Wasserlose Reinigung mit Elektrostatik verspricht höhere Erträge

Weiß nicht ob hier das Modul gekühlt werden soll oder/und gereinigt aber für beides gibt es bessere Lösungen

Abstrakt

Die Staubansammlung auf Solarmodulen ist eine große Herausforderung, da sie einen großen Teil des Sonnenlichts blockiert. Solarmodule werden daher regelmäßig mit großen Mengen reinen Wassers gereinigt. Der Wasserverbrauch für die Reinigung, insbesondere in Wüsten, stellt eine erhebliche Nachhaltigkeitsherausforderung dar. Hier stellen wir einen wasserlosen Ansatz zur Staubentfernung von Solarmodulen mittels elektrostatischer Induktion vor. Wir stellen fest, dass Staubpartikel, obwohl sie hauptsächlich aus isolierendem Silica bestehen, aufgrund von Ladungsinduktion, die durch adsorbierte Feuchtigkeit unterstützt wird, elektrostatisch von Elektroden abgestoßen werden können. Wir bestimmen experimentell die Staubpartikelladung, indem wir Stokes-Experimente unter einem elektrostatischen Feld durchführen. Unter Berücksichtigung von elektrostatischen Kräften, Van-der-Waals- und Gravitationskräften definieren wir das elektrische Schwellenpotential für die Partikelentfernung. Wir demonstrieren auch die Staubentfernung über einen breiten Bereich relativer Luftfeuchtigkeit, wodurch unser Ansatz weithin anwendbar ist. Zuletzt entwickeln wir einen Prototyp im Labormaßstab und demonstrieren mit unserem Ansatz eine Wiederherstellung der verlorenen Ausgangsleistung von bis zu 95 %.

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EINLEITUNG

Als Ergebnis kollektiver Bemühungen um saubere Energie haben erneuerbare Energiesysteme ein enormes Wachstum gezeigt und erreichten 2018 eine Kapazität von 25 % der weltweiten Stromerzeugung ( 1 ). Photovoltaik (PV)-Systeme haben bei diesem Wachstum eine Schlüsselrolle gespielt, indem sie ihre globale Stromerzeugungskapazität von 9 GW im Jahr 2007 auf 509 GW bis Ende 2018 erhöht haben ( 2 ). Es wird prognostiziert, dass Solarenergie bis 2030 ( 3 ) 10 % der weltweiten Stromerzeugung ausmachen wird, verglichen mit 2,2 % im Jahr 2018 ( 4 ). Neben der zunehmenden Anzahl von PV-Installationen liegt auch ein großer Fokus darauf, billigere und effizientere Solarpanelsysteme ( 5 ) herzustellen, einschließlich Bemühungen zur Verbesserung der Leistungsumwandlungseffizienz von PV-Zellen ( 6), Verwendung von Antireflexbeschichtungen zur Minimierung von Reflexionsverlusten ( 7 ), Kühlung von Solarmodulen durch aktive und passive Methoden ( 8 ), aktive Änderung der Winkelpositionierung zur Verfolgung der Sonne ( 9 ), Nanotexturierung des Siliziums zur Maximierung der Absorption ( 10 , 11 ) , etc.

Trotz aller jüngsten Verbesserungen in der PV-Technologie blockiert die Staubansammlung auf den Oberflächen von Solarmodulen einen erheblichen Teil des einfallenden Sonnenlichts und bleibt eine große betriebliche Herausforderung für die Branche ( 12 – 17 ). Viele große Solarparks befinden sich in geografischen Regionen mit viel Land und Sonnenlicht, wie z. B. Wüsten. Die Liste umfasst einige der größten Solarenergieprojekte der Welt, darunter der Tengger Desert Solar Park (China), der Bhadla Solar Park (Indien), der Dubai Solar Park und die Desert Sunlight Solar Farm (USA), die sich alle in befinden Wüsten. Obwohl die reichliche Sonneneinstrahlung an diesen Orten für die Solarstromerzeugung günstig ist, neigen diese Regionen auch zu erheblichem Mineralstaub in der Luft ( 18), die sich allmählich auf den Oberflächen von Solarmodulen ansammeln und deren Effizienz verringern. Wir führten eine beschleunigte Laborstudie durch, die raue Verschmutzungsbedingungen auf einem Solarmodul im Labormaßstab simulierte, und stellten fest, dass die Ausgangsleistung exponentiell mit der Staubbedeckung abnimmt, wie in Abb. 1 (A und B) gezeigt . In rauen Umgebungen mit Staubansammlungsraten nahe 1 g/m ² pro Tag ( 17 ) dauert es nur etwa einen Monat, bis eine Staubansammlung von 3 mg/cm ² auftritt ( 19 , 20 ). Zum Beispiel, wie in Abb. 1B gezeigt , Staubansammlung von 5 mg/ ^cm2entspricht fast 50 % Leistungsverlust. In Regionen mit häufigen Staubstürmen kann es auch zu einem schnellen Effizienzverlust kommen ( 17 ). Es hat sich gezeigt, dass ein durchschnittlicher Stromverlust von 3 bis 4 % auf globaler Ebene zu einem wirtschaftlichen Schaden von 3,3 bis 5,5 Mrd. USD führt ( 12 ). So werden Solarpanels je nach Verschmutzungsgrad in der Regel regelmäßig (bis zu mehrmals im Monat) gereinigt ( 12 ).

ABB. 1 . Auswirkung der Staubansammlung auf die Ausgangsleistung des Solarmoduls.

( A und B ) Das gleichmäßige Verteilen von Staubpartikeln (ca. 15 μm groß) auf der Oberfläche eines Solarmoduls im Labormaßstab reduziert die Leistungsabgabe exponentiell mit zunehmender Staubbedeckung aufgrund der erhöhten Blockierung von einfallendem Licht. Als Lichtquelle haben wir hier eine Leuchtstofflampe verwendet.

Die gebräuchlichste Reinigungsmethode ist die Verwendung von Druckwasserstrahlen und Sprays ( 19 ). Da Wasser in Wüstenregionen knapp ist, muss es von woanders her transportiert werden, bevor es auf Sonnenkollektoren gesprüht wird. Die Reinigung auf Wasserbasis trägt bis zu 10 % zu den Betriebs- und Wartungskosten von Solarparks bei, basierend auf der Reinigungshäufigkeit ( 12 , 21 ). Studien berichten, dass sowohl PV- als auch konzentrierte Solarkraftwerke etwa 1 bis 5 Millionen Gallonen Wasser pro 100 MW pro Jahr für die Reinigung verbrauchen ( 21 , 22 ). Bei einer globalen PV-Kapazität über 500 GW ( 2 ) schätzen wir auf Basis von Berichten ( 21 , 22), dass weltweit jedes Jahr bis zu 10 Milliarden Gallonen Wasser für die Reinigung von Solarmodulen verbraucht werden, die ansonsten den jährlichen Wasserbedarf von bis zu 2 Millionen Menschen in Entwicklungs- und unterentwickelten Ländern decken könnten. Da die Solarinstallationsbasis wächst, wird erwartet, dass der Wasserverbrauch von Solarparks nur schnell ansteigen wird. Um den Wasserverbrauch zu eliminieren, haben einige landwirtschaftliche Kleinbetriebe eine manuelle oder robotergestützte Trockenwäsche implementiert ( 12 , 23 ). Trockenes Schrubben ist jedoch weniger effektiv bei der Entfernung von Staub und führt zu irreversiblen Kratzern auf der Oberfläche ( 24), die die Lichtdurchlässigkeit im Laufe der Zeit verringert. Derzeit bleibt der Mangel an effizienten Ansätzen zur Aufrechterhaltung staubfreier Solarmodule eine große Herausforderung bei den weltweiten Bemühungen, die Kosten für Solarenergie zu senken ( 12 ). Daher besteht ein dringender Bedarf an alternativen Reinigungsansätzen, die den riesigen Wasserfußabdruck der Solarindustrie eliminieren können, um nicht nur die Betriebskosten zu senken, sondern auch wirklich nachhaltig zu sein.

