Une condition préalable au fonctionnement efficace des technologies photovoltaïques (PV) et d’énergie solaire à concentration (CSP) est une exposition aussi directe que possible au rayonnement électromagnétique du soleil. Étant donné que la poussière et les particules similaires sont excellentes pour bloquer les parties du spectre EM qui déterminent leur efficacité, garder les panneaux et les miroirs exempts de l’accumulation de poussière, de lichen, de déjections d’oiseaux et d’autres avantages de la vie planétaire est une tâche quotidienne pour l’énergie solaire. exploitants agricoles. Généralement, le nettoyage des panneaux et des miroirs implique de faire circuler des camions avec un grand réservoir d’eau pour laver la saleté sous pression, mais l’utilisation d’une telle quantité d’eau est problématique dans de nombreuses régions.
Garder les panneaux photovoltaïques propres est également une considération sur d’autres planètes que la Terre. Jusqu’à présent, plusieurs rovers et atterrisseurs martiens ont trouvé leur mort aux mains de la poussière martienne après qu’une couche ait recouvert leurs panneaux photovoltaïques, et la poussière lunaire (régolithe lunaire) ne va guère mieux. Malgré les suggestions répétées de la galerie d’arachides d’installer des essuie-glaces, des ventilateurs ou des techniques similaires de dépoussiérage, empêcher les particules de coller à une surface n’est pas un défi technique aussi facile qu’il n’y paraît, avant même d’examiner des détails tels que les problèmes de mise à l’échelle entre un robot singulier sur Mars contre des millions de panneaux et de miroirs sur Terre.
Des recherches ont été menées sur l’utilisation de l’effet électrostatique pour repousser la poussière, mais existe-t-il une méthode qui puisse garder les robots solaires sur Mars et les fermes solaires sur Terre propres et étincelants, plutôt que sales et sombres ?
Définir le problème
Les surfaces sur Terre ainsi que sur d’autres corps planétaires, y compris la Lune terrestre, ont tendance à se recouvrir de particules par divers mécanismes, ce qui entraîne un phénomène appelé «salissure». Alors que sur la Lune, il n’y a pas beaucoup de mécanismes pour cela – en l’absence d’une atmosphère importante et d’oiseaux – au-delà des perturbations mécaniques, sur Mars et la Terre, les particules sont constamment transportées par l’atmosphère et déposées par des phénomènes tels que le vent et les tourbillons de poussière.
Bien que le même mouvement atmosphérique puisse également éliminer une partie de la matière ainsi déposée – comme cela est arrivé à plusieurs reprises aux rovers martiens à énergie solaire lors du passage de diables de poussière – une grande partie de la matière est retenue à la surface, par des charges statiques, l’absorption d’humidité et d’autres mécanismes. suffisamment solides pour empêcher la gravité et une légère brise de l’enlever. Sur Terre, il y a le défi supplémentaire des espèces dites pionnières, qui comprennent principalement le lichen.
Partout où il y a suffisamment d’humidité, le lichen est susceptible de se trouver sur toute surface disponible qui n’est pas déjà peuplée par d’autres espèces. Ils peuvent trouver un achat sur des surfaces allant du sol à l’écorce et à la roche, ainsi que sur le verre recouvrant les panneaux solaires photovoltaïques, ce qui rend la croissance des lichens sur ces panneaux particulièrement problématique dans les climats (semi-)tropicaux et modérés. Pendant ce temps, dans les régions désertiques, la poussière minérale est le problème d’encrassement le plus important, qui se trouve être également les régions où les fermes solaires sont les plus efficaces et rendent ainsi les technologies de panneaux autonettoyants électrostatiques et similaires
Quant aux lichens, algues et assimilés, ici la solution semble être soit de l’huile de coude et un bon récurage des panneaux touchés avant que la surface vitrée ne soit trop endommagée, soit des revêtements expérimentaux censés inhiber la croissance de ces espèces pionnières. Comme l’a dit un jour une personne célèbre, la vie trouve un chemin. Au-delà des biocides et des mécanismes antisalissures similaires, il ne semble pas y avoir grand-chose à faire contre la croissance de ces biofilms, mais heureusement, ils se développent beaucoup plus lentement qu’une couche solide de poussière.
La perte de puissance des panneaux solaires PV due à l’encrassement par la poussière minérale est assez dramatique. Par exemple, un article de 2018 de Cordero et ses collègues de Rapports scientifiques qui a étudié l’impact de la poussière sur les panneaux photovoltaïques dans le désert d’Atacama a noté que sans nettoyage, les panneaux perdaient jusqu’à 39% de la production après un an, ce qui s’améliorait avec des panneaux situés plus près des régions où il pleuvait plus fréquemment.
