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La poussière qui s’accumule sur les panneaux solaires est un problème majeur, mais le nettoyage des panneaux utilise d’énormes quantités d’eau. Les ingénieurs du MIT viennent de mettre au point une méthode de nettoyage sans eau pour dépoussiérer les installations solaires dans les régions où l’eau est limitée, améliorant ainsi l’efficacité globale. Crédit : avec l’aimable autorisation des chercheurs
Une nouvelle méthode de nettoyage pourrait enlever la poussière sur les installations solaires dans les régions où l’eau est limitée, améliorant ainsi l’efficacité globale.
L’énergie solaire devrait atteindre 10 % de la production mondiale d’électricité d’ici à 2030, et une grande partie de cette production sera probablement située dans des zones désertiques, où la lumière du soleil est abondante. Mais l’accumulation de poussière sur les panneaux solaires ou les miroirs est déjà un problème important – elle peut réduire le rendement des panneaux photovoltaïques de 30 % en un mois seulement – et un nettoyage régulier est donc essentiel pour ces installations.
Mais on estime que le nettoyage des panneaux solaires utilise actuellement environ 10 milliards de gallons d’eau par an, soit suffisamment pour fournir de l’eau potable à 2 millions de personnes. Les tentatives de nettoyage sans eau demandent beaucoup de travail et ont tendance à provoquer des rayures irréversibles sur les surfaces, ce qui réduit également l’efficacité. Aujourd’hui, une équipe de chercheurs de MIT has devised a way of automatically cleaning solar panels, or the mirrors of solar thermal plants, in a waterless, no-contact system that could significantly reduce the dust problem, they say.
The new system uses electrostatic repulsion to cause dust particles to detach and virtually leap off the panel’s surface, without the need for water or brushes. To activate the system, a simple electrode passes just above the solar panel’s surface, imparting an electrical charge to the dust particles, which are then repelled by a charge applied to the panel itself. The system can be operated automatically using a simple electric motor and guide rails along the side of the panel. The research is described on March 11, 2022, in the journal Science Advances, in a paper by MIT graduate student Sreedath Panat and professor of mechanical engineering Kripa Varanasi.
Malgré les efforts concertés déployés dans le monde entier pour développer des panneaux solaires toujours plus performants, Varanasi affirme qu'”un problème banal comme la poussière peut en fait porter un sérieux coup à l’ensemble.” Les tests de laboratoire menés par Panat et Varanasi ont montré que la baisse de la production d’énergie des panneaux est brutale au tout début du processus d’accumulation de la poussière et peut facilement atteindre 30 % de réduction après seulement un mois sans nettoyage. Ils ont calculé que même une réduction de 1 % de la puissance d’une installation solaire de 150 mégawatts pourrait entraîner une perte de 200 000 dollars de revenus annuels. Les chercheurs affirment qu’à l’échelle mondiale, une réduction de 3 à 4 % de la production d’électricité des centrales solaires représenterait une perte comprise entre 3,3 et 5,5 milliards de dollars.
“Il y a tellement de travail en cours dans les matériaux solaires”, dit Varanasi. “Ils repoussent les limites, essayant de gagner quelques pour cent ici et là en améliorant l’efficacité, et ici vous avez quelque chose qui peut oblitérer tout cela immédiatement.”
La plupart des plus grandes installations d’énergie solaire dans le monde, notamment en Chine, en Inde, aux Émirats arabes unis et aux États-Unis, sont situées dans des régions désertiques. L’eau utilisée pour nettoyer ces panneaux solaires à l’aide de jets d’eau sous pression doit être acheminée par camion depuis une certaine distance et doit être très pure pour éviter de laisser des dépôts sur les surfaces. Le nettoyage à sec est parfois utilisé mais il est moins efficace pour nettoyer les surfaces et peut provoquer des rayures permanentes qui réduisent également la transmission de la lumière.
Le nettoyage de l’eau représente environ 10 % des coûts d’exploitation des installations solaires. Le nouveau système pourrait potentiellement réduire ces coûts tout en améliorant le rendement énergétique global en permettant des nettoyages automatisés plus fréquents, affirment les chercheurs.
Le nouveau système utilise la répulsion électrostatique pour que les particules de poussière se détachent et sautent virtuellement de la surface du panneau, sans avoir besoin d’eau ou de brosses. Crédit : avec l’aimable autorisation des chercheurs
“L’empreinte sur l’eau de l’industrie solaire est époustouflante”, affirme M. Varanasi, et elle va augmenter à mesure que ces installations continueront de se développer dans le monde. “L’industrie doit donc être très prudente et réfléchir à la manière de faire de cette solution une solution durable.”
D’autres groupes ont essayé de développer des solutions basées sur l’électrostatique, mais celles-ci reposent sur une couche appelée écran électrodynamique, utilisant des électrodes interdigitées. Ces écrans peuvent présenter des défauts qui permettent à l’humidité de s’infiltrer et entraînent leur défaillance, explique M. Varanasi. S’ils peuvent être utiles dans un endroit comme Mars, he says, where moisture is not an issue, even in desert environments on Earth this can be a serious problem.
The new system they developed only requires an electrode, which can be a simple metal bar, to pass over the panel, producing an electric field that imparts a charge to the dust particles as it goes. An opposite charge applied to a transparent conductive layer just a few nanometers thick deposited on the glass covering of the the solar panel then repels the particles, and by calculating the right voltage to apply, the researchers were able to find a voltage range sufficient to overcome the pull of gravity and adhesion forces, and cause the dust to lift away.
Using specially prepared laboratory samples of dust with a range of particle sizes, experiments proved that the process works effectively on a laboratory-scale test installation, Panat says. The tests showed that humidity in the air provided a thin coating of water on the particles, which turned out to be crucial to making the effect work. “We performed experiments at varying humidities from 5 percent to 95 percent,” Panat says. “As long as the ambient humidity is greater than 30 percent, you can remove almost all of the particles from the surface, but as humidity decreases, it becomes harder.”
Varanasi says that “the good news is that when you get to 30 percent humidity, most deserts actually fall in this regime.” And even those that are typically drier than that tend to have higher humidity in the early morning hours, leading to dew formation, so the cleaning could be timed accordingly.
“Moreover, unlike some of the prior work on electrodynamic screens, which actually do not work at high or even moderate humidity, our system can work at humidity even as high as 95 percent, indefinitely,” Panat says.
In practice, at scale, each solar panel could be fitted with railings on each side, with an electrode spanning across the panel. A small electric motor, perhaps using a tiny portion of the output from the panel itself, would drive a belt system to move the electrode from one end of the panel to the other, causing all the dust to fall away. The whole process could be automated or controlled remotely. Alternatively, thin strips of conductive transparent material could be permanently arranged above the panel, eliminating the need for moving parts.
By eliminating the dependency on trucked-in water, by eliminating the buildup of dust that can contain corrosive compounds, and by lowering the overall operational costs, such systems have the potential to significantly improve the overall efficiency and reliability of solar installations, Varanasi says.
Reference: “Electrostatic dust removal using adsorbed moisture–assisted charge induction for sustainable operation of solar panels” by Sreedath Panat and Kripa K. Varanasi, 11 March 2022, Science Advances.
DOI: 10.1126/sciadv.abm0078
The research was supported by Italian energy firm Eni. S.p.A. through the MIT Energy Initiative.