Die elektrostatische Reinigung von Solarmodulen wurde als aufregende Alternative vorgeschlagen, die möglicherweise den Wasserverbrauch und Kontaktscheuerschäden aufgrund des Fehlens mechanischer Komponenten, die am Modul reiben, eliminieren kann. Elektrodynamische Siebe (EDS) sind die beliebtesten elektrostatischen Entstaubungssysteme. Einige Ansätze zur Implementierung von EDS beinhalten die Herstellung von Arrays aus ineinandergreifenden transparenten Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Mikroelektroden, die in einen dielektrischen Film eingebettet sind, oder die Installation von isolierten Kupfernetzelektroden auf der Oberseite von Solarmoduloberflächen ( 25 – 28). Beim Aktivieren der Elektroden treibt das elektrische Feld die Staubpartikel über schwache Kurzstrecken-Dielektrophorese und/oder schwache passive triboelektrische Aufladung voran. Während die EDS-Systeme vielversprechend sind und erfolgreich in extrem trockenen Umgebungen wie Sonnenkollektoren auf Mars-Rovern implementiert wurden ( 29 , 30 ), gibt es mehrere Herausforderungen für die Implementierung in Sonnenkollektoren auf der Erde. Eine zentrale Herausforderung ist das Eindringen von Feuchtigkeit im Laufe der Zeit in den dielektrischen Film, der die Elektroden aufgrund seiner endlichen Porosität isoliert. Feuchtigkeitsansammlung könnte schließlich zu einem elektrischen Kurzschluss der Elektroden und einem Ausfall des Systems führen ( 31 , 32). Darüber hinaus sind eingebettete ineinandergreifende Mikroelektrodenarrays in EDS aufgrund der mit der Mikrofabrikation verbundenen Kosten für die kommerzielle Implementierung teuer ( 12 ). Bei ineinandergreifenden Kupferelektroden ergeben sich auch Einschränkungen durch eine starke Abschattung der Oberfläche.

Hier schlagen wir einen neuartigen elektrostatischen Ansatz vor, um Staubpartikel „aktiv aufzuladen“ und eine starke Coulomb-Kraft zur Staubabstoßung zu verleihen. Unser Ansatz überwindet die früheren Beschränkungen, die aufgrund des Vertrauens auf eine relativ schwache dielektrophoretische/triboelektrische Kraft mit kurzer Reichweite auftreten, und beseitigt das Problem des elektrischen Kurzschlusses. Unsere Arbeit wurde durch das in Abb. 2A gezeigte Experiment motiviert , bei dem wir beobachteten, dass Staubpartikel, die auf der unteren Elektrode in einem Parallelplattenaufbau ruhen, bei Anlegen einer ausreichenden Spannung von der Oberfläche abgestoßen werden (Film S1). Dies geschieht aufgrund der Induktion, die eine Ladungsakkumulation auf dem Staub verursacht, wie im Schema von Fig. 2B gezeigt. Als wir ähnliche Experimente durchführten, indem wir Staubpartikel durch leitfähiges Eisen oder isolierende Teflonpartikel ersetzten, beobachteten wir, dass sich Staubpartikel qualitativ eher wie Eisen als wie Teflon verhielten. Sowohl Staub- als auch Eisenpartikelabheben (Abb. S1) werden von der Elektrodenoberfläche entfernt, wenn die angelegte Spannung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, wie in Abb. 2C gezeigt .

ABB. 2 . Abstoßung von Staub durch elektrostatische Ladungsinduktion.

( A ) Es wird beobachtet, dass sich Staubpartikel, die auf der unteren metallischen Elektrode verteilt sind, beim Anlegen einer Spannung (~12 kV) zwischen den Platten, die einen Abstand von ~1,5 cm haben, abstoßen. Die Partikel haben eine durchschnittliche Dichte von 2,6 g/cm ³ und bestehen aus bis zu 77 % Kieselerde. ( B ) Die elektrostatische Abstoßung resultiert aus der Aufladung durch Induktion, wobei sich auf dem Staubpartikel eine Ladung mit der gleichen Polarität wie der der Kontaktelektrode ansammelt. ( C ) Das Verhalten von Staubpartikeln ähnelt dem von leitfähigen Eisenpartikeln, bei denen ein Partikelabheben auftritt, wenn die angelegte Spannung einen Schwellenwert erreicht, der es Partikeln ermöglicht, die Kraft zu überwinden, die sie an der Oberfläche anhaftet.

Obwohl „Staub“ ein Begriff ist, der eine Vielzahl von Feinstaub umfasst, handelt es sich bei typischen Wüstenstaubpartikeln, die Sonnenkollektoren verschmutzen, um mineralische Feinstaubpartikel ( 13 , 17 , 18 , 33 ). Je nach geografischer Lage kann es zu Abweichungen in der mineralischen/chemischen Zusammensetzung der Partikel kommen ( 18 ). Allerdings bestehen Mineralstaubpartikel im Allgemeinen aus einem erheblichen Anteil (~30 bis 75 %) von Silica ( 34 , 35 ), von dem bekannt ist, dass es Feuchtigkeit adsorbiert ( 36 ). Obwohl reines Siliziumdioxid ein gutes Isoliermaterial ist, verringert adsorbierte Feuchtigkeit seinen scheinbaren elektrischen Widerstand ( 37) und lädt sich bei Kontakt mit einer Elektrode ( 38 ) auf. Wir verwenden in unseren Experimenten Arizona-Teststaub (Zwischen- und verschiedene Teststaubfraktionen von Powder Technology Inc.), auch bekannt als kristalliner Silikastaub, dessen chemische Zusammensetzung die von typischen Wüstenmineralstaubpartikeln nachahmt (siehe Materialien und Methoden) ( 39 ).

Wir nutzen das leiterähnliche Verhalten von Staubpartikeln, um sie von Solarpaneloberflächen abzustoßen. Zuerst haben wir die Ladung auf Staubpartikeln abgeschätzt und dann die Bedingung für die Partikelentfernung in Bezug auf die angelegte Spannung definiert. Wir variierten dann die relative Feuchtigkeit, um die Auswirkung der Variation der Feuchtigkeitsadsorption auf die elektrostatische Staubentfernung zu untersuchen. Zuletzt haben wir ein elektrostatisches Staubentfernungssystem für ein Solarpanel im Labormaßstab entworfen, indem wir die obere Oberfläche des Panels in eine transparente Elektrode umgewandelt haben.

