Comment nettoyer les panneaux solaires sans eau

Une nouvelle méthode de nettoyage pourrait enlever la poussière sur les installations solaires dans les régions où l’eau est limitée, améliorant ainsi l’efficacité globale.

L’énergie solaire devrait représenter 10 % de la production mondiale d’électricité d’ici à 2030, et une grande partie de cette production sera probablement située dans les zones désertiques, où la lumière du soleil est abondante. Mais l’accumulation de poussière sur les panneaux ou les miroirs solaires est déjà un problème important – elle peut réduire le rendement des panneaux photovoltaïques de 30 % en un mois seulement – et un nettoyage régulier est donc essentiel pour ces installations.

Mais on estime que le nettoyage des panneaux solaires consomme actuellement environ 10 milliards de gallons d’eau par an (ou 45 milliards de litre), soit suffisamment pour alimenter en eau potable jusqu’à 2 millions de personnes. Les tentatives de nettoyage sans eau demandent beaucoup de travail et ont tendance à provoquer des rayures irréversibles sur les surfaces, ce qui réduit également l’efficacité. Une équipe de chercheurs du MIT a mis au point un moyen de nettoyer automatiquement les panneaux solaires ou les miroirs des centrales thermiques solaires, dans un système sans eau et sans contact qui pourrait réduire considérablement le problème de la poussière.

Le nouveau système utilise la répulsion électrostatique pour que les particules de poussière se détachent et sautent virtuellement de la surface du panneau, sans avoir besoin d’eau ou de brosses. Pour activer le système, une simple électrode passe juste au-dessus de la surface du panneau solaire, communiquant une charge électrique aux particules de poussière, qui sont ensuite repoussées par une charge appliquée au panneau lui-même. Le système peut fonctionner automatiquement à l’aide d’un simple moteur électrique et de rails de guidage situés sur le côté du panneau.

La recherche est décrite dans la revue Science Advances, dans un article rédigé par Sreedath Panat, étudiant diplômé du MIT, et Kripa Varanasi, professeur d’ingénierie mécanique.

Malgré les efforts concertés déployés dans le monde entier pour mettre au point des panneaux solaires toujours plus efficaces, M. Varanasi explique qu’ « un problème banal comme la poussière peut en fait porter un sérieux coup à l’ensemble du projet. »

Les tests de laboratoire menés par Panat et Varanasi ont montré que la baisse de la production d’énergie des panneaux est brutale au tout début du processus d’accumulation de la poussière et qu’elle peut facilement atteindre 30 % après seulement un mois sans nettoyage. Ils ont calculé que même une réduction de 1 % de la puissance d’une installation solaire de 150 mégawatts pourrait entraîner une perte de 200 000 dollars de revenus annuels. Les chercheurs affirment qu’à l’échelle mondiale, une réduction de 3 à 4 % de la production d’électricité des centrales solaires représenterait une perte comprise entre 3,3 et 5,5 milliards de dollars.

« Il y a tellement de travail en cours dans les matériaux solaires« , dit Varanasi. « Ils repoussent les limites, essayant de gagner quelques pourcents ici et là en améliorant l’efficacité, et voilà que vous avez quelque chose qui peut oblitérer tout cela immédiatement.« 

La plupart des plus grandes installations solaires du monde, notamment en Chine, en Inde, aux Émirats arabes unis et aux États-Unis, sont situées dans des régions désertiques. L’eau utilisée pour nettoyer ces panneaux solaires à l’aide de jets d’eau sous pression doit être acheminée par camion depuis une grande distance et doit être très pure pour éviter de laisser des dépôts sur les surfaces. Le nettoyage à sec est parfois utilisé, mais il est moins efficace pour nettoyer les surfaces et peut provoquer des rayures permanentes qui réduisent également la transmission de la lumière.

Le nettoyage de l’eau représente environ 10 % des coûts d’exploitation des installations solaires. Le nouveau système pourrait potentiellement réduire ces coûts tout en améliorant le rendement énergétique global en permettant des nettoyages automatisés plus fréquents, expliquent les chercheurs.

« L’empreinte de l’industrie solaire sur l’eau est stupéfiante« , déclare M. Varanasi, et elle augmentera à mesure que ces installations continueront à se développer dans le monde. « L’industrie doit donc être très prudente et réfléchir à la manière de faire de cette solution une solution durable.« 

D’autres groupes ont essayé de développer des solutions basées sur l’électrostatique, mais celles-ci reposaient sur une couche appelée écran électrodynamique, utilisant des électrodes interdigitées. Selon M. Varanasi, ces écrans peuvent présenter des défauts qui permettent à l’humidité de pénétrer et qui entraînent leur défaillance. Bien qu’ils puissent être utiles sur une planète comme Mars, où l’humidité n’est pas un problème, même dans les environnements désertiques sur Terre, cela peut être un problème sérieux.

Le nouveau système qu’ils ont mis au point ne nécessite qu’une électrode, qui peut être une simple barre métallique, pour passer sur le panneau, produisant un champ électrique qui imprime une charge aux particules de poussière au passage. Une charge opposée appliquée à une couche conductrice transparente de quelques nanomètres d’épaisseur déposée sur le verre du panneau solaire repousse alors les particules. En calculant la bonne tension à appliquer, les chercheurs sont parvenus à trouver une plage de tension suffisante pour vaincre la gravité et les forces d’adhésion et faire décoller la poussière.

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À l’aide d’échantillons de poussière spécialement préparés en laboratoire et contenant des particules de différentes tailles, les expériences ont prouvé que le processus fonctionne efficacement sur une installation d’essai à l’échelle du laboratoire, explique M. Panat. Les tests ont montré que l’humidité de l’air formait une fine couche d’eau sur les particules, ce qui s’est avéré crucial pour que l’effet fonctionne. « Nous avons réalisé des expériences à des taux d’humidité variables, allant de 5 % à 95 %« , explique M. Panat.

En pratique, à l’échelle, chaque panneau solaire pourrait être équipé de rampes de chaque côté, avec une électrode traversant le panneau. Un petit moteur électrique, utilisant peut-être une infime partie de la puissance du panneau lui-même, actionnerait un système de courroie pour déplacer l’électrode d’une extrémité à l’autre du panneau, ce qui ferait tomber toute la poussière. L’ensemble du processus pourrait être automatisé ou contrôlé à distance. Une autre solution consiste à disposer en permanence de fines bandes de matériau transparent conducteur au-dessus du panneau, ce qui élimine le besoin de pièces mobiles.

En éliminant la dépendance à l’égard de l’eau acheminée par camion, en éliminant l’accumulation de poussière qui peut contenir des composés corrosifs et en réduisant les coûts opérationnels globaux, ces systèmes ont le potentiel d’améliorer considérablement l’efficacité et la fiabilité globales des installations solaires, explique M. Varanasi.

La recherche a été soutenue par l’entreprise énergétique italienne Eni. S.p.A. par le biais de l’initiative énergétique du MIT.

Écrit par David L. Chandler, MIT News Office

Journal
Science Advances

DOI
10.1126/sciadv.abm0078

Article Title
Electrostatic dust removal using adsorbed moisture–assisted charge induction for sustainable operation of solar panels

Article Publication Date
11-Mar-2022