Грязный воздух мешает солнечной энергетике

Количество твердых пылевых частиц в воздухе так сильно влияет на поступающую солнечную радиацию, что воздействие пылевого экрана учитывают при оценке изменений климата. В 2017 году американские ученые совместно с индийскими и китайскими коллегами решили выяснить, сколько энергии теряют солнечные электростанции из-за пыли и промышленных выбросов в воздухе.

В крупном индийском городе Ахмадабаде ученые через промежутки времени собрали два образца пыли с участков солнечных панелей электростанций. Затем образцы взвесили и при помощи лазерной дифракции определили точный размер частиц. С помощью масс-спектрометрии в них определили содержание углерода, азота и водорода. Так ученые узнали не только общую пылевую массу, осаждавшуюся на солнечные панели, но и долю карбонатов и силикатов в пыли. Эта доля говорит о степени загрязнения воздуха промышленными выбросами, ионными аэрозолями, продуктами сгорания угля и нефти и другими продуктами деятельности человека, поэтому позволяет оценить его «вклад» в загрязнение воздуха, а следовательно, в энергетические потери солнечных электростанций.

Известно, что аэрозольные частицы, присутствующие в воздухе, рассеивают солнечное облучение. Исследование показало, что при переходе от относительно низких к высоким уровням аэрозольной нагрузки в загрязненных районах доля рассеивания света увеличивается с 15 до 40%.

Поскольку солнечные электростанции работали все время, пока копились и собирались образцы (2,5 месяца), ученые впервые смогли точно подсчитать, как толщина, состав и время накопления пыли повлияли на выработку солнечной энергии. До сих пор судить о потерях энергии можно было только приблизительно.

Сопоставив лабораторные данные с мировой климатической моделью CMIP5, исследователи установили, что в регионах с высоким содержанием твердых частиц и продуктов горения (антропогенных углеродных компонентов) в воздухе, доступность солнечной энергии меньше, чем в районах с чистым воздухом.

Важнейшим фактором потери солнечной энергии оказалось оседание пыли на поверхности солнечных панелей. Из-за этого количество солнечной энергии, попадающей на фотоэлементы, уменьшается на 17—25% по сравнению с регионами, где воздух относительно чистый.

Исследователям удалось подсчитать, что из-за загрязненности солнечных панелей такие регионы, как Индия и Китай, теряют соответственно 1 и 11 ГВт электроэнергии в год. Для сравнения: мощность Владимирской ТЭЦ-2 — 596 Мвт.

Измерение времени оседания пыли и сопоставление толщины пылевого слоя с энергоэффективностью солнечных электростанций показало, как важно вовремя отмывать солнечные панели. Оказалось, что, если очищать панели каждые 20—30 дней, выработка энергии увеличивается в среднем на 50%.

Ученые надеются, что их работа дала убедительные основания для принятия дополнительных мер по контролю за выбросами.

Статья опубликована в журнале Environmental Science & Technology Letters.

Солнечная энергетика — одна из самых перспективных областей «зеленой энергетики», но главная сложность здесь — низкий КПД самих батарей. Недавно коллективу российских ученых удалось создать более эффективные солнечные элементы.