ERGEBNISSE

Abschätzung der Ladung von Staubpartikeln

Um ein elektrostatisches Reinigungssystem zu entwerfen, bei dem die Spannung der primäre Steuerparameter ist, untersuchen wir systematisch den elektrostatischen Staubentfernungsprozess. Wie im Freikörperdiagramm eines Staubpartikels ( Abb. 3A ) gezeigt, wirken der elektrostatischen Kraft ( F _E ), die wirkt, um das Partikel von der Oberfläche zu entfernen, die Adhäsionskräfte ( F _A ) und die Schwerkraft ( F _G ) entgegen neigen dazu, das Teilchen auf der Oberfläche zu halten. Wie in 2C gezeigt , zeigt das Vorhandensein einer kritischen Schwellenspannung, dass das Teilchen von der Oberfläche abhebt, wenn die Ladungsinduktion zu einer ausreichend starken elektrostatischen Abstoßungskraft führt, um Adhäsion und Schwerkraft zu überwinden.

ABB. 3 . Experimente zur Ladungsschätzung.

( A ) Schematische Darstellung der auf ein Staubteilchen wirkenden Kräfte mit Adhäsions- ( F _A ) und Gravitationskräften ( F _G ), die der elektrostatischen Kraft ( F _E ) entgegenwirken. Hier muss zur Bestimmung von F _E die Ladung Q geschätzt werden. ( B ) Schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus mit parallelen Platten, die in ein Silikonölbad eingetaucht sind, um die Partikelladung abzuschätzen. ( C ) Schnappschuss aus der Hochgeschwindigkeitsbildgebung von Staubpartikeln (~ 327 μm), die zwischen Elektroden mit einem Abstand von 1,5 cm aufprallen. ( D ) Geschätzte Gebühr ( Q) für Staubpartikel unterschiedlicher Größe aufgetragen gegen die angelegte elektrische Feldstärke E . Q skaliert linear mit E für Staubpartikel, ähnlich wie wir es für leitende Partikel erwarten. ( E ) Q skaliert proportional zum Quadrat der Partikelgröße (~ R ² ), was das leiterähnliche Verhalten anzeigt. ( F ) Auf der Grundlage von Q _th ~4π R ² ϵ ₀ ϵ _rE definieren wir eine dimensionslose Ladung *Q* = Q/Q* _th , die als Q* ~ 1 skaliert (hier ϵ _r~3 für Öl). Wir sehen, dass, während Teflon keine Anzeichen von Aufladung zeigt ( Q* ~ 0), Q* ~ 1 für sowohl Staub- als auch Metallpartikel zeigt, dass Staubpartikel ein leiterähnliches Verhalten aufweisen. Der Fehlerbalken entspricht SD über drei Experimente und fünf verschiedene Partikel pro Experiment.

Die Gravitationskraft kann bestimmt werden, indem man die Dichte (unter der Annahme von Kieselsäure) und die ungefähre Größe des Staubpartikels (. In ähnlicher Weise wird im Bereich der moderaten relativen Luftfeuchtigkeit, in dem wir unsere Experimente durchgeführt haben (45 bis 55 %, sofern nicht anders angegeben), die Adhäsionskraft von Mikropartikeln mit Oberflächenrauhigkeit hauptsächlich von der Van-der-Waals-Kraft bestimmt ( 40 – 42 ). Die Van-der-Waals-Kraft für Mikropartikel ist sehr gut charakterisiert und kann unter Verwendung des Hamaker-Modells ( 43 ) nach Einbeziehung eines Korrekturfaktors für die Oberflächenrauhigkeit ( 44 , 45 ) geschätzt werden. Schließlich ergibt sich die elektrostatische Kraft aus dem Produkt aus Teilchenladung und angelegtem elektrischem Feld ( F _E = QE). In unserer Elektrodenkonfiguration mit parallelen Platten lässt sich die elektrische Feldstärke leicht bestimmen. Da jedoch die elektrische Leitfähigkeit von Staubpartikeln nicht gut charakterisiert ist, bleibt die Partikelladung ( Q ) unbekannt. Um also die elektrostatische Kraft und damit die Entstaubungsspannung vorhersagen zu können, muss die Partikelladung geschätzt werden.

Um die Ladung Q für Staubpartikel abzuschätzen, führten wir Partikelabstoßungsexperimente durch, indem wir die Elektroden in ein Silikonölbad ( 38 ) eintauchten (siehe Materialien und Methoden und die ergänzenden Materialien), wie in 3B gezeigt . Als eine Potentialdifferenz zwischen den Platten angelegt wurde, nahmen die Teilchen eine Ladung auf und prallten zwischen den Platten hin und her. Abbildung 3Czeigt den Schnappschuss von Hochgeschwindigkeitsbildern, die bei einem dieser Experimente aufgenommen wurden. Die Viskosität des Öls (500 cSt) wurde so gewählt, dass sie hoch genug ist, um den Trägheitseffekt zu minimieren, und somit erreichten die Partikel schnell die Endgeschwindigkeit der Bewegung zwischen den Platten im Vergleich zur Gesamtlaufzeit der Partikel zwischen den Platten (siehe die ergänzenden Materialien und Filme S3 und S4). Wir gleichen die elektrostatische Kraft mit Stokes-Widerstandskraft, Gravitationskraft und Auftriebskraft aus. Wir messen die Endgeschwindigkeit von Teilchen aus Hochgeschwindigkeitsbildern und schätzen die Ladung auf Teilchen, die von der Oberfläche abheben, wie in Gl. 1

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Abbildung 3D zeigt die Ladung gegen die angelegte elektrische Feldstärke für Staubpartikel unterschiedlicher Größe. Die Ladung ist wie bei leitenden Materialien linear proportional zur angelegten elektrischen Feldstärke. In ähnlicher Weise trägt Fig. 3E die geschätzte Ladung gegen den Partikelradius auf. Die akkumulierte Ladung ist quadratisch proportional zum Radius ( Q ~ R ² ). Dies bestätigt, dass eine Ladungsakkumulation eher auf der Partikeloberfläche als im Massenvolumen des Partikels auftritt, ähnlich wie bei leitenden Materialien ( 46 ).

Um schließlich die Ladungsgröße von Staubpartikeln mit der von Partikeln mit bekannter elektrischer Leitfähigkeit σ zu vergleichen, führten wir Silikonölbad-Experimente mit Teflon (, guter Isolator) und Stahl (, guter Leiter) Kugeln (Abb. S2). Während Teflonpartikel an der unteren Elektrode stationär blieben, was auf eine vernachlässigbare Ladungsinduktion hinweist, prallten Stahlpartikel ähnlich wie Staubpartikel zwischen den Elektroden ab. Wir schätzen die Ladung Q mit der Kraftbilanz ab. Wir definieren eine dimensionslose Ladung ( Q* ) basierend auf der experimentell geschätzten Ladung und der theoretischen Näherung für die Ladung auf einem perfekten Leiter ( Q _th ~ 4π R ² ϵ ₀ ϵ _rE ) ( 46 , 47 ) als. In Fig. 3F zeichnen wir Q* für Teflon, Staub und Stahlpartikel auf. Während die Ladung auf Teflon ~0 beträgt, beträgt die Ladung sowohl auf Stahl- als auch auf Staubpartikelwaagen ~1. Obwohl der exakte Zahlenwert der dimensionslosen Ladung für Stahlpartikel höher ist, zeigt die Skalierung der Ladung, dass Staubpartikel sehr ähnlich wie ein Leiter wirken und dass die tatsächliche Ladung durch den Ausdruck für Q _th gut angenähert wird .

