Загрязнение (солнечная энергия)

Накопление материала на коллекторах солнечной энергии

Загрязнение – это скопление материала на светособирающих поверхностях в солнечных энергетических системах. Накопленный материал блокирует или рассеивает падающий свет , что приводит к потере выходной мощности . Типичными загрязняющими материалами являются минеральная пыль , птичий помет , грибы , лишайники , пыльца , выхлопы двигателей и сельскохозяйственные выбросы . Загрязнение влияет на обычные фотоэлектрические системы , концентрированные фотоэлектрические системы и концентрированную солнечную (тепловую) энергию . Однако последствия загрязнения для концентрирующих систем выше, чем для неконцентрирующих. ^[1] Обратите внимание, что под загрязнением понимается как процесс накопления, так и сам накопленный материал.

Есть несколько способов уменьшить эффект загрязнения. Противозагрязняющее покрытие ^[2] является наиболее важным решением для проектов солнечной энергетики. Но очистка водой до сих пор является наиболее широко используемым методом из-за отсутствия в прошлом противогрязных покрытий. Потери от загрязнения сильно различаются от региона к региону и внутри регионов. Средние потери электроэнергии, вызванные загрязнением, могут составлять менее одного процента в регионах с частыми дождями. ^[3] По оценкам, по состоянию на 2018 год среднегодовые потери электроэнергии в мире из-за загрязнения составляют от 5% до 10%. По оценкам, потери доходов, вызванные загрязнением, составляют 3–5 миллиардов евро. ^[1]

Физика загрязнений

Загрязнение обычно вызвано отложением переносимых по воздуху частиц , включая, помимо прочего, минеральную пыль ( кремнезем , оксиды металлов , соли ), пыльцу и сажу . Однако к загрязнению также относятся снег, лед, иней , различные виды промышленных загрязнений , частицы серной кислоты , птичий помет , опавшие листья, пыль сельскохозяйственных кормов , а также рост водорослей , мха , грибов , лишайников или биопленок бактерий . ^{[1] [4]} Какой из этих механизмов загрязнения наиболее заметен, зависит от местоположения.

Загрязнение либо полностью блокирует свет (жесткое затенение), либо пропускает часть солнечного света (мягкое затенение). При мягком затенении часть проходящего света рассеивается . Рассеяние делает свет рассеянным, т. е. лучи расходятся в разных направлениях. В то время как традиционная фотоэлектрическая система хорошо работает с рассеянным светом, концентрированная солнечная энергия и концентрированная фотоэлектрическая энергия полагаются только на ( коллимированный ) свет, исходящий непосредственно от Солнца. По этой причине концентрированная солнечная энергия более чувствительна к загрязнению, чем традиционная фотоэлектрическая энергия. Типичные потери мощности, вызванные загрязнением, в 8–14 раз выше для концентрированной солнечной энергии, чем для фотоэлектрических систем. ^[5]

Влияние географии и метеорологии

Потери от загрязнения сильно различаются от региона к региону и внутри регионов. ^{[3] [6] [7] [8]}

Скорость загрязнения отложений зависит от географических факторов, таких как близость к пустыням, сельскому хозяйству, промышленности и дорогам, поскольку они, вероятно, являются источниками переносимых по воздуху частиц . Если место находится близко к источнику взвешенных в воздухе частиц, риск потерь от загрязнения высок. ^[9]

Скорость загрязнения (см. определение ниже) варьируется от сезона к сезону и от места к месту, но обычно составляет от 0% до 1% в день. ^[1] Тем не менее, средняя скорость осаждения достигает 2,5% в день для обычных фотоэлектрических элементов в Китае. ^[1] При использовании концентрированной солнечной энергии скорость загрязнения достигает 5% в день. ^[1] В регионах с высоким уровнем загрязнения загрязнение может стать существенным фактором потерь электроэнергии. В качестве крайнего примера можно отметить, что общие потери из-за загрязнения фотоэлектрической системы в городе Хелуан (Египет) в какой-то момент достигли 66%. ^[10] Загрязнение в Хелуане было связано с пылью из близлежащей пустыни и загрязнением местной промышленности. Существует несколько инициатив по составлению карты риска загрязнения в различных регионах мира. ^{[3] [11] [12]}

