La plupart des parcs solaires à grande échelle dans le monde sont situés dans des déserts. Ces paysages offrent de vastes terres vacantes et du soleil toute l'année pour la production d'énergie solaire. Les chercheurs ont envisagé de transformer le Sahara, la plus vaste région désertique de la planète, en un immense parc solaire qui pourrait avoir le potentiel de produire quatre fois la demande énergétique mondiale actuelle.
Mais il y a un problème majeur :la poussière. L'accumulation progressive de poussière sur les panneaux solaires peut réduire leur efficacité de près de 30 % en un mois de fonctionnement. Dans certains contextes, des pertes d'énergie solaire de seulement trois à quatre pour cent à l'échelle mondiale pourraient signifier une perte économique d'au moins 3,3 à 5,5 milliards de dollars. Alors que le changement climatique intensifie les tempêtes de poussière, il peut y avoir une perte rapide d'efficacité des panneaux solaires à moins qu'ils ne soient nettoyés plusieurs fois par mois.
Les jets d'eau sous pression et les sprays sont la méthode la plus courante de nettoyage des panneaux solaires. Pour éviter les risques de tacher et d'abîmer le verre des panneaux solaires, seule de l'eau pure et déminéralisée peut être utilisée. La nécessité de transporter de l'eau propre vers des régions désertiques sèches ou éloignées où l'approvisionnement en eau est rare représente 10 % des coûts d'exploitation et de maintenance des parcs solaires.
Alors que la capacité mondiale des parcs solaires est actuellement supérieure à 500 gigawatts, les chercheurs estiment que jusqu'à 10 milliards de gallons d'eau potable sont utilisés chaque année uniquement pour nettoyer les panneaux solaires. Pour mettre les choses en perspective, cette quantité d'eau peut répondre aux besoins annuels d'environ 2 millions de personnes vivant dans les pays en développement.
"J'ai été étonné de la quantité d'eau pure nécessaire pour nettoyer les panneaux solaires", déclare Kripa Varanasi, professeur de génie mécanique au MIT (aucun lien avec l'auteur). « L'empreinte hydrique de l'industrie solaire ne fera que croître à l'avenir. Nous devons trouver comment rendre les fermes solaires plus durables. »
Les tentatives de se débarrasser de l'accumulation de poussière sur les panneaux solaires en utilisant des méthodes de nettoyage à sec comme les brosses et la pression d'air risquent d'endommager les panneaux solaires car la surface se raye avec le temps.
L'inefficacité des méthodes de nettoyage actuelles a motivé Varanasi et son étudiant diplômé, Sreedath Panat, à inventer un système de nettoyage sans contact capable de repousser automatiquement la poussière des panneaux solaires sans aucune consommation d'eau.
Le nouveau système utilise la répulsion électrostatique pour éliminer les particules de poussière de la surface des panneaux solaires. Bien que la poussière en elle-même ne soit pas un conducteur, ils ont découvert que l'application d'une force électrique ou d'une plage de tension adéquate à travers une électrode, telle qu'une barre métallique, qui passe juste au-dessus de la surface du panneau solaire charge les particules de poussière reposant sur le panneau. Ensuite, une charge opposée est appliquée à un film transparent, similaire à ceux utilisés sur les téléphones et les ordinateurs portables, qui est ensuite installé sur le système, permettant à la surface en verre du panneau de repousser les particules de poussière gênantes.
Ce système peut être utilisé séparément avec un robot de nettoyage de panneaux solaires. Alternativement, il est installé de chaque côté du panneau et fonctionne avec une petite quantité d'énergie solaire. Varanasi et Panat ont écrit sur leurs recherches dans un article récent publié dans la revue Science Advances .
Dans le passé, la NASA a utilisé l'électrostatique pour éliminer la poussière des panneaux solaires des rovers martiens à l'aide d'écrans électrodynamiques. Cependant, cette technologie n'a fonctionné que parce qu'elle a été mise en œuvre dans des conditions extrêmement sèches sans humidité impossible sur Terre. "Cela nécessite également des électrodes interdigitées coûteuses qui ont une force plus faible et ne tolèrent pas l'humidité", explique Varanasi.
Cela a poussé le duo à opter pour une méthode différente d'utilisation de l'électrostatique pour le nettoyage des panneaux solaires liés à la Terre. Ils ont commencé par mener des expériences avec différentes tailles de particules de poussière et ont découvert que la silice contenue dans les particules de poussière absorbe l'humidité de l'atmosphère.
"Une charge sur les particules de poussière provient d'une fine couche d'eau absorbée qui n'a que quelques nanomètres d'épaisseur mais qui agit toujours comme un conducteur. Cela nous a permis d'estimer la force électrique des particules de poussière et d'éliminer les particules de poussière d'une taille comprise entre 30 et 40 microns », explique Varanasi.
Cette percée prometteuse pour les chercheurs est arrivée après avoir effectué leurs expériences à une large gamme de niveaux d'humidité allant de 5% à 95%. Ils ont alors observé que l'humidité est le moteur du fonctionnement du système.
« Tant que l'humidité relative est supérieure à 30 %, ce système est robuste et fonctionne très bien », explique Varanasi. "Nous pouvons appliquer cela à la plupart des zones géographiques et même aux déserts les plus secs à cause des formations de rosée le matin."
Le duo a créé un prototype à l'échelle du laboratoire composé d'un panneau solaire, d'une surface conductrice et d'une électrode mobile fixée au sommet. Mais, ce système ne peut toujours pas débarrasser un panneau solaire des particules de moins de 10 microns.
"Ces minuscules particules de poussière sont celles qui créent l'effet d'ombre sur les panneaux solaires", ajoute-t-il. "Nous travaillons sur d'autres améliorations pour résoudre ce problème."
Alors que les ingénieurs du MIT se préparent à rendre leur nouveau système évolutif à l'avenir, d'autres chercheurs travaillent au développement d'une technologie de revêtement de panneaux solaires pour réduire l'accumulation de poussière. Inspirés par les propriétés autonettoyantes de la feuille de lotus, des chercheurs allemands de l'Université Ben Gourion ont tenté de développer un revêtement hydrophobe à base de silicium pour les panneaux solaires. Cela pourrait empêcher la poussière de s'accumuler à la surface des panneaux solaires et réduire la quantité d'eau nécessaire pour les nettoyer.
À l'heure actuelle, une société basée au Royaume-Uni, Solar Sharc, a déjà lancé un revêtement anti-poussière pour panneaux solaires. Ils utilisent des structures de nanoparticules pour la transparence qui ne font que quelques microns d'épaisseur. Selon le site Web de l'entreprise, le revêtement est autonettoyant et permet la formation de gouttelettes d'eau à la surface qui peuvent rouler sur les panneaux.
Mais Varanasi dit que le problème avec un revêtement de nanostructures est qu'il pourrait s'éroder avec le temps après avoir résisté aux tempêtes de poussière et aux conditions venteuses. "La texture du revêtement anti-salissures sur les surfaces des panneaux solaires pourrait alors être affectée et perdre sa transparence", dit-il.
Malgré tous les défis alambiqués liés à la prévention de l'accumulation de poussière sur les panneaux solaires, des ingénieurs comme Varanasi restent optimistes quant au développement de la bonne technologie pour rendre l'industrie solaire plus durable sur le plan environnemental.
« L'eau est une ressource précieuse », dit-il. "Si l'industrie solaire est proactive et aborde ce problème d'un point de vue holistique, cela n'aura pas d'impact direct sur l'accès des communautés à l'eau potable."
