”博士学位的Toth说。自2017年以来一直在NREL工作的科罗拉多大学环境工程专业候选人。没有太多的表面化学作用。”

托特曾在洛杉矶部署了脏污传感器,她说,她的研究表明,需要采取不同的清洁处理方法,才能有效地清除细颗粒物和过程中的颗粒物。

她说:“通过显微镜观察老化的分子,我们所见到的是,几年后,它们只是受到某种表面污染,无论我们擦洗多少,我们都无法清除掉。为了删除它,您实际上必须刮擦玻璃。”

考虑了许多减轻污渍的方法

关于污染的信息有限,包括NREL制作的地图。穆勒说:“我们现在试图做的最大的事情之一就是,我们试图收集数据并将其放在地图上。” “我们还有很长的路要走。”

即使没有更多信息,制造商仍在努力减少污染问题,或者至少更容易解决。一种可能的解决方案是在太阳能电池板表面上进行涂层。这种策略的一个例子是疏水涂层,这意味着它可以排斥水。如果面板倾斜足够大的角度,则露水或雨水会顺着其表面流下并洗去灰尘。但是在面板的角度接近水平的安装中将不起作用。

机器人可能在某些区域工作。配备旋转刷的自主机器人已在中东投入使用,以扫除太阳能电池板上的灰尘。

辛普森说:“如果你以足够的速度刷掉这些面板上的灰尘,它的确可以使它们保持干净,并且不会形成胶结。” “这要求您每天或隔日左右清理一次。”

不存在用于清洁太阳能电池板的单一解决方案。辛普森说,在高湿度地区,真菌会生长。“这种真菌是一种将灰尘固定在面板上的生物,真菌本身会阻挡光线进入面板。真菌很难散发出去。它需要化学物质和大量的去污作用。”

解决太阳能电池板上的污染的解决方案可能需要几种不同的方法,但这是研究人员已承诺解决的问题。

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