Die Ähnlichkeit im Aufladungsverhalten zwischen Staub und Stahlpartikeln wird auch durch die Ladungsrelaxationszeit erklärt. Die Ladungsrelaxationszeit ist die charakteristische Zeitskala für ein Teilchen, um die Sättigungsladung Q _th ( 46 ) zu erreichen. Bei vielen Metallen liegt die Ladungsrelaxationszeit im Bereich von 10 ⁻¹⁵ bis 10 ⁻¹⁹ s (τ ≪ 1 s), und daher erfolgt die Partikelladung sofort. Bei Staubpartikeln macht die Variabilität in der chemischen Zusammensetzung und das Vorhandensein von absorbierter Feuchtigkeit die genaue Definition von τ zu einer Herausforderung. Wir können jedoch eine effektive Leitfähigkeit (σ _eff ) des Staubpartikelensembles und damit eine effektive Ladungsrelaxationszeit (τ _eff ) definieren. Wir gelangen zu einer oberen Grenze für τ _effdurch experimentelles Messen einer niedrigeren Schätzung für die effektive Leitfähigkeit (siehe die ergänzenden Materialien,, Feige. S3). Wir finden, dass τ _eff ≪1 s ist, was das nahezu verzögerungsfreie Aufladeverhalten von Staub und Stahl erklärt.

Definieren der Entstaubungsspannung

Aus der geschätzten Ladung und dem resultierenden Ausdruck für die Ladung als Funktion der Spannung schreiben wir den vollständigen Ausdruck für das Kräftegleichgewicht für ein perfekt kugelförmiges Teilchen unter Berücksichtigung von elektrostatischen, Gravitations- und Van-der-Waals-Adhäsionskräften. Hier ist für eine gegebene Teilchengröße die elektrostatische Kraft durch die maximale elektrische Feldstärke begrenzt, die in Luft (3 MV/m) aufrechterhalten werden kann, ohne einen dielektrischen Durchschlag zu verursachen ( 46 ). Wir nehmen diese Obergrenze für E und Materialeigenschaften von Kieselsäure an, wobei Hamaker-Konstante A ~ 6,3 × 10 ^–20 J (in Luft), Dichteund Teilchenoberflächen-Atomtrennung von d ₀ ~ 0,4 nm ( 48 , 49 ). Wir schreiben einen Ausdruck für die Summe der Kräfte ( Gleichung 2 ) und zeichnen ihn als Funktion der Teilchengröße auf, um die glockenartige Kurve zu erhalten, wie sie in Fig. 4A gezeigt ist . Da die Van-der-Waals-Kraft mit der Partikelgröße skaliert, die elektrostatische Kraft mit der Oberfläche skaliert und die Gravitationskraft mit dem Partikelvolumen skaliert, zeigt die resultierende Bilanz, dass F _net < 0 ist, wenn die Partikelgröße größer wird, da die Schwerkraft dominiert. In ähnlicher Weise, wenn die Partikelgröße klein wird (erweiterter Einschub von 4A ) F _netwird aufgrund der Dominanz der Adhäsion wieder < 0. Bei mittleren Partikelgrößen bestätigt diese Analyse jedoch, dass die elektrostatische Kraft für die experimentell beobachtete Entfernung von Partikeln von geladenen Oberflächen ausreicht

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ABB. 4 . Auf Staubpartikel wirkende Kräfte und die Entstaubungsspannung.

( A ) Die vertikale Nettokraft, die auf ein Staubpartikel in Kontakt mit einer Elektrode als Funktion der Partikelgröße wirkt. Wir gehen von Materialeigenschaften von Kieselsäure aus. F _net > 0, wenn die elektrostatische Kraft die Adhäsion und die Schwerkraft dominiert. In dem expandierten Teil für kleine Partikelgrößen ist zu sehen, dass F _net < 0 aufgrund der Dominanz der Adhäsion ist. ( B ) Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus zur Bestimmung der Schwellenspannung für die Entstaubung. Die Staubentfernung wird quantifiziert, indem die Massereduzierung in der Anzeige der digitalen Waage gemessen wird. ( C ) Die Schwellenspannung zum Entfernen von Staubpartikeln ist für verschiedene Partikelgrößen aufgetragen. Der plötzliche Anstieg des entfernten Staubanteils ( M*) bezeichnet die Entstaubungsspannung. ( D ) AFM-Oberflächenrauhigkeit eines typischen Staubmikropartikels. Die Rauheit des quadratischen Mittelwerts (RMS) wurde als nanometrisch (~25 nm) ermittelt. ( E ) Spannungskurven zur Staubentfernung für verschiedene Partikelgrößen, die auf eine einzige dimensionslose Kurve mit einer Schwellenspannung für die Staubentfernung bei *V * ~* 1 zusammenfallen.

Um die Partikelentfernungsbedingung experimentell zu bestimmen, haben wir den in Fig. 4B gezeigten Aufbau konstruiert , bei dem Staubpartikel auf der Bodenplatte (aus Siliziumwafer) des Parallelplattenaufbaus ruhen, der auf einer Waage mit einer Genauigkeit von 1 mg platziert ist. Die obere Platte wird unabhängig in Position gehalten, so dass ihr Gewicht nicht durch die Waage übertragen wird (siehe Materialien und Methoden). Wir legten eine Spannung zwischen den Platten an und maßen den Messwert auf der Skala als Funktion der Spannung. Wir definieren den Anteil des entfernten Staubsdurch Dimensionslosmachen der Skalenablesung ( M ) unter Verwendung von Anfangs- ( M _max ) und Endablesungen ( M _min ). Durch Auftragen von M* gegen die angelegte Spannung erhalten wir die in Fig. 4C gezeigte Kurve . Es ist ersichtlich, dass es für unterschiedliche Partikelgrößen eine einzigartige Schwellenspannung gibt, bei der die meisten Partikel entfernt werden. Wir definieren diese Schwellenspannung als die Staubentfernungsspannung.

Unter Verwendung des Ausdrucks für das Kräftegleichgewicht leiten wir einen Ausdruck für die Entstaubungsspannung ab, wie in Gl. 3 , wobei g cos (θ) die normale Komponente der Schwerkraft aufgrund der Neigung (θ ~ 20°) der von uns eingeführten Platte ist und s der Abstand/Abstand zwischen den Platten (~ 1,2 cm) ist (siehe Materialien und Methoden )