Потери загрязнения также зависят от метеорологических параметров, таких как дождь, температура, ветер, влажность и облачность. ^[13] Наиболее важным метеорологическим фактором является средняя частота дождя, ^[9] поскольку дождь может смыть грязь с солнечных панелей / зеркал . Если на данном участке в течение всего года идут постоянные дожди, потери от загрязнения, скорее всего, будут небольшими. Однако небольшой дождь и роса также могут привести к усилению прилипания частиц, увеличивая потери от загрязнения. ^{[13] [14] [15]} Некоторые климатические условия благоприятствуют росту биологического загрязнения, но неизвестны решающие факторы. ^[4] Зависимость загрязнения от климата и погоды – сложный вопрос. По состоянию на 2019 год невозможно точно предсказать степень загрязнения на основе метеорологических параметров. ^[1]

Количественная оценка потерь от загрязнения

Уровень загрязнения фотоэлектрической системы можно выразить с помощью коэффициента загрязнения ( SR ), определенного в техническом стандарте IEC 61724-1 ^[16] как:

$${\displaystyle SR={\frac {\text{Actual power output}}{\text{Expected power output if clean}}}.}$$

Следовательно, если загрязнения нет, и если загрязнение настолько сильное, что в фотоэлектрической системе нет производства. Альтернативным показателем являются потери от загрязнения ( SL ), которые определяются как . Потери от загрязнения представляют собой долю энергии, потерянной из-за загрязнения. ${\displaystyle SR=1}$ ${\displaystyle SR=0}$ ${\displaystyle SL=1-SR}$

Скорость осаждения загрязнений (или скорость загрязнения ) — это скорость изменения потерь от загрязнений, обычно выраженная в %/день. Обратите внимание, что большинство источников определяют скорость загрязнения как положительную в случае увеличения потерь от загрязнения» ^{[1] [17] [18],} но в некоторых источниках используется противоположный знак [NREL]. ^[3]

Процедура измерения степени загрязнения фотоэлектрических систем приведена в IEC 61724-1. ^[16] Этот стандарт предполагает использование двух фотоэлектрических устройств , при этом одно из них остается для накопления почвы, а другое содержится в чистоте. Коэффициент загрязнения оценивается отношением выходной мощности загрязненного устройства к его ожидаемой выходной мощности, если бы оно было чистым. Ожидаемая выходная мощность рассчитывается с использованием калибровочных значений и измеренного тока короткого замыкания чистого устройства. Эту установку также называют «станцией измерения загрязнения» или просто «станцией загрязнения». ^{[9] [19]}

Были предложены методы оценки степени загрязнения и скорости осаждения загрязнений фотоэлектрических систем без использования специальных станций загрязнения, ^{[17] [20] [21],} включая методы для систем, использующих двусторонние солнечные элементы , которые вводят новые переменные и проблемы в оценке загрязнения, которые монофациальные системы не имеют. ^[22] Эти процедуры позволяют определить степень загрязнения на основе характеристик фотоэлектрических систем . Проект по составлению карты потерь от загрязнения на территории Соединенных Штатов был начат в 2017 году. ^[3] Этот проект основан на данных как со станций загрязнения, так и с фотоэлектрических систем, и использует метод, предложенный в ^[20] , для определения коэффициентов загрязнения и скорости загрязнения. .

Методы смягчения последствий

Существует множество различных вариантов уменьшения потерь от загрязнения: от выбора места и очистки до электродинамического удаления пыли. Оптимальный метод смягчения последствий зависит от типа загрязнения, скорости осаждения , наличия воды, доступности участка и типа системы. ^[1] Например, традиционные фотоэлектрические системы связаны с другими проблемами, чем концентрированная солнечная энергия , крупномасштабные системы требуют иных проблем, чем меньшие системы на крыше , а системы с фиксированным наклоном связаны с другими проблемами, чем системы с солнечными трекерами . Наиболее распространенными методами смягчения последствий являются:

