Как защитить фотоэлементы солнечных батарей

Снег и неподвижные солнечные батареи вполне дружат между собой — даже там, где снега столь же много, как в большинстве российских регионов. Но в мировом масштабе ещё больший интерес представляет борьба не со снегом, а с другими загрязнителями фотоэлементов — песком и пылью. В самом деле, если коэффициент использования установленный мощности горизонтальной солнечной батареи в большинстве евростран равен 10%, в Японии — 12%, то уже в Астрахани он может достигать 20%, а в Чили, Северной Африке и тому подобных местах — 40%. Попросту говоря, установленная в таких местах солнечная батарея принесёт вчетверо больше электричества в год, чем в Берлине, поэтому интерес к борьбе с песком энергетически даже более значим, чем в случае снега. Группа исследователей во главе со Скоттом Хантером (Scott Hunter) из Национальной лаборатории Оук-Ридж (США) попробовала решить этот вопрос сначала для солнечных отражателей — зеркал, концентрирующих свет на гелиотермальных электростанциях, которые в строительстве выходят дороже фотоэлементных, но в течение суток работают дольше. Для этого использовалось ранее созданное в лаборатории супергидрофобное покрытие, углы контакта которого с каплями и отдельными частицами достигают 150°. Благодаря этому оно эффективно отталкивает не только воду, но и вязкие жидкости и отдельные частицы. Поскольку покрытие наносится разбрызгиванием на поверхность и не требует сложных технологий, стоимость его невелика. В то же время оно довольно прозрачно. Однако, в отличие от обычного супергидрофобного слоя, включающего рассеянные по нему частицы размером в сотни нанометров, новое покрытие не должно мешать прохождению солнечных лучей с длиной волны от 250 до 3 000 нм. То есть размер нановключений обязан быть значительно меньше этих цифр. В конечном счёте, используя органические компоненты стандартного супергидрофобного покрытия, учёные совместили его с наночастицами кварца, размерами не больше сотни нанометров. Прозрачность его в указанном диапазоне оказалась столь велика, что потери из-за покрытия ни в какой части диапазона не превысили 0,3%. Испытания на устойчивость к жёсткому ультрафиолету не выявили следов деградации после нескольких сот часов усиленного облучения — значительно более интенсивного, чем реально достижимое на земной поверхности. Успешно прошли и испытания соляным туманом, воспроизводящим условия морского побережья. Затем разработку нанесли на стеклянное покрытие (имитация реального положения дел с солнечными рефлекторами и фотоэлементами). Испытываемые поверхности поместили в аэродинамический туннель, где в воздушный поток подбрасывался песок. Песчинки, к счастью, не прилипали к покрытию, показав его высокую стойкость к запылённости. Кроме того, их соударения с поверхностью не вызывали микроцарапин, то есть устойчивость к ветровой эрозии у этих поверхностей оказалась на высоте.

Учитывая, что стандартное падение эффективности фотоэлементов от запылённости достигает 5–6%, а для рефлекторов, альбедо которых от песка падает много резче, может составить и 10–20%, стоимость решения оправдывает не только установку на новые батареи, но и нанесение из распылителей на уже действующие солнечные батареи.

Сейчас исследователи рассматривают возможность использования того же типа покрытия для так называемых прохладных крыш — белых кровель с высоким альбедо в широком диапазоне, снижающих нагрев жилища летом и его охлаждение (за счёт ИК-излучения) зимой. В сравнении с тёмно-зелёными крышами (поглощающими самую энергетически насыщенную часть солнечного излучения) такая кровля сокращает расходы на кондиционирование на 20%, причём даже при нормальной теплоизоляции крыши; при массовом же использовании белая покраска ещё и снижает температуру летом. Поэтому в той же Калифорнии с 2005 года белые плоские крыши стали стандартом при строительстве жилых и коммерческих зданий. Впрочем, при всей привлекательности подобных решений (малая стоимость, так как крыши всё равно должны быть чем-то окрашены) их использование в сухом климате неизбежно связано с накоплением пыли, систематическое удаление которой — проблема; в противном случае альбедо резко падает и тянет за собой «кондиционирующие» свойства кровли. Как надеются исследователи, новое покрытие поможет решить и эту проблему сравнительно недорогим способом.