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Beachten Sie, dass wir auch einen Rauheitskorrekturfaktor C _r vor dem Van-der-Waals-Kraftterm basierend auf dem modifizierten Rumpf-Modell einführen (siehe die ergänzenden Materialien) ( 44 , 45 ). Dieser Faktor erklärt die raue Oberflächentopologie (siehe Rasterelektronenmikroskopbild in Abb. S4A) der Staubpartikel, die im Rasterkraftmikroskopie-(AFM)-Bild von Abb. 4D gezeigt wird . Nanoskalige Rauheit reduziert die Haftkraft deutlich ( 50 ) und muss daher in dieser Kräftebilanz berücksichtigt werden. Wir schätzen C _r ab, indem wir den Wert der Oberflächenrauhigkeit mit AFM ( r _RMS~25 nm) und den Wert für Partikelradius R und Parameter d ₀ in Gl. S11. Der beobachtete Wert der Oberflächenrauhigkeit und die geschätzten Werte von C _r , die wir in unserem Kraftbilanzmodell verwenden, stimmen mit denen überein, die durch das modifizierte Rumpf-Modell geschätzt wurden. Der genaue Wert von C _r hängt von der Partikelgröße ( R ) ab, wie in Gl. S11. Da unsere Partikelgrößen um einen Faktor von ~40 (von ~7,5 bis ~327 μm) variieren, ist der geschätzte C _rDie Werte variieren auch erheblich (um einen Faktor von ~ 30) von der größten Partikelgröße zur kleinsten. Die Wirkung der Adhäsionskraft ist bei kleinen Partikeln vorherrschend, und große Partikel werden meist nur durch die Gravitationskraft beeinflusst. Daher ist C _r relevanter für kleinere Partikel (< 30 μm). Für eine Partikelgröße in der Größenordnung von 10 μm beträgt der geschätzte Wert von C _r ~10 ^–2 , was bedeutet, dass die Adhäsionskraft im Vergleich zu der einer glatten Oberfläche um bis zu zwei Größenordnungen reduziert werden könnte, wie von Modellen vorgeschlagen und Experimente in der Literatur ( 45 , 51 , 52 ).

Wir dimensionslos machen die horizontale Achse von Fig. 4C , indem wir die gemessene Spannung mit V _th normalisieren und sie in Fig. 4E darstellen ( V* = V/V _th ). Wir sehen, dass alle Kurven zu einer einzigen dimensionslosen Kurve zusammenfallen, was darauf hindeutet, dass unser einfaches Modell die wesentliche Physik des induktionsbasierten Staubentfernungsprozesses erfasst. Somit definiert V* = 1 das dimensionslose Kriterium für die Entstaubung.

Wirkung von Feuchtigkeit

Die Feuchtigkeitsadsorption an Staubpartikeln ändert sich mit der relativen Feuchtigkeit der Umgebung, die bei Außenbedingungen je nach Tages- und Jahreszeit schwankt. Da das Aufladen von der Feuchtigkeitsadsorption abhängt ( 38 ), erwarten wir, dass die Staubentfernung auch von der Feuchtigkeit abhängt. Um die Auswirkung von Feuchtigkeitsänderungen zu untersuchen, haben wir einen Versuchsaufbau ( Abb. 5A ) entwickelt, bei dem Elektroden in einer abgedichteten Acrylkammer mit zwei Einlässen platziert wurden, einer für die Stickstoffspülung zur Verringerung der Feuchtigkeit und der andere für den Strom feuchter Luft zur Erhöhung der Feuchtigkeit . Ein in der Kammer platzierter drahtloser Feuchtigkeitssensor misst die Echtzeit-Luftfeuchtigkeit.

ABB. 5 . Entstaubung bei unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit.

( A ) Schema des Versuchsaufbaus der Feuchtkammer mit Stickstoffspülung zur Reduzierung der Luftfeuchtigkeit und Druckluftsprudler zur Erhöhung der Luftfeuchtigkeit. Es gab zwei Anschlüsse zum Anschließen der elektrischen Leitungen und einen Anschluss zum Gasaustritt. ( B ) Schema der optischen Mikroskopabbildung von Staubpartikeln, die nach dem Anlegen von Spannung auf der unteren Elektrode verblieben. ( C ) Mikroskopbild der verbleibenden Partikel (Größe ~ 30 & mgr; m) nach dem Anlegen von 10 kV über die parallelen Platten im Abstand von 1,5 cm. ( D ) Prozentuale Fläche der mit Partikeln bedeckten Oberfläche für unterschiedliche Partikelgrößen bei unterschiedlicher Feuchtigkeit. Obwohl Staubpartikel bei niedriger Luftfeuchtigkeit nicht entfernt werden, funktioniert die elektrostatische Abstoßung für einen breiten Bereich relativer Luftfeuchtigkeitswerte.

Die untere Elektrode wurde aus glattem rechteckigem Silizium hergestellt, das aus einem Siliziumwafer geschnitten wurde, um die Auswirkung von Oberflächenunregelmäßigkeiten auf die Haftung zu minimieren. Beim Anlegen einer Spannung (10 kV) wurden Staubpartikel entfernt, was unter Verwendung einer optischen Mikroskopabbildung des verbleibenden Staubs auf dem Siliziumwafer quantifiziert wurde ( 5B ). Abbildung 5C zeigt ein Mikroskopbild aus einem der Experimente mit verbleibenden Staubpartikeln (~30 um), die als weiße Punkte auf dem Siliziumwafer erscheinen, der schwarz erscheint. Als Maß für die Staubentfernung verwenden wir die prozentuale Fläche des Wafers, die mit Partikeln bedeckt ist.

Die relative Feuchtigkeit wurde zwischen ~10 und ~95 % (siehe Materialien und Methoden) für Staubpartikel unterschiedlicher Größe variiert, wie in Fig. 5D gezeigt . Bei niedrigen relativen Luftfeuchtigkeitswerten (< 30 %) blieben Staubpartikel aufgrund fehlender feuchtigkeitsunterstützter Aufladung an der Siliziumoberfläche haften. Bei relativen Luftfeuchtigkeitswerten über 30 % und sogar bis zu 95 % war die Staubentfernung jedoch sehr effektiv. Wüstenregionen erfahren typischerweise tägliche Schwankungen der Luftfeuchtigkeit, wo die relative Luftfeuchtigkeit tagsüber tendenziell niedrig ist (unter 30 %) und nachts die Luftfeuchtigkeit ansteigt, gefolgt von einer Abkühlung der Atmosphäre und manchmal sogar zu einer Feuchtigkeitssättigung führt ( 18 , 53). Daher kann unsere elektrostatische Entstaubungstechnik bei steigender Luftfeuchtigkeit als Teil einer täglichen Reinigung eingesetzt und verwendet werden. Für andere geografische Regionen mit mäßiger (~50 %) oder hoher (> 75 %) relativer Luftfeuchtigkeit funktioniert unser Ansatz gut, um die meisten Staubpartikel zu entfernen, wie wir in 5D demonstrieren . Dies macht unseren induktionsbasierten Ansatz robust und breit anwendbar für verschiedene geografische Standorte.

Wir bestätigen die feuchtigkeitsbasierte Ladungsinduktion weiter, indem wir Experimente mit Silikaperlen durchführen. Wir stellen fest, dass unberührte Silikaperlen aufgeladen und beim Anlegen von Spannung vollständig von den Elektroden abgestoßen werden (Abb. S5A und Film S5). Die hydrophile Natur von Silica ermöglicht es den Partikeln, ausreichend Feuchtigkeit zu adsorbieren, um eine ausreichende Aufladung zu erfahren. Mit OTS [Trichlor(octadecyl)silan], einem Molekül mit hydrophober Endgruppe, beschichtete Silikapartikel werden jedoch hydrophob gemacht und können selbst bei 55 % relativer Luftfeuchtigkeit nicht ausreichend Feuchtigkeit aufnehmen. Daher werden OTS-beschichtete Silikaperlen nicht vollständig von den Elektroden abgestoßen (Abb. S6A und Film S6). Diese Beobachtungen zeigen, dass die Aufladung durch die hydrophile Natur der Partikel bestimmt wird, die zu einer ausreichenden Feuchtigkeitsaufnahme führen.