• Выбор места и проектирование системы. Влияние загрязнения можно смягчить путем тщательного планирования при выборе места и проектировании системы . В пределах региона могут быть большие различия в скорости осаждения загрязнений. ^[8] Местные различия в скорости осаждения загрязнений в основном определяются близостью к дорогам, сельскому хозяйству и промышленности, а также заметным направлением ветра. ^[9] Еще одним важным фактором является угол наклона солнечных панелей. ^[13] Большие углы наклона приводят к меньшему накоплению загрязнений и более высокой вероятности дождя, оказывающего очищающий эффект. Это следует учитывать на этапе проектирования. Если система оснащена солнечными трекерами , солнечные панели (или зеркала в случае концентрированной солнечной энергии ) в ночное время следует укладывать под максимальным углом наклона (или перевернутыми, если это возможно). ^[1] Таким образом, загрязнение является проблемой для проектировщиков систем, а не только для операторов систем. ^[1]
• Конструкция солнечной панели: Солнечные панели могут быть спроектированы так, чтобы минимизировать воздействие загрязнения. Это включает использование солнечных элементов меньшего размера (например, полуэлементов), панелей без рамок (чтобы избежать скопления грязи по краям) или альтернативных электрических конфигураций (например, большего количества байпасных диодов , которые позволяют току проходить через загрязненные части панели). ^[1] В будущем ожидается увеличение доли солнечных панелей с полуэлементами и без каркасов. ^{[ нужна цитата ]}

Это означает, что в будущем можно ожидать, что солнечные панели будут более устойчивы к потерям от загрязнения.

Было показано, что нанопроволоки, подвергнутые мокрому химическому травлению , и гидрофобное покрытие на поверхностных каплях воды способны удалять 98% частиц пыли. ^{[23] [24]}

• Очистка: Самый распространенный способ уменьшить потери от загрязнения — это очистка солнечных панелей / зеркал . Очистка может быть ручной, полуавтоматической или полностью автоматической. При ручной уборке люди используют щетки или швабры. Это требует небольших капиталовложений, но имеет высокую стоимость рабочей силы. Полуавтоматическая очистка предполагает использование людьми для очистки машин, обычно трактора , оснащенного вращающейся щеткой. ^[25]

Этот подход требует более высоких капиталовложений, но предполагает меньшие трудозатраты, чем ручная очистка. Полностью автоматическая очистка предполагает использование роботов, которые очищают солнечные панели в ночное время. ^[26]

Этот подход требует самых высоких капитальных затрат, но не требует ручного труда, за исключением обслуживания роботов. Все три метода могут использовать или не использовать воду. Обычно вода делает очистку более эффективной. Однако, если вода является дефицитным или дорогим ресурсом на данном объекте, предпочтение может быть отдано химчистке. ^[4] См. «Экономические последствия типичных затрат на уборку».

• Незагрязняющие покрытия: Незагрязняющие покрытия — это покрытия, которые наносятся на поверхность солнечных батарей или зеркал с целью уменьшения прилипания пыли и грязи. Некоторые грязеотталкивающие покрытия предназначены для повышения свойств самоочистки, т.е. вероятности того, что поверхность будет очищена дождем. ^[27]

Покрытие можно наносить на панели/зеркала во время производства или модернизировать после их установки. По состоянию на 2019 год какая-либо конкретная технология защиты от загрязнения не получила широкого распространения, в основном из-за недостаточной долговечности. ^[1]

• Электродинамические экраны: Электродинамические экраны представляют собой сетки из проводящих проводов, встроенных в поверхность солнечных панелей или зеркал . Изменяющиеся во времени электромагнитные поля создаются путем подачи переменного напряжения в сеть. Поле взаимодействует с осаждаемыми частицами, удаляя их с поверхности. Эта технология жизнеспособна, если энергия, необходимая для удаления пыли, меньше энергии, получаемой за счет снижения потерь от загрязнения. По состоянию на 2019 год эта технология была продемонстрирована в лаборатории, но ее еще предстоит проверить в полевых условиях. ^[1]
• Электростатическое пылеудаление ^{[28] [29]}

