Загрязнение (солнечная энергия)
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 традиционные 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 подразумевается как процесс накопления, так и сам накопленный материал.
Есть несколько способов уменьшить эффект загрязнения. Противогрязное 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
[ редактировать ]Загрязнение обычно вызвано отложением переносимых по воздуху частиц , включая, помимо прочего, минеральную пыль ( кремнезем металлов , оксиды , соли ), пыльцу и сажу . Однако к загрязнению также относятся снег, лед, иней , различные виды промышленных загрязнений , кислоты , птичий помет , опавшие листья, пыль сельскохозяйственных кормов , а также рост водорослей , мха , грибов , лишайников или биопленок бактерий частицы серной . [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
[ редактировать ]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 частиц в воздухе, 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] Однако средняя скорость осаждения достигает 2,5% в день для традиционных 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 вызвано 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] Важнейшим метеорологическим фактором является средняя частота дождей, [9] так как 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 биологических загрязнений, но каковы решающие факторы, неизвестно. [4] Зависимость загрязнения от климата и погоды – вопрос сложный. По состоянию на 2019 год невозможно точно предсказать степень загрязнения на основе метеорологических параметров. [1]
Количественная оценка потерь от загрязнения
[ редактировать ]Уровень загрязнения фотоэлектрической системы можно выразить коэффициентом загрязнения ( SR ), определенным в техническом стандарте IEC 61724-1. [16] как:
Следовательно, если загрязнений нет, и если , загрязнение настолько велико, что фотоэлектрическая система не работает. Альтернативным показателем являются потери от загрязнения ( SL ), которые определяются как . Потери от загрязнения представляют собой долю энергии, потерянной из-за загрязнения.
Скорость загрязнений осаждения . (или скорость загрязнения ) — это скорость изменения потерь от загрязнений, обычно выраженная в %/день Обратите внимание, что в большинстве источников скорость загрязнения определяется как положительная 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 предлагает использовать два фотоэлектрических устройства , при этом одно оставляют для накопления почвы, а другое остается чистым. 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, которых нет в односторонних системах. [22] Эти процедуры позволяют определить степень загрязнения на основе характеристик фотоэлектрических систем . Проект по составлению карты потерь от загрязнения на всей территории США был начат в 2017 году. [3] Этот проект основан на данных как станций загрязнения, так и фотоэлектрических систем, и использует метод, предложенный в [20] для определения коэффициентов загрязнения и степени загрязнения.
Методы смягчения последствий
[ редактировать ]Существует множество различных вариантов снижения потерь от загрязнения: от выбора места установки до очистки и 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] Местная изменчивость скорости осаждения загрязнений в основном определяется 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 того, что дождь окажет очищающее действие. 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] Подводя итог, загрязнение является проблемой для проектировщиков систем, а не только для системных операторов. [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 ссылка ]
- Это означает, что в будущем можно ожидать, что солнечные панели будут более устойчивы к потерям от загрязнения.
- подвергнутые мокрому химическому травлению Было показано, что нанопроволоки, , 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 машин для очистки, 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 грязезащитные покрытия предназначены для повышения свойств самоочистки, т.е. повышения 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 удаление пыли [28] [29]
Экономические последствия
[ редактировать ]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 достигает 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 составят от 3% до 4% в 2018 году. [1] Эта оценка была сделана в предположении, что все солнечные энергосистемы 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, потерь энергии и экономических потерь из-за загрязнения непосредственно из данных временных рядов фотоэлектрической системы удаленного мониторинга обсуждался в [30] что может помочь владельцам фотоэлектрических активов своевременно очищать панели.
См. также
[ редактировать ]- Солнечная энергия
- Солнечная энергия
- Фотовольтаика
- Фотоэлектрическая система
- Фотоэлектрическая электростанция
- Производительность фотоэлектрической системы
- Солнечный трекер
- Солнечная панель
- Солнечная батарея
- Концентратор фотогальваники
- Концентрированная солнечная энергия
- Гелиостат
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с Ильзе К., Микели Л., Фиггис Б.В., Ланге К., Дасслер Д., Ханифи Х., Вольфертштеттер Ф., Науманн В., Хагендорф К., Готтшалг Р., Багдан Дж. (2019). «Технико-экономическая оценка потерь от загрязнения и стратегии смягчения последствий для производства солнечной энергии» . джоули . 3 (10): 2303–2321. дои : 10.1016/j.joule.2019.08.019 . hdl : 11573/1625631 .
- ^ "Дом" . radsglobal.nl .
- ^ Перейти обратно: а б с д и «Карта загрязнения фотоэлектрического модуля» . Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии . 11 октября 2017 г. Проверено 3 декабря 2020 г.
- ^ Перейти обратно: а б с 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. дои : 10.1016/j.solmat.2018.05.039 . hdl : 11573/1625593 . ОСТИ 1458821 . S2CID 103082921 . Проверено 10 декабря 2020 г.
- ^ 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.
- ^ Ли Х, 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.
- ^ 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 .
- ^ Перейти обратно: а б 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.
- ^ Перейти обратно: а б с д 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 .
- ^ Хасан А., Рахома У., Эльминир Х. (2005). «Влияние концентрации пыли в воздухе на работу фотоэлектрических модулей». Журнал астрономического общества Египта . 13 : 24–38.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Перейти обратно: а б с Гупта В. и др. (2019). «Комплексный обзор воздействия пыли на солнечную фотоэлектрическую систему и методы 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.
- ^ 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. дои : 10.1109/IRSEC.2017.8477575 . ISBN 978-1-5386-2847-8 . S2CID 52917434 . Проверено 9 октября 2018 г.
- ^ Ильзе К. и др. (2018). «Роса как фактор, губительно влияющий на загрязнение фотоэлектрических модулей» . Журнал IEEE по фотоэлектрической энергии . 9 (1): 287–294. дои : 10.1109/JPHOTOV.2018.2882649 . S2CID 56718679 . Проверено 12 декабря 2018 г.
- ^ Перейти обратно: а б IEC 61724-1:2017 – Характеристики фотоэлектрической системы – Часть 1: Мониторинг (1.0 изд.). Международная электротехническая комиссия (МЭК). 2017.
- ^ Перейти обратно: а б 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. дои : 10.1109/WCPEC.2006.279690 . ISBN 1-4244-0016-3 . S2CID 9613142 . Проверено 13 июня 2018 г.
- ^ 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.
- ^ 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.
- ^ Перейти обратно: а б Деселье М., 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 .
- ^ 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 .
- ^ Грау-Люке, 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 . дои : 10.1016/j.enconman.2018.08.065 . ISSN 0196-8904 .
- ^ 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.
- ^ 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 . ПМИД 31469282 . S2CID 201673096 .
- ^ 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. дои : 10.1109/JPHOTOV.2016.2535308 . S2CID 20829937 . Проверено 4 июня 2018 г.
- ^ 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.
- ^ 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. дои : 10.1016/j.solmat.2012.09.034 . HDL : 11250/2436345 . Проверено 7 декабря 2020 г.
- ^ «Статическое электричество может защитить солнечные панели пустыни от пыли» . Новый учёный . Проверено 18 апреля 2022 г.
- ^ 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 . дои : 10.1126/sciadv.abm0078 . ISSN 2375-2548 . ПМЦ 8916732 . ПМИД 35275728 .
- ^ Гош, С.; Рой, JN; Чакраборти, К. (2022). «Модель для определения загрязнения, затенения и тепловых потерь на основе данных о мощности фотоэлектрических систем» . Чистая энергия . 6 (2): 372–391. дои : 10.1093/ce/zkac014 .