预计到2030年，太阳能将占全球发电量的10%。
但太阳能板上积聚的灰尘会使发电量减少30%，而清洁太阳能板每年约需使用100亿加仑水。
麻省理工学院工程师开发出一种无水清洁方法，可清除水资源紧缺地区太阳能设施上的灰尘。
这套新系统利用静电斥力，使灰尘颗粒脱离太阳能板表面，几乎像跳起来一样弹开。
预计到2030年，太阳能将占全球发电量的10%，其中很大一部分可能位于阳光充足的沙漠地区。但太阳能板或反射镜上的灰尘积聚已经是一个重大问题——仅一个月，灰尘就可能使光伏板的发电量最多下降30%——因此，这类设施必须定期清洁。
据估算，目前清洁太阳能板每年约需使用100亿加仑水，足以为多达200万人提供饮用水。无水清洁尝试需要大量人力，而且往往会不可逆地刮伤表面，降低效率。如今，麻省理工学院的一组研究人员设计出一种无水、无接触的自动清洁方法，可用于清洁太阳能板或太阳能热电站的反射镜。他们表示，这种方法有望显著缓解灰尘问题。
这套新系统利用静电斥力，使灰尘颗粒脱离太阳能板表面，几乎像跳起来一样弹开，无需用水或刷子。启动系统时，一根简单的电极从太阳能板表面上方掠过，使灰尘颗粒带电；随后，太阳能板本身施加的电荷会将这些颗粒排斥开。系统可通过一个简单的电动机和沿太阳能板侧边铺设的导轨实现自动运行。这项研究发表于《Science Advances》期刊，论文作者为麻省理工学院研究生 Sreedath Panat 和机械工程教授 Kripa Varanasi。
Varanasi 表示，尽管全球都在努力研发效率更高的太阳能板，“像灰尘这样平凡的问题，实际上可能对整个行业造成严重打击。”Panat 和 Varanasi 进行的实验室测试表明，随着灰尘开始积聚，太阳能板的能量输出会迅速下降；不清洁一个月，降幅就很容易达到30%。研究人员计算得出，对于一座装机容量为150兆瓦的太阳能设施，即使发电量减少1%，也可能导致每年损失20万美元收入。他们表示，全球太阳能电站的发电量若下降3%至4%，损失将达到33亿至55亿美元。
Varanasi 说：“太阳能材料领域正在开展大量研究。他们不断突破极限，努力把效率提高几个百分点，而眼前这个问题却能立刻让所有努力付诸东流。”
全球许多规模最大的太阳能设施，包括位于中国、印度、阿联酋和美国的设施，都坐落在沙漠地区。用高压水射流清洁太阳能板所需的水必须从远处用卡车运来，而且必须高度纯净，以免在表面留下沉积物。有时也会采用干式擦洗，但清洁效果较差，还可能造成永久性刮痕，降低透光率。
用水清洁约占太阳能设施运营成本的10%。研究人员表示，这套新系统有望降低这项成本，同时通过更频繁地自动清洁，提高整体发电量。
Varanasi 说：“太阳能行业的水足迹大得惊人。”随着太阳能设施在全球持续扩张，这一足迹还会增加。“因此，行业必须非常谨慎、周全地思考如何让太阳能成为可持续的解决方案。”
其他团队曾尝试开发基于静电的解决方案，但这些方案依赖一种称为电动力屏的层，并采用交指电极。Varanasi 表示，这类屏层可能存在缺陷，让湿气进入并导致其失效。他说，这些方案或许适用于火星等没有湿气问题的地方，但即使在地球的沙漠环境中，湿气也可能造成严重问题。
他们开发的新系统只需让一根电极（可以是一根简单的金属棒）从太阳能板上方掠过，在移动过程中产生电场，使灰尘颗粒带电。随后，在覆盖太阳能板的玻璃上沉积一层仅数纳米厚的透明导电层，并对其施加相反电荷，即可排斥颗粒。通过计算合适的电压，研究人员找到了足以克服重力和黏附力、使灰尘扬起脱离表面的电压范围。
Panat 表示，研究人员使用经过特殊制备、颗粒尺寸各异的实验室灰尘样本进行测试，证明这一过程在实验室规模的测试装置上效果良好。测试显示，空气中的湿气会在颗粒表面形成一层薄薄的水膜，这对实现清洁效果至关重要。Panat 说：“我们在5%至95%的不同湿度条件下进行了实验。只要环境湿度高于30%，就几乎可以清除表面上的所有颗粒；但湿度越低，清洁就越困难。”
Varanasi 表示：“好消息是，湿度达到30%时，大多数沙漠实际上都处于这一范围。”即使是通常更干燥的沙漠，清晨时段的湿度也往往较高，容易形成露水，因此可以相应安排清洁时间。
Panat 说：“此外，与一些在高湿度甚至中等湿度下无法工作的电动力屏方案不同，我们的系统即使在高达95%的湿度下也能持续工作。”
在实际大规模应用中，可以在每块太阳能板两侧安装导轨，并让一根电极横跨太阳能板。一个小型电动机（可能只需使用太阳能板自身少量的输出功率）可驱动皮带系统，使电极从太阳能板的一端移至另一端，将所有灰尘抖落。整个过程可以自动运行或远程控制。另一种方案是在太阳能板上方永久布置细长的透明导电材料条，从而无需活动部件。
Varanasi 表示，通过摆脱对卡车运水的依赖，避免可能含有腐蚀性化合物的灰尘堆积，并降低整体运营成本，这类系统有望显著提升太阳能设施的整体效率和可靠性。
这项研究通过麻省理工学院能源倡议获得意大利能源公司 Eni. S.p.A. 的支持。
