Солнечные батареи и вода: можно ли очистить фотоэлементы в космосе от пыли и если да, как обойтись без H2O

Чистые и новые солнечные панели работают на все 100%, т.е. вырабатывают максимум энергии. Если поверхность фотоэлемента загрязняется, он работает уже не так эффективно, соответственно, даёт меньше энергии. Загрязнения могут быть самыми разными — от грунтовой пыли до птичьего, простите, помёта. 

На Земле очищать поверхность солнечных панелей достаточно просто. Берём грузовик с цистерной, полной воды, подъезжаем к панелям, подключаем шланг и начинаем процесс очищения. Но что делать в удалённых регионах или в космосе? Давайте обсудим. 

Проблемы и методы их решения

Некоторые эксперты предлагают установить нечто, напоминающее обычные автомобильные «дворники». Но снова-таки, если на Земле сделать это относительно несложно, то для других планет и/или открытого космического пространства это может оказаться комплексной технологической задачей. И решить её не так и просто. 

Кроме механической очистки предлагаются и другие методы, включая электростатический эффект, который даёт возможность отталкивать пыль. 

На Земле и других планетах горизонтальные поверхности постепенно покрываются пылью. На Луне и других объектах без атмосферы это не такая уж и проблема, поскольку нет ни ветра, ни животных, ничего. Поэтому осаждение пыли происходит крайне медленно. 

А вот если взять Марс или Землю, то тут активность этих процессов гораздо выше. Как уже говорилось, на Земле фотоэлемент можно почистить, пусть и раз в год, если он расположен в труднодоступной местности. Но на Марсе этот вариант не подходит. Там некому и нечем чистить. Правда, иногда случается так, что пыль, налипшую относительно толстым слоем, сдувают воздушные потоки. Они всё ещё есть на Красной планете. Это бывает нечасто, но все же случается. 

Связь между загрязнённостью фотоэлементов и погодными условиями региона

На Земле есть ещё одна проблема — лишайники, водоросли, грибки и прочие организмы. Там, где достаточно влаги, они будут постепенно нарастать на горизонтальных поверхностях. Если речь о пустыне или пустынных территориях, то будет много пыли. Если же иметь в виду регионы, близкие к морю/океану/лесу, имеем дело с птицами и следами их жизнедеятельности. Ну а если неподалеку расположена трасса или промышленное предприятие, то фотоэлементы будут загрязнены соответствующими веществами. И в каждом случае приходится искать какой-то выход, способ очистки или предотвращения загрязнения. 

Но самая большая проблема всё же пыль. Так, потеря выработки энергии фотоэлементами, установленными в пустыне Атакама, составляет до 39% всего через год после установки. Чем ближе к регионам, где идут дожди, тем меньше пыли. Ну и в пустынных регионах с сильными бурями загрязнение идёт очень быстро. Здесь может прийти на помощь метод электростатического отталкивания для фотоэлектрических модулей. Он даёт возможность снизить объем загрязнения на 50%, что весьма неплохо. 

Что это за метод? 

Он предусматривает очистку фотоэлемента при помощи площадки, которая перемещается горизонтально над поверхностью фотоэлемента. Процесс напоминает сбор кусочков бумаги воздушным шариком посредством статического электричества : система очистки использует принцип электростатического отталкивания, заставляя частицы пыли фактически отскакивать от поверхности панели.  Для этого электрод, выполненный в виде металлической шины, проходит над поверхностью панели, сообщая частицам пыли электрический заряд. Затем заряд такой же полярности прикладывается к поверхностному слою панели. А так как между одноимённо заряженными телами возникает электростатическое (или кулоновское) отталкивание, пыль либо просто унесет ветром, либо она осыплется сама.

Здесь есть ещё одна проблема. Дело в том, что пыль, которая на 30-75% состоит из диоксида кремния, сама по себе диэлектрик. Но вот если в атмосфере есть влага, то пыль её адсорбирует и теперь на неё можно влиять статикой. 

В экспериментальной установке провели несколько опытов, в результате чего выяснилось, что лучше всего поверхность очищается при относительной влажности в 30%. Ещё один важный фактор — размер частиц пыли. Так, в зависимости от него загрязнение снижалось с 80% (полностью покрытые пылью фотоэлементы) до 20-15%. Хуже всего очищаются микрочастички размером 30 мкм. 

Этот метод уже рассматривается в качестве одного из вариантов очистки больших площадей фотоэлементов, расположенных в пустынных областях Земли. Дело в том, что обычно солнечные панели очищают при помощи струй воды. По оценкам специалистов, для очистки солнечных панелей требуется около 38 миллионов кубометров  воды в год. Этого достаточно, чтобы обеспечить питьевой водой 2 миллиона человек.

Хорошо, но причем тут космос? 

Поскольку воду на Луне или Марсе начнут добывать не скоро, то для очистки фотоэлементов находящихся там устройств можно использовать комплексный метод. Он является комбинацией как электростатики, так и электрофоретики. Этот метод сейчас разрабатывают в NASA. Предварительное тестирование показало, что он достаточно надежный. Всего через несколько минут после начала испытаний удалось избавиться от 90% налипшей на поверхность солнечных панелей пыли. 

При этом даже перемещать над поверхностью ничего не нужно, всё работает без дополнительных движущихся компонентов (схема выше). Так что такой способ, насколько можно судить, отлично подходит для применения в космосе и на других планетах. Там важен каждый грамм веса, воды нет, а механические системы требуют многократных проверок. Соответственно, если будет использоваться пассивный способ очистки панелей, то он вполне сможет стать основным для решения такой задачи.