Prototyp im Labormaßstab

Zuletzt haben wir ein elektrostatisches Staubentfernungssystem für ein Solarpanel im Labormaßstab entworfen und hergestellt. Die Glasplatte auf der Oberseite des Solarmoduls wurde mittels Atomlagenabscheidung (ALD) mit einer 5 nm dicken transparenten und leitfähigen Schicht aus aluminiumdotiertem Zinkoxid (AZO) beschichtet (siehe Materialien und Methoden) und bildet die untere Elektrode ( Abb. 6A ). Die obere Elektrode (aus Aluminium) ist beweglich, um eine Verschattung des Solarpanels zu vermeiden, und wird während der Reinigung unter Verwendung eines Linearführungs-Schrittmotormechanismus entlang des Panels verschoben ( Fig. 6B ). Wenn eine Spannung von ~12 kV an die Elektroden angelegt wird (aus unserem Modell berechnet, um V* > 1), werden Staubpartikel von der Oberfläche des Solarpanels entfernt, wenn die obere Elektrode an der Oberfläche vorbeigeht (Film S7). Die Ausgangsleistung wurde vor und nach der Reinigung für verschiedene Staubpartikelgrößen gemessen ( Abb. 6C ), und wir messen eine 95 %ige Wiederherstellung der verlorenen Leistung nach der Reinigung für Partikelgrößen von mehr als ~30 μm.

ABB. 6 . Elektrostatisches Reinigungssystem, installiert auf einem Solarmodul im Labormaßstab.

( A ) Schema des Staubentfernungsmechanismus mit AZO-beschichtetem Glas, das auf einem 10 cm mal 15 cm großen Solarpanel installiert ist. Zwischen der sich bewegenden oberen Platte und der unteren transparenten Elektrode wird ein elektrisches Feld aufgebaut. ( B ) Elektrostatischer Solarpanel-Reiniger im Labormaßstab mit beweglicher Platte, die durch einen Schrittmotor-Linearführungsmechanismus im Betrieb gesteuert wird. ( C ) Energierückgewinnung vom Solarpanel nach der Staubentfernung für verschiedene Staubpartikelgrößen.

Bei realen Solarparks ist die Größenverteilung der Staubpartikel vom geografischen Standort abhängig. Es hat sich gezeigt, dass die Größenverteilung von 0,8 bis 1000 μm variiert und die mittlere Staubpartikelgröße an vielen Orten über ~30 μm liegt, was unseren Ansatz sehr praktisch macht ( 54 ). Es gibt auch mehrere Stellen, an denen die mittlere Partikelgröße unter ~30 μm fällt. Es muss jedoch beachtet werden, dass der gesamte optische Verlust durch Verschmutzung auf eine Kombination aus Absorption, Reflexion und Lichtstreuung durch Staubpartikel zurückzuführen ist. Sofern die Partikelgröße nicht in der Größenordnung der Lichtwellenlänge (Submikron) liegt, sind Absorptions- und Reflexionsverluste (Abschattung) vorherrschend, die proportional zur Oberfläche des Partikels zunehmen ( 55). Unser Ansatz kann die größeren Partikel (> 30 μm) in einer Partikelgrößenverteilung mit einer mittleren Größe von < 30 μm effektiv entfernen, die möglicherweise zu einem stärkeren Verschmutzungsverlust beitragen und die Effizienz erheblich verbessern und den Wasserverbrauch reduzieren können.

Zur Herstellung transparenter leitfähiger Oberflächen ist die ALD-Technik ein bereits etablierter Industriestandard in PVs für kleinere Substrate. Außerdem besteht ein großes Interesse daran, transparente leitfähige Oxide wie ITO für die Entwicklung von Dünnschicht-Solarzellen zu verwenden ( 56 ). Da wir eine gleichförmige Beschichtung bereitstellen, sind keine komplexen Mikroherstellungsschritte beteiligt (im Gegensatz zu eingebetteten Mikroelektroden in früheren Arbeiten), was einen erheblichen Teil der Kosten eliminiert, wodurch unsere Ausführungsform sehr praktisch für eine Vergrößerung ist. Alles, was wir bereitstellen müssen, ist eine einfache Nachrüstung einer dünnen transparenten Folie mit einer geeigneten leitfähigen Beschichtung auf der Oberseite des Solarmoduls. Für einen hohen Durchsatz können Techniken wie die Rolle-zu-Rolle-Abscheidung verwendet werden ( 57). Da wir aufgrund des Nullstromflusses zwischen den Elektroden nicht durch den Widerstand des Dünnfilms eingeschränkt sind, können wir die Beschichtung so dünn wie möglich machen. Die Dicke unserer aktuellen Beschichtung beträgt ~5 nm. Es könnte jedoch so klein wie 1 nm oder sogar subnanometrisch sein, was die Kosten erheblich senkt und mögliche optische Verluste minimiert.

Für unsere Entstaubungstechnologie ist der mit der elektrostatischen Staubabstoßung verbundene Stromverbrauch praktisch vernachlässigbar. Denn obwohl die angelegte Spannung in der Größenordnung von Kilovolt liegt, gibt es keinen Stromfluss zwischen der oberen und der unteren Elektrode und daher keine elektrische Leistungsaufnahme. Der einzige Modus des Energieverbrauchs ist derjenige, der mit der Verschiebung der sich bewegenden Elektrode verbunden ist. Zur Energieversorgung der Übersetzung kann ein separates dediziertes Solarpanel und eine Batterieeinheit verwendet werden, so dass unser nachrüstbarer Staubentfernungsmechanismus keinen Strom von der Solarpanel-Anordnung abzieht. Schließlich können wir eine einzelne bewegliche Elektrode für eine Anordnung von Solarmodulen verwenden, die aus etwa 20 Solarmodulen besteht, indem wir sie in beide Richtungen entlang der Ebene der Solarmodulanordnung verschieben, indem wir nachrüstbare Geländer verwenden.

DISKUSSION

Zusammenfassend demonstrieren wir einen einfachen, auf elektrostatischer Induktion basierenden Ansatz zur Minderung des Staubansammlungsproblems auf Solarmodulen, um die verlorene Leistungsabgabe zurückzugewinnen. Wir stellen fest, dass Staubpartikel, obwohl sie überwiegend aus isolierendem Silikamaterial bestehen, durch feuchtigkeitsunterstützte Ladungsinduktion dazu gebracht werden können, sich von Oberflächen abzustoßen. Wir schätzen diese Ladung experimentell ab und zeigen, dass die Staubpartikel elektrisch leitend sind. Wir charakterisieren den Entstaubungsprozess für verschiedene Partikelgrößen und leiten einen Ausdruck für die zur Partikelentfernung erforderliche Spannung ab. Darüber hinaus zeigen wir, dass unser Ansatz 95 % der verlorenen Energie zurückgewinnen kann und immer dann effektiv ist, wenn die relative Luftfeuchtigkeit der Umgebung mehr als ~ 30 % beträgt. Wir diskutieren, wie wir Schwankungen der Umgebungsfeuchtigkeit nutzen können, um unseren Ansatz auf Solaranlagen auf der ganzen Welt anwendbar zu machen. Angesichts der erheblichen Effizienzverluste durch Staubverschmutzung und des damit verbundenen Wasserverbrauchs für die Reinigung der Module erwarten wir, dass unsere wasserlose elektrostatische Reinigung einen effizienten und kostengünstigen Ansatz zur Aufrechterhaltung staubfreier Solarmodule bieten und zu einem nachhaltigen Betrieb von Solarparks beitragen kann .