Dans les régions désertiques avec des tempêtes de poussière minérale plus sévères, l’accumulation de poussière sur les panneaux photovoltaïques est un processus très rapide, comme l’ont noté Sreedath Panat et ses collègues dans un article de 2022 dans Avancées scientifiques (communiqué de presse du MIT) dans lequel ils démontrent une méthode de répulsion électrostatique pour les panneaux photovoltaïques. Dans certaines régions (avec des taux d’empoussièrement proches de 1 g/m2 par jour) la production de panneaux peut être réduite jusqu’à 50 % après un mois, ce qui rend indispensable un nettoyage régulier (plusieurs fois par mois) avec des jets d’eau sous pression. Bien que des moyens de nettoyage mécaniques soient également possibles, ceux-ci risquent de rayer et d’endommager autrement le verre du panneau, ce qui affecterait négativement les performances de manière plus permanente que la poussière.
Essuyer les problèmes
La solution proposée par Sreedath Panan et al. implique un engin qui se déplace perpendiculairement sur la surface à nettoyer de la poussière minérale, un peu comme ramasser des morceaux de papier avec un ballon chargé en électricité statique. Un détail important noté dans l’article est que la poussière minérale (30 à 75% constituée de silice) est électriquement isolante par elle-même, mais devient conductrice lorsqu’elle adsorbe l’humidité, ce qui lui permet d’être chargée lorsqu’elle est exposée à une électrode.
Dans la configuration expérimentale utilisant un analogue de la poussière du désert (Arizona Test Dust, de Powder Technology Inc.), les deux facteurs importants étaient la teneur en humidité de la poussière et la taille des particules, avec une humidité relative d’environ 30 % requise. En fonction de la taille des particules, la production de panneaux photovoltaïques a été récupérée d’environ 20 % (couvert de poussière) à 80 – 95 % (nettoyé). Ici, les particules de 30 μm étaient les plus difficiles à éliminer, ce qui entraînait la récupération la plus faible de la puissance de sortie perdue.
En utilisant cette méthode, le nettoyage à l’aide de jets d’eau ne serait pas rendu inutile, mais il est concevable que le nombre de nettoyages puisse être réduit, en supposant que ce prototype à petite échelle puisse être adapté à une version qui fonctionnerait avec des fermes à grande échelle. Chaque panneau devrait probablement avoir sa propre plaque comme celle-ci, ainsi qu’un équivalent au revêtement d’oxyde de zinc dopé à l’aluminium (AZO) utilisé comme électrode sur le verre du panneau. Ici, le coût supplémentaire d’un système mécanique et d’un revêtement de panneau personnalisé devrait concurrencer économiquement un camion-citerne et une poignée de types pour gérer le nettoyeur haute pression.
Hors de ce monde
Les lecteurs attentifs ont peut-être remarqué un léger problème avec la méthode électrostatique proposée par Sreedath Panan et al., en ce sens qu’elle nécessite la présence d’humidité pour fonctionner. C’est une propriété qui rendrait les chercheurs lunaires et martiens ravis si elle était vraie, mais en l’absence d’humidité, un mécanisme différent est possible sous la forme de forces électrostatiques et électrophorétiques, comme l’ont étudié CI Calle et al. (2011, PDF) à la NASA avec un accent sur les expéditions lunaires et martiennes.
Plutôt que les meilleurs de l’Arizona, ces expériences ont été menées avec des analogues de poussière martien (JSC Mars-1) et lunaire (JSC-1A et JSC-1AF) dans un vide poussé, montrant que les panneaux PV expérimentaux sont capables de rejeter la plupart de la poussière. après quelques minutes, récupérant environ 90% de la sortie. Après cette application continue de puissance au système, la puissance de sortie a continué à s’améliorer progressivement.
Comme l’ont noté Calle et al., cette technique de dépoussiérage électrodynamique n’est pas nouvelle, mais a d’abord été développée en tant que concept de « rideau électrique » par FB Tatom et al. à la NASA, avec des recherches supplémentaires effectuées à l’Université de Tokyo dans les années 1970. Jusqu’à présent, cette technologie n’a pas été appliquée aux panneaux photovoltaïques ou à d’autres surfaces (par exemple, les lentilles optiques) lors de missions opérationnelles telles que les rovers martiens. À la base, il s’agit d’un système assez simple qui crée une onde progressive en ayant une série d’électrodes parallèles connectées à une source de courant alternatif triphasé.
Parce qu’ici, les électrodes (transparentes) sont placées sur le panneau PV ou le tissu (voir l’article 2008 pour plus de détails), il n’y a aucune exigence de système mécanique et peu d’espace supplémentaire est nécessaire. Cela le rend parfaitement adapté aux missions spatiales où le poids et l’espace sont limités et où les éléments mécaniques sont au mieux problématiques. La question de savoir si un tel système pourrait également être adapté pour être utilisé sur des panneaux solaires PV et des miroirs solaires sur Terre reste une question ouverte, mais avec un peu de chance, les futurs rovers solaires sur Mars pourront secouer la poussière de leurs panneaux PV si cela la technologie est approuvée pour les missions futures.
