Migliora le prestazioni dei pannelli solari fotovoltaici in modo autonomo

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21236 (2022) Citare questo articolo

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I pannelli solari fotovoltaici (PV) sono influenzati negativamente dall'accumulo di polvere. La variazione nella densità della polvere da un punto all'altro aumenta il rischio di formazione di punti caldi. Pertanto, è stato utilizzato un nanorivestimento PDMS/SiO2 preparato per ridurre la polvere accumulata sulla superficie dei pannelli fotovoltaici. Tuttavia, l’efficacia di questi rivestimenti è fortemente influenzata da fattori geografici e climatici. Sono stati installati tre moduli fotovoltaici identici per eseguire simultaneamente test sperimentali comparabili. Il primo modulo è rivestito con il nanorivestimento PDMS/SiO2 preparato, il secondo è rivestito con un nanorivestimento commerciale e il terzo modulo non è rivestito e funge da riferimento. Il nanorivestimento preparato era idrofobo e aveva un effetto autopulente. I fattori di riempimento per il pannello di riferimento (RP), il pannello nanorivestito commerciale (CNP) e il pannello nanorivestito preparato (PNP) erano rispettivamente 0,68, 0,69 e 0,7. Dopo 40 giorni di esposizione alle condizioni esterne, la densità della polvere sulle superfici dei pannelli RP e PNP era rispettivamente di 10 e 4,39 g/m2. Pertanto, l'efficienza del pannello nanorivestito è risultata superiore del 30,7% a quella del pannello di riferimento.

La radiazione solare può essere suddivisa in tre bande d'onda principali: Radiazione ultravioletta (UV) per lunghezze d'onda inferiori a 400 nm (fotoni con energia superiore a 3,1 eV). Radiazione visibile (VIS) per lunghezze d'onda comprese tra 400 e 760 nm (energia dei fotoni compresa tra 1,6 e 3,1 eV). Radiazione infrarossa (IR) per lunghezze d'onda superiori a 760 nm (energia dei fotoni inferiore a 1,6 eV). Il vicino infrarosso (NIR) ha una portata fino a 4 m1. L’Egitto ha un’elevata irradianza solare con un’irradianza globale annuale superiore a 2000 kWh/m22. L'orientamento ottimale di un sistema di conversione solare è verso l'equatore, ottenendo un orientamento a sud nell'emisfero settentrionale (angolo di azimut = 0); e un orientamento verso nord nell'emisfero meridionale (angolo di azimut = 180). L'angolo di inclinazione ottimale dipende dalla latitudine del luogo e dal giorno dell'anno3. In Egitto, l’angolo di inclinazione ottimale dei moduli e dei collettori fotovoltaici per massimizzare l’energia solare catturata è βopt = φ ± 15°4. La tecnologia solare è attualmente la terza fonte di energia rinnovabile più utilizzata al mondo dopo l’energia idroelettrica ed eolica. Inoltre, l’elettricità prodotta da combustibili fossili provoca emissioni di CO2 comprese tra 400 ge 1.000 g CO2/kWh, mentre le emissioni di CO2 dei pannelli solari a base di silicio sono trascurabili5. I parametri forniti dai produttori di moduli fotovoltaici sono misurati in condizioni di test standard (STC). Tali circostanze, tuttavia, sono rare nel settore. La misurazione sperimentale delle caratteristiche I–V è di grande importanza poiché può servire come prova della qualità e delle prestazioni di ogni impianto fotovoltaico. La corrente di cortocircuito (Isc) e la tensione a circuito aperto (Voc) sono le proprietà chiave delle curve IV e PV. Per ciascun punto della curva IV, il prodotto di corrente e tensione rappresenta la potenza in uscita in quella condizione operativa. Il fattore di riempimento (FF) è definito come il rapporto tra il prodotto di Pm e Isc Voc, che definisce l'ortogonalità della curva6. Il modo più semplice per misurare e tracciare una curva I–V è utilizzare un carico resistivo. Consiste in una combinazione di resistori di potenza con valori di resistenza multipli, commutati gradualmente da un valore di resistenza piccolo a uno elevato per brevi periodi di tempo. Ciascun valore del resistore è considerato un punto operativo sulla curva I–V7. La perdita di radiazione dovuta all’accumulo di polvere riduce la potenza di uscita del fotovoltaico. L'accumulo variabile di polvere in qualsiasi punto della superficie fotovoltaica determina una diversa distribuzione della luce solare che entra nell'array fotovoltaico, aumentando la possibilità che si formino punti caldi che danneggiano i pannelli fotovoltaici8. Una maggiore densità della polvere riduce la corrente di cortocircuito FV, la tensione a circuito aperto e la potenza in uscita. La polvere con una densità di 10 g/m2 può ridurre la potenza FV massima di circa il 34%9. La pulizia regolare dei moduli fotovoltaici è essenziale per mantenerne le prestazioni. Sono disponibili diverse tecniche di pulizia dei moduli fotovoltaici che possono essere classificate come manuali, automatiche o autopulenti. Il problema principale della pulizia manuale è l’elevato consumo di acqua ed elettricità. Il processo automatizzato richiede inoltre energia e il costo iniziale è molto elevato. Pertanto, i metodi autopulenti come i rivestimenti idrofobici sono buone opzioni per la manutenzione dei moduli fotovoltaici. Il processo di rivestimento non richiede energia elettrica per funzionare e non danneggia i pannelli durante la pulizia. Questo processo è più affidabile ed economico10. È stato accertato che l’uso di nanoriempitivi come nanosilice, biossido di titanio, ossido di zinco, ecc. può creare rivestimenti idrofobici per applicazioni industriali su larga scala. Per definizione, i nanorivestimenti idrofobici contengono almeno un componente di dimensioni nanometriche che svolge un ruolo centrale nelle proprietà del rivestimento, o nella morfologia del rivestimento idrofobico su scala nanometrica11. L’uso di un nanomateriale commerciale di rivestimento SiO2 idrofobico ha migliorato le prestazioni complessive dei moduli solari fotovoltaici. La potenza in uscita, che indica l'efficienza complessiva dell'impianto fotovoltaico, è stata aumentata del 15% rispetto ai moduli polverosi e del 5% rispetto ai moduli non rivestiti che venivano puliti manualmente ogni giorno. L'efficienza complessiva dei moduli solari fotovoltaici è stata aumentata grazie alla loro capacità di rimuovere la polvere senza utilizzare alcuna fonte di energia12. Sono stati installati due moduli fotovoltaici per eseguire contemporaneamente test sperimentali comparabili. Il primo modulo è rivestito con nanoparticelle di SiO2, mentre il secondo non è rivestito e funge da controllo. È stato utilizzato un micro-panno per rivestire il vetro pulito con la soluzione di nanoparticelle preparata. L'angolo di contatto è di circa 106,02°. Secondo la definizione di Wenzel-Baxter, questo angolo è considerato idrofobo. L'efficienza elettrica media del modulo rivestito è di circa il 13,79%, mentre quella del modulo non rivestito è di circa il 13,29%. Si è scoperto e si è concluso che i pannelli rivestiti generano il 13% in più di potenza in uscita anche quando la superficie non viene pulita regolarmente13.