Экономические последствия

Стоимость уборки зависит от того, какая техника уборки используется и стоимости рабочей силы на данном объекте. Кроме того, существует разница между крупномасштабной электростанцией и системами на крыше . Стоимость очистки крупномасштабных систем варьируется от 0,015 евро/м ² в самых дешевых странах до 0,9 евро/м ² в Нидерландах . ^[1] Сообщается, что стоимость очистки систем на крыше составляет всего 0,06 евро/м ² в Китае и целых 8 евро/м ² в Нидерландах. ^[1]

Загрязнение приводит к снижению выработки электроэнергии в поврежденном солнечном энергетическом оборудовании. Независимо от того, тратятся ли деньги на уменьшение потерь от загрязнения, загрязнение приводит к снижению доходов владельцев системы. Величина потери дохода зависит главным образом от затрат на устранение загрязнения, скорости осаждения загрязнений и частоты дождя в данном месте. Ильзе и др. По оценкам, глобальные среднегодовые потери от загрязнения в 2018 году составят от 3% до 4%. ^[1] Эта оценка была сделана исходя из предположения, что все солнечные энергетические системы очищаются с оптимальной фиксированной частотой. Исходя из этой оценки, общая стоимость загрязнения (включая потери электроэнергии и затраты на смягчение последствий) в 2018 году оценивалась в сумму от 3 до 5 миллиардов евро. ^[1] К 2023 году эта сумма может вырасти до 4–7 миллиардов евро. ^[1] Метод получения потерь мощности, энергетических потерь и экономических потерь из-за загрязнения непосредственно из временных рядов данных фотоэлектрической системы дистанционного мониторинга обсуждался в ^[30] , которые могут помочь владельцам фотоэлектрических активов своевременно очищать панели.

Смотрите также

• Солнечная энергия
• Солнечная энергия
• Фотовольтаика
• Фотоэлектрическая система
• Фотоэлектрическая электростанция
• Производительность фотоэлектрической системы
• Солнечный трекер
• Солнечная панель
• Солнечная батарея
• Концентратор фотогальваники
• Концентрированная солнечная энергия
• Гелиостат

