Με μεγάλη επιτυχία κλείνει τον Ιούλιο του 2023 το Ερευνητικό Πρόγραμμα: “TheNano4CSPProject”  (https://nano4csp.cyi.ac.cy/) που διεξήχθη στα πλαίσια της Δράσης Εθνικής Εμβέλειας «ERANETs 2019b» μέσω της σύμπραξης της εταιρείας BFPAdvancedTechnologies (www.bfp-tech.com) με το Ινστιτούτο Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας του «Δημόκριτου», το Ερευνητικό Κέντρο Ενέργειας, Περιβάλλοντος και Υδάτινων Πόρων του Ινστιτούτο Κύπρου και την Έδρα Λειτουργικών Υλικών και Συστημάτων Υλικών του Πανεπιστημίου του Leoben στην Αυστρία.

Αντικείμενο του έργου ήταν η ανάπτυξη και μελέτηκαινοτόμων αυτοκαθαριζόμενων επικαλύψεων για ηλιοθερμικά συστήματα συγκεντρωτικού ηλιακού φωτός (Concentrated Solar Power - CSP). Τα συστήματα αυτάαποτελούν μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία, η οποία μπορεί να αντιμετωπίσει επιτυχώς τις μελλοντικές ενεργειακές ανάγκες με ανανεώσιμο και αειφόρο τρόπο. Παγκοσμίως υπάρχουν αρκετά ερευνητικές και εμπορικές εγκαταστάσειςCSP, η συνολική ισχύς των οποίων υπερβαίνει τα50 GW. Παρά τη διείσδυση της τεχνολογίας το σταθμισμένο κόστος του ηλεκτρισμού (levelized cost of electricity, LCOE) παραμένει ακόμα υψηλό, συγκρινόμενο με τις συμβατικές ενεργειακές μονάδες. Καθώς το κάτοπτρο είναι το εξάρτημα που αλληλεπιδρά πρώτο με το ηλιακό φως στη διαδικασία συλλογής της ενέργειας, η αποτελεσματικότητά του είναι κρίσιμη για την απόδοση του συστήματος. Η ανακλαστικότητα του κατόπτρου είναι ένας από τους πολλούς παράγοντες (μαζί με τις απώλειες συνημιτόνου, τη σκίαση, την παρεμπόδιση και την ατμοσφαιρική διαπερατότητα)που επηρεάζουν την ενέργεια που αποδίδεται στο δέκτη. Παρότι οι υπόλοιποι παράγοντες υπολογίζονται με γνώση της διάταξης του πεδίου και της ώρας της ημέρας, η ανακλαστικότητα μεταβάλλεται με βάση τις ατμοσφαιρικές συνθήκες και αλλάζει συνεχώς και με μεταβαλλόμενο ρυθμό. Απώλεια ανακλαστικότητας κατά 1% σημαίνει άμεση αύξηση του LCOE κατά επίσης 1%. Συνεπώς, είναι απαραίτητη η εφαρμογή τεχνικών αντιρρύπανσης προκειμένου να διατηρηθεί η ονομαστική ανακλαστικότητα του συλλέκτη και να περιοριστούν τα κόστη λειτουργίας και συντήρησηςτων εγκαταστάσεων. Έχει αποδειχθεί από διάφορες μελέτες ότι τα κόστη αυτά αντιπροσωπεύουν περίπου το 11-15% του LCOE και ότιτο εργατικό κόστος καθαρισμού των κατόπτρων, καθώς και η κατανάλωση νερού, αποτελούν σημαντικό τμήμα τους.

Στόχος του Nano4CSPήταν η εφαρμογή προηγμένων μεθόδων αντιρρύπανσης, συγκεκριμένα αυτοκαθαριζόμενων νανο-επικαλύψεων, προκειμένου να μειωθούν τα κόστη λειτουργίας και συντήρησηςκαι η κατανάλωση νερού, και παράλληλα, να αυξηθεί η απόδοση των ηλιακών συστημάτων CSP. Η μελέτη εστίασεσε επικαλύψεις που μπορούν να εφαρμοστούν τόσο κατά το στάδιο κατασκευής συστημάτων CSP, όσο και σε υπάρχουσες εγκαταστάσεις.

