سولارابيك – ماساتشوستس، أمريكا – 11 مارس 2022: ابتكر فريق من الباحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا «MIT» طريقة للتنظيف التلقائي للألواح الشمسية، أو مرايا محطات الطاقة الشمسية الحرارية، في نظام لا يحتوي على مياه يمكن أن يقلل بشكل كبير من مشكلة الغبار في الأنظمة الشمسية.
تفاصيل النظام الجديد
يعتمد نظام التنظيف الجديد في مبدأه على التنافر الكهروستاتيكي للتسبب في انفصال جزيئات الغبار وقفزها عملياً عن سطح اللوح، دون الحاجة إلى المياه أو الفرشاة.
يقوم النظام بتمرير قطب كهربائي بسيط فوق سطح اللوح الشمسي مباشرة، مما يتسبب بنقل شحنة كهربائية إلى جزيئات الغبار، والتي يتم صدها بعد ذلك بوساطة شحنة معاكسة مطبقة على طبقة موصلة شفافة بسماكة بضع نانومترات فقط تترسب على الغطاء الزجاجي للوح الشمسي، ويمكن تشغيل النظام تلقائياً باستخدام محرك كهربائي بسيط وسكك توجيه على طول جانب اللوحة.
لا يتطلب النظام الجديد المطور سوى قطب كهربائي، يمكن أن يكون قضيباً معدنياً بسيطاً يتم تمريره فوق اللوح، وتمكن الباحثون من خلال حساب الجهد الكهربائي المناسب للتطبيق من العثور على مجال جهد كافي للتغلب على قوة الجاذبية وقوى الالتصاق، مؤدياً إلى رفع الغبار عن اللوح.
حول البحث
قام بكتابة البحث سريداث بانات وهو طالب الدراسات العليا بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا «MIT» بالاشتراك مع أستاذ الهندسة الميكانيكية كريبا فاراناسي، وتم نشر البحث في مجلة «ساينس أدفانسز – Science Advances»، حيث أثبتت التجارب باستخدام عينات من الغبار معدة خصيصاً في المختبر بأحجام مختلفة، أن هذه التقنية تعمل بشكل فعال على مستوى مختبري، وأضاف بانات أن هذه الاختبارات قد أظهرت أن الرطوبة في الهواء توفر طبقة رقيقة من الماء عي الجسيمات حيث تبين أنها ضرورية لإنجاح التأثير.
في حين حاولت مجموعات أخرى تطوير حلول قائمة على الكهرباء الساكنة، لكنها اعتمدت على طبقة تسمى الشاشة الكهروديناميكية، باستخدام أقطاب كهربائية متداخلة، ولكن يمكن أن تحتوي هذه الشاشات على عيوب قد تسمح للرطوبة بالوصول إلى الداخل وتتسبب في تلفها.
وعلى نطاق أوسع، يمكن من الناحية العملية تزويد كل لوح شمسي بسكك على كل جانب، مع قطب كهربائي ممتد على طول اللوح، حيث يتم تحريكه بين طرفي اللوح باستخدام نظام الحزام الناقل الذي يتم قيادته بوساطة محرك كهربائي صغير يتم تشغيله باستخدام الطاقة الكهربائية الناتجة من اللوح نفسه.
يمكن أتمتة كامل العملية أو التحكم فيها عن بُعد، ويمكن تثبيت شرائح رقيقة من مادة شفافة موصلة بشكل دائم فوق اللوح، مما يلغي الحاجة إلى الأجزاء المتحركة.
تم دعم البحث من قبل شركة الطاقة الإيطالية «Eni. S.p.A.» من خلال مبادرة MIT للطاقة.
أهمية البحث
تقع العديد من أكبر منشآت الطاقة الشمسية في العالم في المناطق الصحراوية، بما في ذلك تلك الموجودة في الصين والهند والإمارات العربية المتحدة وأمريكا، حيث يمثل تراكم الغبار على الألواح الشمسية مشكلة كبيرة، وأظهرت الاختبارات المعملية التي أجراها الباحثون أن انخفاض إنتاج الطاقة من الألواح يحدث بشكل حاد في بداية عملية تراكم الغبار، ويمكن أن يصل بسهولة إلى انخفاض بنسبة 30% في شهر واحد فقط دون تنظيف.