Рекомендации

1. Ильзе К., Микели Л., Фиггис Б.В., Ланге К., Дасслер Д., Ханифи Х., Вольфертстеттер Ф., Науманн В., Хагендорф С., Готтшалг Р., Багдан Дж. (2019). «Технико-экономическая оценка потерь от загрязнения и стратегии смягчения последствий для производства солнечной энергии». Джоуль . 3 (10): 2303–2321. дои : 10.1016/j.joule.2019.08.019 . hdl : 11573/1625631 .
2. «Дом». radsglobal.nl .
3. «Карта загрязнения фотоэлектрического модуля». Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии . 11 октября 2017 г. Проверено 3 декабря 2020 г.
4. Тот С. и др. (2018). «Загрязнение и очистка: первоначальные наблюдения в результате 5-летнего исследования долговечности фотоэлектрических стеклянных покрытий». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 185 : 375–384. doi :10.1016/j.solmat.2018.05.039. hdl : 11573/1625593 . ОСТИ  1458821. S2CID  103082921 . Проверено 10 декабря 2020 г.
5. Беллманн П. и др. (2020). «Сравнительное моделирование оптических потерь от загрязнения для CSP и фотоэлектрических энергетических систем». Солнечная энергия . 197 : 229–237. Бибкод : 2020SoEn..197..229B. doi :10.1016/j.solener.2019.12.045. S2CID  214380908 . Проверено 4 декабря 2020 г.
6. Ли X, Маузералл Д, Бергин М (2020). «Глобальное снижение эффективности производства солнечной энергии из-за аэрозолей и загрязнения панелей». Устойчивость природы . 3 (9): 720–727. Бибкод : 2020NatSu...3..720L. дои : 10.1038/s41893-020-0553-2. S2CID  219976569 . Проверено 4 декабря 2020 г.
7. Бойл Л. и др. (2017). «Пространственная изменчивость загрязнения фотоэлектрической крышки и последующие потери передачи солнечной энергии в региональном и национальном масштабе». Журнал IEEE по фотоэлектрической энергии . 7 (5): 1354–1361. дои : 10.1109/JPHOTOV.2017.2731939 .
8. Гостайн М и др. (2018). «Локальная изменчивость степени загрязнения фотоэлектрических систем». 7-я Всемирная конференция IEEE по преобразованию фотоэлектрической энергии (WCPEC) 2018 г. (совместная конференция 45-й IEEE PVSC, 28-й PVSEC и 34-й PVSEC ЕС) . стр. 3421–3425. дои : 10.1109/PVSC.2018.8548049. ISBN 978-1-5386-8529-7. S2CID  54442001 . Проверено 4 декабря 2020 г.
9. Микели Л., Мюллер М. (2017). «Исследование ключевых параметров для прогнозирования потерь фотоэлектрических систем от загрязнения». Прогресс в фотоэлектрической энергетике: исследования и приложения . 25 (4): 291–307. дои : 10.1002/pip.2860 . hdl : 11573/1625654 .
10. Хасан А., Рахома У., Эльминир Х. (2005). «Влияние концентрации пыли в воздухе на работу фотоэлектрических модулей». Журнал астрономического общества Египта . 13 : 24–38.
11. Херрманн Дж. и др. (2014). «Моделирование загрязнения остекленных материалов в засушливых регионах с помощью географических информационных систем (ГИС)». Энергетическая процедура . 48 : 715–720. Бибкод : 2014EnPro..48..715H. дои : 10.1016/j.egypro.2014.02.083 .
12. Асенсио-Васкес Дж. и др. (2019). «Методология классификации климата Кеппена-Гейгера-Фотоэлектрической и последствия для мирового картирования производительности фотоэлектрических систем». Солнечная энергия . 191 : 672–685. Бибкод : 2019SoEn..191..672A. doi : 10.1016/j.solener.2019.08.072 .
13. Гупта V и др. (2019). «Комплексный обзор воздействия пыли на солнечную фотоэлектрическую систему и методов его смягчения». Солнечная энергия . 191 : 596–622. Бибкод : 2019SoEn..191..596G. doi :10.1016/j.solener.2019.08.079. S2CID  204183366 . Проверено 4 декабря 2020 г.
14. Фиггис Б и др. (2017). «Влияние времени суток и воздействия на загрязнение фотоэлектрических систем». Международная конференция по возобновляемым источникам энергии и устойчивой энергетике (IRSEC), 2017 г. стр. 1–4. doi : 10.1109/IRSEC.2017.8477575. ISBN 978-1-5386-2847-8. S2CID  52917434 . Проверено 9 октября 2018 г.
15. Ильза К. и др. (2018). «Роса как фактор, губительно влияющий на загрязнение фотоэлектрических модулей». Журнал IEEE по фотоэлектрической энергии . 9 (1): 287–294. doi :10.1109/JPHOTOV.2018.2882649. S2CID  56718679 . Проверено 12 декабря 2018 г.
16. IEC 61724-1:2017 – Характеристики фотоэлектрической системы – Часть 1: Мониторинг (1.0 изд.). Международная электротехническая комиссия (МЭК). 2017.