Παρ’όλο που κατά καιρούς έχουν προταθεί διάφορες καινοτόμες μέθοδοι καθαρισμού, οι αντιρρυπαντικές επικαλύψεις αποτελούν ίσως την πλέον υποσχόμενη λύση για τον περιορισμό της ρύπανσης των ηλιακών συστημάτων, καθώς μπορούν να μειώσουν σημαντικά το κόστος συντήρησης και παράλληλα, να λειτουργήσουν αποτρεπτικά στηνεπανεμφάνιση της ρύπανσης. Αν και μακροσκοπικά ένα μη επικαλυμμένο πάνελ μπορεί να φαίνεται καθαρό, συνήθως υπάρχει ένα αόρατο, ισχυρά προσκολλημένο ρυπογόνο στρώμα, το οποίο εμποδίζει τη διάδοση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Ο τακτικός καθαρισμός αφαιρεί κυρίως τα ανώτερα(επιφανειακά) ρυπογόνα στρώματα, τα οποία απομακρύνονται πιο εύκολα, με αποτέλεσμα ένα ποσοστό ρύπανσης να παραμένει οδηγώντας σε σταδιακό εκφυλισμό της ενεργειακής απόδοσηςτου συστήματος.

Μέχρι στιγμής, οι ερευνητικές προσπάθειες έχουν επικεντρωθεί κυρίως στη χρήση υδρόφιλων και υδρόφοβων επιστρώσεων. Οι υδρόφοβες επιστρώσεις είναι μάλλον πιο πλεονεκτικές σε σχέση με τις υδρόφιλες, διότι σε περιοχές με υψηλή υγρασία ή συχνές βροχοπτώσεις η συσσώρευση νερού μπορεί να οδηγήσει σε σκέδαση του φωτός, που υποβαθμίζει τις οπτικές ιδιότητες. Αντίθετα, στις υδροφοβικές επιστρώσεις τα πιθανά σημεία σκέδασης είναι διακριτά και σημειακά εντοπισμένα, με αποτέλεσμα να μην επιδρούν στη διαπερατότητα του υποστρώματος. 

Στα πλαίσια του έργου, το οποίο διήρκεσε 3 χρόνια, αναπτύχθηκαν τόσο υδρόφιλες όσο και υδρόφοβες επικαλύψεις και η απόδοσή των συγκρίθηκε με την απόδοση του εμπορικά διαθέσιμου επικαλυπτικού συστήματος SolarSkin^TM της εταιρείας BFPAdvancedTechnologies, το οποίο, τα τελευταία χρόνια, έχει θέσει τα πρότυπα στην τεχνολογία των αυτοκαθαριζόμενων επικαλύψεων για ηλιακά συστήματα.Επίσης, η ερευνητική ομάδα της BFP ανέπτυξε μια δεύτερη πρωτοποριακή αντιρρυπαντική επίστρωση, η οποία μπορεί να εφαρμοστείταυτόχρονα με τον περιοδικό καθαρισμό των ηλιακών συστημάτων, καθώς το αναπτυχθέν επικαλυπτικό υλικόείναι υδατικής βάσεως και μπορεί να εισαχθεί απευθείας στα κοινά καθαριστικά διαλύματα, ως πρόσθετο. Αν και η ωφέλιμη διάρκεια της προσέγγισης αυτής είναι μικρότερη σε σχέση με το SolarSkin^TM,εντούτοις έχει σημαντικά οφέλη για τον ιδιοκτήτη της εγκατάστασης, καθώς επιτρέπει την αναζωογόνηση της επίστρωσης ανά τακτά διαστήματακαι την ελαχιστοποίηση του κόστους εφαρμογής του υλικού.

Η έρευνα περιλάμβανε και εξωτερικές δοκιμές στην πειραματική μονάδα συγκεντρωτικής ηλιακής ακτινοβολίας PROTEAS του Ινστιτούτου της Κύπρου. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε σε πραγματικό χρόνο συνεχής καταγραφή της ανακλαστικότητας επικαλυμμένων κατόπτρων, τοποθετημένων σε διάφορες κλίσεις μεταξύ 0 και 90⁰για διάστημα 12 μηνών, από 01/06/2022 έως 26/05/2023. Τα δεδομένα συγκρίθηκαν με την ανακλαστικότητα μη επικαλυμμένων κατόπτρων, τοποθετημένων στις ίδιες συνθήκες και παραπλεύρως στα υπό εξέταση δοκίμια. 