يقول الباحثون إن التخفيض بنسبة 3 إلى 4 في المائة في إنتاج الطاقة من محطات الطاقة الشمسية على مستوى العالم سيؤدي إلى خسارة تتراوح بين 3.3 و5.5 مليار دولار أمريكي، لذلك يعد التنظيف المنتظم ضروري لهذه الألواح.
يتم نقل المياه المستخدمة في تنظيف الألواح الشمسية باستخدام نفاثات مائية مضغوطة بالشاحنات من مسافة بعيدة، ويجب أن تكون المياه نقية جداً لتجنب ترك رواسب على الأسطح. يُستخدم الغسل الجاف أحياناً ولكنه أقل فعالية في تنظيف الأسطح ويمكن أن يتسبب في خدش دائم يخفض كفاءة الألواح.
يستهلك تنظيف الألواح الشمسية حوالي 10 مليارات جالون من المياه النقية سنوياً، ما يكفي لتزويد مليوني شخص بمياه الشرب، ويشكل التنظيف بالمياه حوالي 10% من تكاليف تشغيل منشآت الطاقة الشمسية.
يقول الباحثون إن النظام الجديد يمكن أن يقلل هذه التكاليف مع تحسين إنتاج الطاقة الإجمالي من خلال السماح بعمليات تنظيف آلية أكثر تكراراً. ومن خلال ماسبق، بالإضافة إلى إنهاء الاعتماد على المياه المنقولة بالشاحنات، والقضاء على تراكم الغبار الذي يمكن أن يحتوي على مركبات أكالة، فإن هذه الأنظمة لديها القدرة على تحسين الكفاءة العامة وموثوقية المنشآت الشمسية بشكل كبير.
تعليقات المشاركين بالبحث
لقد أجرينا تجارب بدرجات رطوبة متفاوتة من 5% إلى 95 %. طالما أن الرطوبة المحيطة تزيد عن 30 %، يمكننا إزالة جميع الجزيئات تقريباً عن سطح اللوح، ولكن يصبح الأمر أكثر صعوبة مع انخفاض الرطوبة. علاوة على ذلك، يمكن لنظامنا العمل في رطوبة تصل إلى 95 بالمائة، إلى أجل غير مسمى، على عكس بعض الأعمال السابقة على الشاشات الكهروديناميكية التي لا تعمل في الواقع في رطوبة عالية أو حتى معتدلة.
سريداث بانات، طالب الدراسات العليا بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا «MIT»
إن الخبر السار هو أنه عندما تصل الرطوبة إلى 30%، فإن معظم الصحاري تقع في الواقع في هذا النظام. وحتى تلك التي عادة ما تكون أكثر جفافاً تميل إلى ارتفاع الرطوبة في ساعات الصباح الباكر، مما يؤدي إلى تكون الندى، لذلك يمكن توقيت التنظيف وفقًا لذلك.
كريبا فاراناسي، أستاذ الهندسة الميكانيكية بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا «MIT»
على الرغم من الجهود المتضافرة في جميع أنحاء العالم لتطوير ألواح شمسية أكثر كفاءة من أي وقت مضى، يمكن لمشكلة عادية مثل الغبار أن تعرقل سير الأمر برمته بشكل خطير. هناك الكثير من البحوث الجارية في المواد الشمسية، إنهم يتخطون الحدود في محاولات لتحسين الكفاءة بنسبة قليلة، ونحن لدينا هنا شيء يمكن أن يطمس كل ذلك على الفور. البصمة المائية لصناعة الطاقة الشمسية محيرة للعقل، وسوف تتزايد مع استمرار هذه المنشآت في التوسع في جميع أنحاء العالم. لذلك يجب أن تكون الصناعة حذرة للغاية ومدروسة بعناية لجعل هذا الحل مستداماً.
كريبا فاراناسي، أستاذ الهندسة الميكانيكية بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا «MIT»
تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة…
نتمنى لكم يوماً مشمساً!
المصدر: MIT
