太陽光発電は、2030年までに世界の発電量の10％に達すると予想されています。
しかし、太陽光パネルへのほこりの蓄積により出力が30％低下する可能性がある一方、パネルの清掃には年間約100億ガロンの水が使われています。
MITの技術者らは、水が限られた地域の太陽光発電設備で、ほこりを除去する非水式の清掃手法を開発しました。
新しいシステムは静電気の反発力を利用し、ほこりの粒子を剥がしてパネル表面から浮き上がらせるように飛び去らせます。
太陽光発電は、2030年までに世界の発電量の10パーセントに達すると予想されており、その多くは日照に恵まれた砂漠地帯に立地する見込みです。しかし、太陽光パネルや鏡へのほこりの蓄積はすでに重大な問題となっており、わずか1カ月で光起電力パネルの出力を最大30パーセントも低下させる可能性があります。そのため、このような設備では定期的な清掃が不可欠です。
しかし現在、太陽光パネルの清掃には年間約100億ガロンの水が使われていると推定されており、これは最大200万人の飲料水を賄える量です。水を使わない清掃の試みは労働集約的で、表面に取り返しのつかない傷をつけやすく、それもまた効率を低下させます。今回、MITの研究チームは、太陽光パネルや太陽熱発電所の鏡を、水を使わず接触しない方式で自動的に清掃する方法を考案しました。研究者らによれば、この方法はほこりの問題を大幅に軽減できる可能性があるとのことです。
新しいシステムは静電気の反発力を利用し、水やブラシを必要とせずに、ほこりの粒子を剥がしてパネル表面から浮き上がらせるように飛び去らせます。システムを作動させるには、太陽光パネル表面のすぐ上を簡易的な電極が通過し、ほこりの粒子に電荷を与えます。その後、パネル自体に加えられた電荷によって粒子が反発されます。このシステムは、パネルの側面に沿って設置した簡易な電動モーターとガイドレールを用いて自動運転することができます。この研究は学術誌『Science Advances』に掲載されており、MIT大学院生のSreedath Panat氏と機械工学教授のKripa Varanasi氏による論文です。
世界中で太陽光パネルの効率をさらに高める努力が続けられる中、Varanasi氏は、「ほこりのような些細な問題が、全体に深刻な打撃を与えかねない」と述べています。Panat氏とVaranasi氏が実施した室内試験では、ほこりの蓄積の初期段階でパネルのエネルギー出力が急激に低下し、清掃せずに1カ月経過しただけで容易に30パーセントの減少に達しうることが示されました。さらに、150メガワットの太陽光発電設備で電力が1パーセント減少するだけでも、年間収益が20万ドルの損失になりうると試算しました。研究者らによれば、世界全体では、太陽光発電所の出力が3～4パーセント減少すると、33億ドルから55億ドルの損失に相当するとのことです。
「太陽光発電材料の分野では非常に多くの研究が行われています」とVaranasi氏は述べています。「研究者は境界を押し広げ、効率をわずかずつ向上させようとしていますが、ここにはそれをすべて一瞬で台無しにしかねないものがあるのです。」
中国、インド、アラブ首長国連邦、米国などにある、世界最大級の太陽光発電設備の多くは砂漠地帯に立地しています。こうした太陽光パネルの清掃には加圧式の水噴射が使われますが、その水は遠方からトラックで運搬しなければならず、表面に残留物が付着しないよう非常に純度の高い水が必要です。乾式のスクラビングが用いられることもありますが、表面の清掃効果が低く、永続的な傷をつけて光の透過率を低下させる場合もあります。
水による清掃は、太陽光発電設備の運用コストの約10パーセントを占めています。研究者らによれば、新しいシステムは、自動清掃をより頻繁に行えるようにすることで、こうしたコストを削減しつつ、発電出力全体を向上させる可能性があるとのことです。
「太陽光産業の水の足跡は驚くほど大きく」、設備が世界中で拡大し続けるにつれて、その規模はさらに増大するとVaranasi氏は述べています。「そのため、業界は、持続可能な解決策とするための方法について、非常に慎重かつ思慮深くある必要があります。」
他のグループも静電気を利用した解決策の開発を試みてきましたが、それらは交互配置電極を用いた「電気力学スクリーン」と呼ばれる層に依存していました。Varanasi氏によれば、こうしたスクリーンには欠陥が生じて湿気が入り込み、故障につながることがあります。火星のように湿気が問題にならない場所では有用かもしれませんが、地球上の砂漠のような環境でも、これは深刻な問題になりえるとのことです。
今回開発された新しいシステムは、パネル上を通過させる電極（簡単な金属棒でも可能）が1本あれば足り、その移動中に電場を発生させてほこりの粒子に電荷を与えます。太陽光パネルのガラス表面に成膜された、厚さわずか数ナノメートルの透明導電層に逆の電荷を加えると、粒子が反発されます。適切な電圧を計算することで、研究者らは、重力や付着力に打ち勝ってほこりを浮き上がらせるのに十分な電圧範囲を見出すことができました。
粒径の異なる特別に調製した室内試験用のほこりサンプルを用いた実験により、このプロセスは室内規模の試験設備で効果的に機能することが実証されたと、Panat氏は述べています。試験では、空気中の湿度によって粒子の表面に薄い水の膜が形成され、これが効果を発揮するうえで極めて重要であることが分かりました。「湿度を5パーセントから95パーセントまで変えて実験を行いました」とPanat氏は述べています。「周囲の湿度が30パーセントを超えていれば、表面のほぼすべての粒子を除去できますが、湿度が低下するにつれて除去は難しくなります。」
Varanasi氏は、「良い知らせは、湿度が30パーセントに達すると、ほとんどの砂漠がこの条件に該当するということです」と述べています。さらに、通常それより乾燥している地域でも、早朝には湿度が高くなり露が発生する傾向があるため、清掃をそれに合わせて行うことができるとのことです。
「さらに、高湿度や中程度の湿度ですら機能しない電気力学スクリーンに関する従来の研究とは異なり、当社のシステムは湿度95パーセントという高い条件でも、無期限に機能させることができます」とPanat氏は述べています。
実際に大規模に導入する場合、各太陽光パネルの両側にレールを取り付け、パネル全体にわたって電極を架け渡すことが考えられます。パネル自体の出力のごく一部を利用する小型の電動モーターでベルトシステムを駆動し、電極をパネルの一端から他端まで移動させることで、すべてのほこりを払い落とします。この全工程は自動化するか、遠隔操作することも可能です。あるいは、可動部品を不要にするため、導電性透明材料の薄い帯をパネルの上方に恒久的に配置する方法も考えられます。
遠方から運搬される水への依存をなくし、腐食性化合物を含むことがあるほこりの蓄積を防ぎ、全体的な運用コストを引き下げることにより、こうしたシステムは太陽光発電設備の全体的な効率と信頼性を大幅に向上させる可能性を持っているとVaranasi氏は述べています。
この研究は、イタリアのエネルギー企業Eni S.p.A.による、MITエネルギーイニシアティブを通じた支援を受けています。
