Wie beeinflusst Staub die Photovoltaik-Stromerzeugung?

Atmosphärischer Staub ist einer der Hauptfaktoren, die die Effizienz der Solarenergieerzeugung beeinträchtigen. Staubbelastung reduziert die Stromerzeugung von Photovoltaikanlagen erheblich, schätzungsweise um mindestens 5 % pro Jahr. Berechnet man dies anhand der geschätzten globalen installierten Leistung von 500 GW im Jahr 2020, so führt Staub zu jährlichen Produktionsausfällen. Der dadurch entstehende wirtschaftliche Schaden beläuft sich auf bis zu 5 Milliarden US-Dollar. Mit dem weiteren Wachstum der installierten Kraftwerksleistung wird dieser Verlust noch gravierender sein – bei einer globalen installierten Leistung von rund 1400 GW im Jahr 2030 werden die durch Staub verursachten wirtschaftlichen Schäden voraussichtlich sogar 13 Milliarden US-Dollar betragen.

Aktuell verwenden Photovoltaik-Kraftwerke hauptsächlich Silizium-basierte Solarzellen, die sehr temperaturempfindlich sind. Durch Staubablagerungen auf der Oberfläche der Komponenten erhöht sich der Wärmeleitwiderstand. Der Staub bildet eine wärmeisolierende Schicht, die die Wärmeabfuhr beeinträchtigt. Studien haben gezeigt, dass die Ausgangsleistung um etwa 0.5 % sinkt, wenn die Temperatur der Solarzellen um 1 °C steigt. Werden Batteriekomponenten über längere Zeit der Sonne ausgesetzt, erhitzt sich der abgedeckte Bereich deutlich schneller als der unbedeckte. Bei zu hoher Temperatur entstehen dunkle, durchgebrannte Stellen. Unter normalen Lichtverhältnissen wandelt sich der abgedeckte Teil des Batteriepanels von einem Stromerzeuger zu einem Stromverbraucher. Die abgedeckte Photovoltaikzelle wird zu einem Lastwiderstand, der keinen Strom mehr erzeugt, sondern die von der angeschlossenen Batterie erzeugte Energie – also Wärme – verbraucht. Dies ist der sogenannte Hotspot-Effekt. Dieser Prozess verschlimmert die Alterung der Batterieplatine, verringert die Leistung und kann in schweren Fällen zum Durchbrennen der Komponenten führen.

Staub setzt sich auf der Oberfläche der Batteriemodule ab und blockiert, absorbiert und reflektiert das Licht, wobei die Lichtblockierung den größten Einfluss hat. Die Reflexion, Absorption und Abschattung des Lichts durch Staubpartikel beeinträchtigen die Lichtabsorption der Photovoltaikmodule und somit deren Effizienz. Staubablagerungen auf der lichtempfindlichen Oberfläche der Modulbaugruppe reduzieren erstens die Lichtdurchlässigkeit der Moduloberfläche und verändern zweitens den Einfallswinkel des Lichts, was zu einer ungleichmäßigen Lichtverteilung durch die Glasabdeckung führt. Studien haben gezeigt, dass die Ausgangsleistung sauberer Batteriemodulkomponenten unter gleichen Bedingungen mindestens 5 % höher ist als die von mit Asche bedeckten Komponenten. Je höher die Ascheablagerung, desto größer ist der Leistungsabfall des Moduls.

Die Oberfläche von Photovoltaikmodulen besteht größtenteils aus Glas, dessen Hauptbestandteile Siliziumdioxid und Kalkstein sind. Wenn sich feuchter, saurer oder alkalischer Staub auf der Glasoberfläche ablagert, reagieren die Glasbestandteile mit der Säure oder Lauge. Mit zunehmender Einwirkungsdauer des Glases in der sauren oder alkalischen Umgebung erodiert die Glasoberfläche langsam und es entstehen Vertiefungen und Unebenheiten. Dies führt zu diffuser Lichtreflexion auf der Oberfläche der Deckplatte und beeinträchtigt die gleichmäßige Lichtausbreitung im Glas. Je rauer die Deckplatte des Photovoltaikmoduls ist, desto geringer ist die Energie des gebrochenen Lichts und desto weniger Energie erreicht die Oberfläche der Photovoltaikzelle. Dies führt zu einer geringeren Stromerzeugung. Raue, klebrige Oberflächen mit Kleberesten neigen zudem eher zur Staubansammlung als glatte Oberflächen. Darüber hinaus zieht der Staub selbst weiteren Staub an. Einmal vorhandener Staub führt zu weiterer Staubansammlung und beschleunigt die Leistungsminderung der Photovoltaikzellen.

Die Glasoberfläche von im Freien installierten Photovoltaikmodulen kann Staubpartikel einfangen und ansammeln. Diese Staubschicht blockiert den Lichteinfall in die Zelle. Schwerkraft, Van-der-Waals-Kräfte und elektrostatische Feldkräfte tragen zur Staubansammlung bei. Staubpartikel interagieren nicht nur mit der Glasoberfläche des Photovoltaikmoduls, sondern auch untereinander. Die Reinigung des Moduls erfordert die Entfernung des Staubs von der Oberfläche. Um den Staub von der Oberfläche der Batterieplatine zu entfernen, muss die Haftkraft zwischen Staub und Platine überwunden werden. Der Staub auf der Batterieplatine weist eine bestimmte Dicke auf. Zur Reinigung kann eine parallele oder in einem bestimmten Winkel (oder senkrecht) zur Batterieplatine wirkende Last oder ein Drehmoment auf die Staubschicht einwirken, um die Haftung zwischen Staub und Batterieplatine zu lösen.

q – die parallel zur Batterieplatine wirkende Last; F – die Last, die unter einem bestimmten Winkel oder senkrecht zur Batterieplatine verläuft; M – das auf die Staubschicht wirkende Drehmoment.

Zur Entfernung von Staubpartikeln müssen die tangentiale und die normale Adhäsionskraft der Partikel überwunden werden. Die normale Adhäsionskraft ist die Adhäsionskraft zwischen den Staubpartikeln und der Batterieplatine. Die tangentiale Adhäsionskraft ist relativ gering und kann in der Regel vernachlässigt werden. Bei der Entfernung des Staubs aus vertikaler Richtung muss lediglich die normale Adhäsionskraft überwunden werden. Beispielsweise wird durch die Reinigung mit Wasser und das Befeuchten der Staubpartikel hauptsächlich die normale Adhäsionskraft überwunden. Beim Reinigen mit Wasser wird der Abstand zwischen den Molekülen vergrößert, die Van-der-Waals-Anziehung verringert und Auftrieb erzeugt. Dadurch werden die Van-der-Waals-Kräfte und die Schwerkraft, die die Staubpartikel anhaften, überwunden. Die Zugabe von Tensiden zum Wasser verstärkt diesen Effekt und erzeugt zusätzlich eine starke elektrostatische Kraft, die den Staub von den Platten entfernt. Die Staubpartikel müssen die tangentiale Adhäsionskraft überwinden, wenn sie sich relativ zur Batterieplatine bewegen.