17. Кимбер А. и др. (2006). «Влияние загрязнения на крупные фотоэлектрические системы, подключенные к сети, в Калифорнии и юго-западном регионе США». 2006 г. 4-я Всемирная конференция IEEE по фотоэлектрической энергии . Том. 2. С. 2391–2395. doi : 10.1109/WCPEC.2006.279690. ISBN 1-4244-0016-3. S2CID  9613142 . Проверено 13 июня 2018 г.
18. Микели Л. и др. (2020). «Извлечение и создание фотоэлектрических профилей загрязнения для анализа, прогнозирования и оптимизации очистки». Журнал IEEE по фотоэлектрической энергии . 10 (1): 197–205. doi :10.1109/JPHOTOV.2019.2943706. hdl : 11573/1625584 . ОСТИ  1593090. S2CID  209457861 . Проверено 7 декабря 2020 г.
19. Гостайн М., Дастер Т., Туман С. (2015). «Точное измерение фотоэлектрических потерь от загрязнения с помощью станции загрязнения, использующей модульные измерения мощности». 2015 IEEE 42-я конференция специалистов по фотоэлектрической энергии (PVSC) . стр. 1–4. дои : 10.1109/PVSC.2015.7355993. ISBN 978-1-4799-7944-8. S2CID  39240632 . Проверено 3 декабря 2020 г.
20. Deceglie M, Микели Л, Мюллер М (2018). «Количественная оценка потерь от загрязнения непосредственно на основе солнечной энергии». Журнал IEEE по фотоэлектрической энергии . 8 (2): 547–551. doi : 10.1109/JPHOTOV.2017.2784682 .
21. Скомедал А, Деселье М (2020). «Комбинированная оценка потерь от деградации и загрязнения в фотоэлектрических системах». Журнал IEEE по фотоэлектрической энергии . 10 (6): 1788–1796. doi : 10.1109/JPHOTOV.2020.3018219 . HDL : 11250/2689259 .
22. Грау-Люк, Энрик; Антонансас-Торрес, Фернандо; Эскобар, Родриго (15 октября 2018 г.). «Влияние загрязнения двусторонних фотоэлектрических модулей и оптимизация графика очистки». Преобразование энергии и управление . 174 : 615–625. Бибкод : 2018ECM...174..615L. doi :10.1016/j.enconman.2018.08.065. ISSN  0196-8904.
23. American Associates, Университет Бен-Гуриона в Негеве (9 декабря 2019 г.). «Исследователи разрабатывают новый метод удаления пыли с солнечных батарей». Университет Бен-Гуриона в Негеве . Проверено 3 января 2020 г.
24. Хекенталер, Табеа; Садхуджан, Сумеш; Моргенштерн, Яков; Натараджан, Пракаш; Башути, Мухаммед; Кауфман, Яир (3 декабря 2019 г.). «Механизм самоочистки: почему важны нанотекстура и гидрофобность». Ленгмюр . 35 (48): 15526–15534. doi : 10.1021/acs.langmuir.9b01874. ISSN  0743-7463. PMID  31469282. S2CID  201673096.
25. Джонс Р. и др. (2016). «Оптимизированная стоимость и график очистки на основе наблюдаемых условий загрязнения фотоэлектрических установок в Центральной Саудовской Аравии». Журнал IEEE по фотоэлектрической энергии . 6 (3): 730–738. doi :10.1109/JPHOTOV.2016.2535308. S2CID  20829937 . Проверено 4 июня 2018 г.
26. Деб Д., Брамбхатт Н. (2018). «Обзор увеличения производительности солнечных панелей за счет предотвращения загрязнения и предлагаемое решение для автоматической безводной очистки». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 82 : 3306–3313. дои :10.1016/j.rser.2017.10.014 . Проверено 6 июня 2019 г.
27. Мидтдал К., Джелле Б (2013). «Самоочищающиеся изделия для остекления: современный обзор и направления будущих исследований». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 109 : 126–141. doi :10.1016/j.solmat.2012.09.034. HDL : 11250/2436345 . Проверено 7 декабря 2020 г.
28. «Статическое электричество может защитить солнечные панели пустыни от пыли» . Новый учёный . Проверено 18 апреля 2022 г.
29. Панат, Шридат; Варанаси, Крипа К. (11 марта 2022 г.). «Электростатическое удаление пыли с использованием индукции заряда с помощью адсорбированной влаги для устойчивой работы солнечных панелей». Достижения науки . 8 (10): eabm0078. Бибкод : 2022SciA....8M..78P. doi : 10.1126/sciadv.abm0078. ISSN  2375-2548. ПМЦ 8916732 . ПМИД  35275728. 
30. Гош, С.; Рой, JN; Чакраборти, К. (2022). «Модель для определения загрязнения, затенения и тепловых потерь на основе данных о солнечной энергии». Чистая энергия . 6 (2): 372–391. дои : 10.1093/ce/zkac014 .

Внешние ссылки

• Карта загрязнения фотоэлектрического модуля (США)