طلاء ينظف نفسه بنفسه

طورت فريق بحثي طلاءً شفافاً فائق الكراهية للماء ذاتي التنظيف يزيد كفاءة الخلايا الشمسية بنسبة 4.75 في المئة، ويعالج أحد أكثر المشاكل إلحاحاً وتكلفة في الطاقة الشمسية: الألواح المتسخة. يسبب الطلاء قطرات الماء في التجمع والانزلاق عن السطح، حاملة معها الغبار وحبوب اللقاح والحطام الآخر بعملية تحاكي خصائص التنظيف الذاتي لأوراق اللوتس.

يمكن لهذه التكنولوجيا أن توفر على صناعة الطاقة الشمسية مليارات الدولارات في تكاليف الصيانة بينما تزيد في الوقت ذاته من العائد الكهربائي عبر المنشآت في جميع أنحاء العالم. خسائر الأوساخ، المصطلح التقني لتقليل الكفاءة الناجم عن الألواح المتسخة، عادة ما تقلل من إنتاج الطاقة الشمسية بنسبة 5 إلى 25 في المئة حسب الموقع والمناخ وتكرار التنظيف.

كيفية عمل الطلاء

يعتمد الطلاء على صيغة سيليكا نانوية البنية تخلق نسيجاً سطحياً متدرجاً على المستوى المجهري. يحتبس هذا النسيج الهواء تحت قطرات الماء، مما يقلل بشكل كبير من منطقة التلامس بين القطرة والسطح. النتيجة هي زاوية تلامس تزيد عن 150 درجة، مما يعني أن الماء يجلس على السطح بشكل كروي تقريباً قبل أن ينزلق بأقل ميل.

عندما تنزلق القطرات عبر اللوح، تلتقط المواد الجزيئية من خلال مزيج من الالتصاق وقوى الخاصرة. تعمل هذه آلية التنظيف السلبية مع الأمطار الطبيعية أو الندى الصباحي أو حتى تكاثف الرطوبة، مما يعني أن الألواح في معظم المناخات تتلقى تنظيفاً منتظماً دون تدخل بشري أو أنظمة ميكانيكية.

بشكل حاسم، يحافظ الطلاء على شفافية ضوئية عالية عبر الطيف الشمسي. حاولت محاولات سابقة للطلاءات فائقة الكراهية للماء في كثير من الأحيان التضحية بنقل الضوء من أجل خصائص طرد الماء، مما أسفر عن نتيجة سيئة أو حتى تقليل في إنتاج الطاقة. حل الباحثون هذه المشكلة بتحسين أبعاد النانو البنية لتقليل تشتت الضوء مع الحفاظ على التأثير فائق الكراهية للماء.

الاختبار وبيانات الأداء

تم قياس تحسن الكفاءة بنسبة 4.75 في المئة على مدار تجربة حقلية مدتها ستة أشهر تقارن الألواح المطلية وغير المطلية في ظروف متطابقة. حافظت الألواح المطلية على إنتاج أعلى بشكل متسق، مع اتساع فجوة الأداء خلال الفترات الجافة والغبارية عندما تراكم الغبار على الألواح غير المطلية بشكل كبير.

أظهر اختبار المتانة أن الطلاء احتفظ بخصائصه فائقة الكراهية للماء بعد التعرض للإشعاع فوق البنفسجي وتدوير درجة الحرارة بين ناقص 20 و 85 درجة مئوية والتأثير المحاكى للبرد. يعتقد الباحثون أن الطلاء حافظ على خصائص الأداء لمدة 18 شهراً على الأقل من اختبارات الشيخوخة المعجلة، أي ما يعادل حوالي خمس سنوات من التعرض الحقلي.

يمكن تطبيق الطلاء على الألواح الشمسية الموجودة من خلال عملية الرش التي لا تتطلب فك التجميع أو معدات متخصصة. تعني هذه القدرة على التحديث أن التكنولوجيا يمكنها الاستفادة من القاعدة المثبتة الضخمة من الألواح الشمسية في جميع أنحاء العالم، وليس فقط التثبيتات الجديدة.

التأثير الاقتصادي على عمليات الطاقة الشمسية

يعتبر تنظيف الألواح مكوناً مفاجئاً باهظ التكلفة من عمليات مزارع الطاقة الشمسية. قد تتطلب التثبيتات واسعة النطاق في المناطق القاحلة مثل الشرق الأوسط وشمال أفريقيا والجنوب الغربي الأمريكي التنظيف كل بضعة أسابيع، باستخدام الأنظمة الروبوتية أو العمل اليدوي أو الغسيل الذي يتطلب الكثير من المياه. تقدر وكالة الطاقة الدولية أن الأوساخ تكلف صناعة الطاقة الشمسية العالمية ما بين 3 مليار و 5 مليار دولار سنوياً في الخسائر الناتجة والنفقات المتعلقة بالتنظيف.

يمكن لطلاء يلغي الحاجة إلى التنظيف النشط مع زيادة إنتاج الطاقة أن يغير بشكل أساسي اقتصاديات عمليات الطاقة الشمسية. حتى في المناخات المعتدلة حيث يكون الأوساخ أقل حدة، يمثل الربح التراكمي في الكفاءة على مدار عمر اللوح من 25 إلى 30 سنة إيرادات إضافية كبيرة.

يقدر الباحثون أن الطلاء يضيف أقل من نسبة اثنين في المئة إلى تكلفة اللوح بينما يوفر مكاسب في الكفاءة تدفع لنفسها خلال السنة الأولى. بالنسبة لتثبيتات على نطاق المرافق مع عشرات الآلاف من الألواح، ستكون الادخار في تكاليف التنظيف وحدها كبيرة.

الخطوات التالية

يعمل فريق البحث مع شركاء التصنيع لتوسيع الإنتاج وتطوير أنظمة التطبيق الآلية لمصانع الألواح الشمسية. يتوقعون توفر تجاري في غضون 12 إلى 18 شهراً، مع التركيز الأولي على التثبيتات على نطاق المرافق في البيئات عالية الأوساخ. مع استمرار التوسع السريع في القدرة الشمسية المثبتة عالمياً، تصبح التكنولوجيات التي تحسن الأداء وتقلل من تكاليف تشغيل الألواح الموجودة ذات قيمة متزايدة.

تستند هذه المقالة إلى التقارير من PV Magazine. اقرأ المقالة الأصلية.