MATERIALEN UND METHODEN

Ausrüstung und Materialien

1) Gleichstrom-Hochspannungsquelle: Spellman, Modell-Nr. SL30P600.

2) Mini-Solarpanel: Adafruit, Modell: Medium 6V 2W.

3) Schrittmotor mit Linearführung: FUYU FSL40 Linear Guide Slide Stage Actuator motorisiert durch Nema 23 Schrittmotor.

4) Schrittmotorsteuerung: Adafruit Metro M0 Express mit DRV8833-Treiber.

5) Optisches Mikroskop: Zeiss, Modell: Axio Zoom.

6) Multimeter: EXTECH, Modell: EX540.

7) Staubpartikel: Arizona-Test Staubpartikel und Eisenpartikel verschiedener mittlerer Größe wurden von Powder Technology Incorporated bezogen. Staubpartikel haben eine durchschnittliche Dichte von 2,6 g/cm ³ und bestehen zu 77 % aus Kieselsäure ( 39 ). Partikeldurchmesser (Mittelwerte ± SD) verschiedener Größenverteilungen, die wir verwendet haben, sind die folgenden: 15 ± 2, 30 ± 5, 50 ± 5, 79 ± 20, 159 ± 25, 256 ± 20 und 327 ± 12 μm.

8) Mikrokügelchen aus rostfreiem Stahl mit einer Dichte von 7,8 g/cm ³ in verschiedenen Größen wurden von Cospheric LLC bezogen.

9) Silikonöl (500 cSt) wurde von Sigma-Aldrich bezogen.

10) Waage für Experimente zur Entstaubungsspannungsmessung: Hogentogler & Co. Inc.

11) Drahtloser Feuchtigkeitssensor: SensorPush.

Ladungsschätzungsexperimente unter Verwendung eines Silikonölbades

Das Abprallen von Staubpartikeln zwischen parallelen Platten erfolgt mit gleichmäßiger Geschwindigkeit, wenn die Elektroden in hochviskoses Silikonöl (500 cSt) eingetaucht werden. Eine zu niedrige Viskosität des Mediums (Luft oder niedrigviskoses Silikonöl) erlaubt es den Partikeln nicht, die Endgeschwindigkeit innerhalb der Zeitdauer zu erreichen, die Staubpartikel benötigen, um von einer Platte zur anderen zu wandern. Theoretisch sollte es immer noch möglich sein, die Ladung von Teilchen abzuschätzen, indem man elektrostatische, Gravitations-, Trägheits- und viskose Kräfte ausgleicht. Trägheitskräfte konnten durch experimentelle Bestimmung der Beschleunigung mittels Hochgeschwindigkeitsbildgebung abgeschätzt werden. Da Staubpartikel jedoch nicht perfekt kugelförmig sind, prallen Partikel je nach Ausrichtung des Aufpralls mit zufälliger Geschwindigkeit zwischen den Platten ab (Film S2). Dies macht es schwierig, nützliche Informationen aus den Hochgeschwindigkeitsbildern der Staubpartikeloszillation in einem Medium mit niedriger Viskosität zu extrahieren. Eine zu hohe Viskosität (> 1000 cSt) ist ebenfalls nicht günstig, da es lange dauert, bis der dünne Ölfilm zwischen dem Partikel und der Elektrodenoberfläche verdrängt wird, damit der Staub die Elektrode physisch berührt, um aufgeladen zu werden. Daher wurde eine geeignete Viskosität des Silikonöls so ausgewählt, dass die Trägheit vernachlässigbar ist, aber das Verdrängen des Ölfilms nicht lange dauert.

Versuche zur Bestimmung der Entstaubungsspannung

Die Staubentfernungsspannung wurde abgeschätzt, indem die Ablesung der Waage gegen die angelegte Spannung gemessen wurde. Staubpartikel lösten sich von der Bodenplatte, die auf einer dreidimensional gedruckten Halterung auf der Waage platziert war, als die angelegte Spannung erhöht wurde. Bei einer bestimmten Schwellenspannung wurden die meisten Staubpartikel entfernt. Dies zeigt sich als plötzlicher Sprung in der M* -gegen – V – Kurve, wie in Fig. 4C gezeigt. Da ein Teil der elektrischen Feldlinien, die von der Bodenplatte ausgehen, auf dem oberen Teil der oberen Platte landen, landen wenige Partikel auf der oberen Platte, nachdem sie von der unteren Platte abgehoben wurden (Film S1). Um das Messen des Gewichts dieser Partikel zu vermeiden, wurde die obere Platte daher separat an Ort und Stelle gehalten, ohne dass ihr Gewicht auf die Waage fiel. Außerdem wurden die parallelen Platten etwas geneigt, um die meisten Staubpartikel bevorzugt durch die Schwerkraft unterstützt auf eine Seite fallen zu lassen. Wir verwenden den Neigungswinkel (θ ~20°), um die effektive Normalkomponente der Schwerkraft [ g cos (θ)] in Gl. 3. Die Skalenablesungen wurden nur nach dem Abschalten der Hochspannung vorgenommen, da sonst das elektrische Feld von der oberen Platte die untere Platte nach oben zieht und die Skalenablesung verringert. Da dieses Experiment wirklich gewichtsempfindlich ist, da das Gesamtgewicht des von der Platte entfernten Staubs nur ~1 g beträgt, wurde das elektrische Kabel, das mit der Bodenplatte verbunden ist, fest in seiner Position geklebt, damit es sich nicht bewegt und die Messung stört.

