09.07.2017
Профессор инженер-герцог Майкл Бергин, Университет Дьюка (слева) с коллегой из индийского института технологий Гандинагар Чинмайом Горой (справа) рядом с крайне пыльной панелью солнечных батарей университета.
Глобальное производство солнечной энергии сильно страдает из-за загрязнений воздуха и пыли. Согласно новому исследованию, частицы пыли в воздухе, а также их накопление на солнечных элементах сокращают выход энергии более чем на 25 %, в отдельных местах планеты. Наиболее пострадавшие от этой проблемы страны - те, где больше всего инвестируют в солнечные энергетические установки: Китай, Индия и Аравийский полуостров.
Исследование на эту тему было опубликовано в конце июня в журнале «Экологические науки и технологии».
«Мои коллеги в Индии демонстрировали мне некоторые из своих установок на крыше, и я был потрясен тем, насколько грязными были солнечные панели. Я понимал, что грязь должна повлиять на эффективность установок, но не было никаких исследований, оценивающих эти потери. Поэтому мы создали модель для исследования данной проблемы» - сказал Майкл Бергин, профессор гражданской и экологической инженерии в Университете Дьюка, ведущий автор исследования.
Вместе с коллегами из Индийского технологического института Гандинагар и Университета Висконсина в Мэдисоне Бергин измерил разницу в произведенной солнечными батареями IITGN энергии. Полученные данные показали 50 % разницу в производительности каждый раз, когда солнечные модули очищали после загрязнений, получаемых за несколько недель.
Исследователи также проанализировали состав грязи. Анализ показал, что 92 % - это натуральная пыль, оставшаяся фракция состояла из углеродных и ионных загрязнителей, получаемых от человеческой активности. Этот объем может показаться небольшим, однако солнечный свет наиболее эффективно блокируется как раз искусственными частицами, а не природной пылью. Вклад человека в потери энергии намного больше, чем у пыли, это делает два источника примерно равными антагонистами.
«Искусственные частицы небольшие и очень липкие, очистить от них панели намного сложнее», - сказал Бергин, «Очевидным решением может показаться просто более частое очищение солнечных батарей. Но чем чаще вы чистите солнечные батареи, тем выше риск их повреждения».
Ранее анализируя загрязняющие вещества, обесцвечивающие индийский Тадж-Махал, Бергин уже хорошо знал, как их частицы реагируют на солнечный свет. Используя свои ранние исследования в качестве основы, он создал уравнение, которое точно оценивает количество солнечного света, заблокированного различными составами пыли в накопленных загрязнениях на солнечной панели.
Но загрязнение солнечных панелей - это не единственное, что блокирует солнечный свет, такой же эффект обеспечивают частицы пыли в воздухе. Чтобы получить вторую часть уравнения блокировки солнечного света, Бергин обратился к Дрю Шинделлу, профессору климатических наук и эксперту по использованию Глобальной климатической модели NASA GISS.
Поскольку в климатической модели уже учитывается количество солнечной энергии, заблокированной различными типами частиц, переносимых по воздуху, не было никакого смысла оценивать влияние частиц на солнечную энергию. Модель NASA также оценивает количество твердых частиц, осевших на поверхности по всему миру. Эти данные составляют основу уравнения Бергина для расчета того, сколько солнечного света будет заблокировано накопленной пылью и загрязнениями.
Полученные расчеты позволяют оценить общую потерю производства солнечной энергии в каждой части мира. В то время как Соединенные Штаты имеют относительно небольшой % пыли, загрязняющей воздух, более засушливые регионы, такие как Аравийский полуостров, Северная Индия и Восточный Китай, испытывают большие потери - от 17 до 25 %, при условии ежемесячной чистки панелей. Если чистку производить раз в два месяца, эти цифры могут достичь показателя в 35 %.
Существует несколько переменных, которые влияют на производство солнечной энергии на местном и региональном уровнях. Например, большая стройка способна вызвать быстрое накопление пыли на расположенной недалеко солнечной батарее.
«Китай насчитывает десятки миллиардов долларов потерь солнечной энергии ежегодно, причем более 80 % из них приходится на потери из-за загрязнений», - сказал Бергин, «из-за все более активного внедрения возобновляемых источников энергии в Китае этот показатель будет лишь расти».
Ученый добавил: «Мы всегда знали, что эти загрязнения опасны для здоровья человека и климата, но теперь мы доказали, что они опасны еще и для солнечной энергии. Это - еще одна причина, по которой политики и промышленники всего мира обязаны жестко контролировать уровень выбросов».