Εν τέλει, τα αποτελέσματα του έργου υπογράμμισαν τη σημασία που μπορεί να έχουν οι αντιρρυπαντικές τεχνολογίες στη βελτίωση του LCOE. Κατέδειξαν επίσης την υπεροχή του SolarSkin^ΤΜ σε σχέση με άλλες προσεγγίσεις και κλασικές επικαλύψεις αυτο-καθαρισμού. Επιβεβαιώθηκε, ότι η επικάλυψη NanoSkin^ΤΜ είναι αρκετά ανθεκτική, καθώς δεν υπέστη οποιαδήποτε αλλοίωση, αποχρωματισμό, φθορά, ή αποκόλληση. Παρέμεινε μέχρι το τέλος της δοκιμής άκρως αποδοτική και κυρίως, ικανή να συμβάλλει στην πλήρη ανάκτηση της αρχικής ανακλαστικότητας του κατόπτρου μετά από γεγονότα βροχής.

Στο σημείο αυτό, είναι απαραίτητο να σημειωθεί ότι ο ακριβής σχεδιασμός μιας πολυχρηστικής και αποτελεσματικής επίστρωσης για ηλιακά συστήματα πρέπει να λαμβάνει υπόψη διάφορες παραμέτρους, π.χ. πάχος,επιφανειακή ενέργεια, συνάφεια με το υπόστρωμα, τοπογραφία, διαπερατότητα κ.λπ. Οι περισσότερες εμπορικές επικαλύψεις αποτυγχάνουν να ανταποκριθούν στις αυξημένες απαιτήσεις των σημερινών συστημάτων. Για παράδειγμα, μια υπερυδρόφοβη επίστρωση μπορεί να ενισχύει την ανάπτυξη στατικών φορτίων και, ως εκ τούτου, τη συσσώρευση σκόνης, με αποτέλεσμα να εμφανίζει χειρότερη αντιρρυπαντική συμπεριφορά από μια αντιρρυπαντική επίστρωση μέτριας υδροφοβικότητας, που ωστόσο, φέρει επιπρόσθετα, αντιστατικές ιδιότητες. Παρομοίως, μια αντιανακλαστική επίστρωση μπορεί να αποδειχθεί λιγότερο αποτελεσματική από μια τυπική υδροφοβική επίστρωση σε εφαρμογές πραγματικού πεδίου, ιδίως όταν οι απώλειες ρύπανσης, λόγω ανομοιόμορφης σκίασης ή λόγω γεωγραφικών ιδιαιτεροτήτων, είναι υψηλότερες από τις απώλειες λόγω ανάκλασης.Επίσης, ο κακός σχεδιασμός του πάχους και του δείκτη διάθλασηςτων αντιρρυπαντικών επικαλύψεων, αποτελούν συνήθεις λόγους μειωμένης απόδοσης του συστήματος, διότι επιδρούν αρνητικά στις οπτικές ιδιότητες ηλιακών πάνελ και συλλεκτών.

ToSolarSkin^TM είναι ένα καινοτόμο επικαλυπτικό σύστημα αποκατάστασης και προστασίας φωτοβολταϊκών πάνελ και ηλιακών συλλεκτών. Βασίζεται σε περιβαλλοντικά φιλικές πρώτες ύλες και  συνδυάζει αποτελεσματικά τις ιδιότητες τόσο ανόργανων, όσο και οργανικών υλικών εντός μιας πολύ-λειτουργικής και οπτικά διάφανης υπέρλεπτης επικάλυψης, η οποία αποτρέπει τη ρύπανση. Αποκαθιστά εκφυλισμένα πάνελ και συλλέκτες και παράλληλα τα προστατεύει από τη φθορά που προκαλούν αερομεταφερόμενα αποξεστικά σωματίδια. Ταυτόχρονα, συμβάλλει στη μείωση των κύκλων καθαρισμού και του κόστους συντήρησης των συστημάτων, είτε πρόκειται για φωτοβολταϊκάσυστήματα, είτε για ηλιοθερμικά, όπως είναι οι διατάξεις CSP και οι ηλιακοί συλλέκτες. Σύμφωνα με έρευνες του κατασκευαστή, η εφαρμογή του SolarSkin^ΤΜ σε ένα ηλιακό σύστημα, π.χ. Φ/Β πάνελ, μπορεί να επιφέρει αύξηση της ετήσιας παραγωγής ισχύος από 3 έως 9%, ανεξάρτητα από τις γεωγραφικές ιδιαιτερότητες, το ποσοστό ρύπανσης και την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας.

This research has been supported under the umbrella of SOLAR-ERA.NET Cofund 2 by GSRT – General Secretariat for Research and Development (Greece), RIF – Research and Innovation Foundation (Cyprus) and FFG – Austrian Research Promotion Agency. SOLAR-ERA.NET is supported by the European Commission within the EU Framework Programme for Research and Innovation HORIZON 2020 (Cofund ERA-NET Action, N° 786483).