Versuche mit unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit

Die Feuchtigkeit wurde in einer abgedichteten Acrylkammer kontrolliert, indem der Strom von Stickstoff oder komprimierter feuchter Luft kontrolliert wurde. Die Stickstoffspülung war sehr effektiv, um eine relative Feuchtigkeit von nur 10 % zu erreichen. Zur Erhöhung der Luftfeuchtigkeit wurde zunächst ein typischer Luftbefeuchter versucht, der Nebel erzeugt, und sich als nicht effektiv erwiesen. Denn die Tröpfchen des Nebels lagern sich auf den Staubpartikeln ab und somit bleiben aufgrund der hydrophilen Natur der Oberfläche auch nach Anlegen einer Spannung Partikel zusammen mit den Wassertropfen auf der Siliziumoberfläche haften. Daher haben wir Druckluft durch einen porösen Stein (Belüftungsstein) in ein Wasserbad geblasen, was zu feuchter Luft führte, ohne dass Wassertropfen mitgerissen wurden. Diese Luft wurde in die Acrylkammer geleitet, um die Feuchtigkeit zu erhöhen. Erhöhen der Luftströmungsrate durch den Sprudelstein im Allgemeinen erhöht die relative Luftfeuchtigkeit. Es gibt jedoch eine Schwellendurchflussrate (geschätzt durch Versuch und Irrtum) von Druckluft, jenseits derer eine Erhöhung der Durchflussrate die relative Feuchtigkeit aufgrund eines geringeren Wasserdampfanteils im Vergleich zu Luft verringert. Durch diese Methode konnten wir die Luftfeuchtigkeit der Kammer auf ~80 % erhöhen. Die Durchflussraten von Stickstoff oder komprimierter feuchter Luft wurden manuell gesteuert, um unterschiedliche Feuchtigkeitswerte im Bereich von 10 bis 80 % zu erreichen. Um höhere Feuchtigkeitswerte (von 80 bis 95 %) zu erreichen, haben wir einen feuchten Schwamm verwendet, der in die vollständig abgedichtete Acrylkammer gelegt und auf die Verdunstung gewartet hat. Es dauerte bis zu 14 Stunden, bis die Kammer zu 95 % feucht war. Es gibt eine Schwellendurchflussrate (geschätzt durch Versuch und Irrtum) von Druckluft, ab der eine Erhöhung der Durchflussrate die relative Feuchtigkeit aufgrund eines geringeren Wasserdampfanteils im Vergleich zu Luft verringert. Durch diese Methode konnten wir die Luftfeuchtigkeit der Kammer auf ~80 % erhöhen. Die Durchflussraten von Stickstoff oder komprimierter feuchter Luft wurden manuell gesteuert, um unterschiedliche Feuchtigkeitswerte im Bereich von 10 bis 80 % zu erreichen. Um höhere Feuchtigkeitswerte (von 80 bis 95 %) zu erreichen, haben wir einen feuchten Schwamm verwendet, der in die vollständig abgedichtete Acrylkammer gelegt und auf die Verdunstung gewartet hat. Es dauerte bis zu 14 Stunden, bis die Kammer zu 95 % feucht war. Es gibt eine Schwellendurchflussrate (geschätzt durch Versuch und Irrtum) von Druckluft, ab der eine Erhöhung der Durchflussrate die relative Feuchtigkeit aufgrund eines geringeren Wasserdampfanteils im Vergleich zu Luft verringert. Durch diese Methode konnten wir die Luftfeuchtigkeit der Kammer auf ~80 % erhöhen. Die Durchflussraten von Stickstoff oder komprimierter feuchter Luft wurden manuell gesteuert, um unterschiedliche Feuchtigkeitswerte im Bereich von 10 bis 80 % zu erreichen. Um höhere Feuchtigkeitswerte (von 80 bis 95 %) zu erreichen, haben wir einen feuchten Schwamm verwendet, der in die vollständig abgedichtete Acrylkammer gelegt und auf die Verdunstung gewartet hat. Es dauerte bis zu 14 Stunden, bis die Kammer zu 95 % feucht war. Die Durchflussraten von Stickstoff oder komprimierter feuchter Luft wurden manuell gesteuert, um unterschiedliche Feuchtigkeitswerte im Bereich von 10 bis 80 % zu erreichen. Um höhere Feuchtigkeitswerte (von 80 bis 95 %) zu erreichen, haben wir einen feuchten Schwamm verwendet, der in die vollständig abgedichtete Acrylkammer gelegt und auf die Verdunstung gewartet hat. Es dauerte bis zu 14 Stunden, bis die Kammer zu 95 % feucht war. Die Durchflussraten von Stickstoff oder komprimierter feuchter Luft wurden manuell gesteuert, um unterschiedliche Feuchtigkeitswerte im Bereich von 10 bis 80 % zu erreichen. Um höhere Feuchtigkeitswerte (von 80 bis 95 %) zu erreichen, haben wir einen feuchten Schwamm verwendet, der in die vollständig abgedichtete Acrylkammer gelegt und auf die Verdunstung gewartet hat. Es dauerte bis zu 14 Stunden, bis die Kammer zu 95 % feucht war.

ALD zur Herstellung transparenter Elektroden

Die ALD-Abscheidung von AZO auf einem Glassubstrat wurde durch Beschichten von ZnO und Aluminium Schicht für Schicht am Center for Nanoscale Systems, Harvard University, durchgeführt. Die Schichtdicke von ZnO und Al steht im Verhältnis 40:1, so dass die Komposit-AZO-Beschichtung 2,5 % Dotierung von Al in ZnO aufweist. Wir messen die Transmission von AZO-beschichtetem Glas mit einem Ultraviolett-Vis-Spektrometer. Die Durchlässigkeit (~90 %) ist für die meisten Wellenlängen des sichtbaren Spektrums sehr nahe an der einer makellosen unbeschichteten Glasoberfläche (~92 %) (Abb. S6).

Translationsmechanismus zum Bewegen der oberen Elektrode

Die obere Elektrode besteht aus rechteckigem Aluminium und ist elektrisch geerdet. Die Elektrode ist auf der beweglichen Bühne eines Linearführungsaktuators befestigt, der die Platte entlang der oberen Oberfläche des Solarmoduls verschieben lässt. Die Drehung der Leitspindel wird von einem NEMA 23-Schrittmotor gesteuert. Zur Steuerung des Schrittmotors verwenden wir einen „Adafruit Metro M0 Express“ Mikrocontroller gekoppelt mit einem DRV8833 Schrittmotortreiber. Der Mikrocontroller und der Treiber müssen nicht separat mit Strom versorgt werden, da der Strom für den Treiber vom Mikrocontroller genommen wird. Um eine präzise Eingangsspannungs- und Stromsteuerung zu haben, können wir den Mikrocontroller mit einer Gleichspannungsquelle versorgen. Alternativ kann der Mikrocontroller auch einfach mit einer 9-V-Batterie versorgt werden. Abhängig vom Gegenmoment, das auf den Schrittmotor wirkt, Wir müssen die Eingangsspannung erhöhen, wie wir beim Betrieb des Staubentfernungsmechanismus feststellen. In solchen Fällen verwenden wir eine Gleichstromversorgung mit festem Strom, aber variabler Spannungseinstellung.

Danksagungen

Wir danken V. Jayaprakash und S. Zanardi für wertvolle Diskussionen im Zusammenhang mit dieser Arbeit. Wir danken S. McBride und A. Trias für das Korrekturlesen des Manuskripts. Wir danken auch M. Costalonga für wertvolle Diskussionen und für die Hilfe beim Aufbau des Mikrocontrollers.

Finanzierung: Diese Arbeit wurde von Eni SpA durch die MIT Energy Initiative unterstützt.

Autorenbeiträge: SP und KKV haben das Projekt konzipiert. SP und KKV analysierten die Daten und verfassten das Papier. SP führte die Experimente durch. KKV hat die Arbeiten überwacht.

Konkurrierende Interessen: SP und KKV sind Erfinder einer Patentanmeldung im Zusammenhang mit dieser Arbeit, die vom MIT eingereicht wurde (SP und KKV, „Systeme und Verfahren zum Entfernen von Staub von Solarpaneloberflächen unter Verwendung elektrischer Felder“, US-Anmeldung Nr. 62/859,654, internationales Patent Anmeldung Nr. PCT/US20/36829). Die Autoren erklären, dass sie keine anderen konkurrierenden Interessen haben.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien: Alle Daten, die zur Bewertung der Schlussfolgerungen in der Arbeit erforderlich sind, sind in der Arbeit und/oder den ergänzenden Materialien vorhanden.

Zusatzmaterialien

Diese PDF-Datei enthält:

Ergänzender Text

Feigen. S1 bis S6

HERUNTERLADEN (2,50 MB)

Weiteres ergänzendes Material für dieses Manuskript umfasst Folgendes:

Filme S1 bis S7

HERUNTERLADEN (105,65 MB)

REFERENZEN UND ANMERKUNGEN

I. Energieagentur, „Die IEA untersucht das gesamte Spektrum von Energiefragen, einschließlich Öl“ (2018); www.iea.org/t&c/ .