La capa de polvo y polen que se acumula en el parabrisas de su automóvil es fácil de quitar girando la palanca que activa los limpiaparabrisas y el agua. Quitar esta capa de un panel solar, especialmente uno que está ubicado de manera inconveniente de una fuente de humedad, requiere mucho más trabajo.

La acumulación de polvo, hollín u otras partículas conlleva una disminución de la eficiencia de los módulos fotovoltaicos (FV), lo que conlleva una disminución de la cantidad de electricidad generada y una pérdida de ingresos para sus operadores. Sin embargo, la limpieza de estos módulos solares también conlleva costes.

La investigación en curso en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) sobre el problema de la contaminación fotovoltaica continúa trabajando en posibles soluciones, incluidas tecnologías patentadas para abordar el problema y proporcionar un mapa de dónde la contaminación es el mayor problema.

Para detectar un problema desde el principio

Desde que se adoptó la energía solar por primera vez hace décadas, los científicos han luchado por mejorar la eficiencia de los módulos fotovoltaicos y reducir el costo de generar electricidad a partir del sol. Esas fueron las grandes tareas. Ahora que la energía solar proporciona un porcentaje cada vez mayor de las necesidades eléctricas del país a bajo costo, los investigadores se han centrado en cuestiones secundarias de la tecnología.

«Lo hicimos», dijo Matthew Muller, un ingeniero de NREL que se especializa en confiabilidad y rendimiento fotovoltaicos. «Se usa energía solar, pero perdemos energía porque la energía solar se usa en lugares polvorientos».

La pérdida anual de energía por contaminación es de hasta un 7% en algunas partes de los EE. UU. Y un 50% en el Medio Oriente.

La lluvia y el viento pueden ser suficientes para eliminar el polvo de los módulos fotovoltaicos. A medida que los módulos fotovoltaicos se enfrían por la noche y atraen el rocío de la mañana, el polvo puede pasar por un proceso llamado cementación. La contaminación está literalmente pegada al plato.

«Dependiendo del área en la que se encuentre, se pueden depositar varios minerales en forma de polvo en las superficies», dijo Simpson, un científico senior. «Una vez que pasa por el proceso de cementación, puede ser mucho más difícil de eliminar donde no se puede eliminar incluso con lluvia intensa».

Una limpieza única de una granja solar de 10 megavatios que proporciona energía suficiente para abastecer a 2.000 hogares al día puede costar unos 5.000 dólares. Simpson dijo que en algunas áreas, como el Valle Central de California, donde «las tasas de contaminación son lo suficientemente altas y la lluvia lo suficientemente baja», tiene sentido económico limpiar los paneles más de una vez al año.

Respuestas necesarias para eliminar la incertidumbre

Los módulos solares se diseñaron originalmente para una vida útil de 25 a 30 años. Las mejoras tecnológicas podrían extender su vida útil hasta 50 años. Para invertir en sistemas solares, especialmente en un sistema a gran escala, es necesario examinar factores como cuánta energía se produce y cuánto se puede vender. Con esta información, las empresas pueden determinar el retorno de su inversión.

Un factor a considerar es el nivel de contaminación que se espera en el sitio, pero nadie puede predecirlo con precisión. «Aún no hemos llegado allí», dijo Michael Deceglie, un empleado de NREL que trabaja en la contaminación fotovoltaica. “Los paneles solares se ensucian y esa es una incertidumbre significativa para su energía a lo largo del tiempo. Y con la incertidumbre viene un riesgo para las personas que poseen los activos porque dependen de ellos para generar energía y proteger su inversión. La industria se beneficiaría de una mejor cuantificación de este riesgo en diferentes lugares y con diferentes factores. «

Actualmente, los operadores de granjas solares a escala de servicios públicos están aprendiendo de la experiencia con qué frecuencia deben limpiarse los módulos y pueden medir cuánta energía perderían y cuánto costaría limpiarlos, dijo. «La gente prefiere saber lo que van a perder a lo largo de los años que que es completamente desconocido porque existe un riesgo completamente desconocido».

Una patente concedida a Müller e investigadores en España el verano pasado cubría una posible solución. Se puede colocar un sensor en el vidrio frente a una celda solar y medir la cantidad de suciedad iluminando un LED. La medición resulta de la comparación de la pérdida de transmisión a través del vidrio con un cristal de referencia transparente. La tecnología se llama «DUSST» y significa Unidad de Detector para Transmisión Espectral de Suciedad.

Según Simpson, los científicos de NREL también están desarrollando una forma de extraer información de los módulos fotovoltaicos para resolver el problema de la contaminación. Al verificar la cantidad de electricidad producida cada día, estarían buscando “señales específicas de que se ha producido una cantidad significativa de contaminación. Esto sería útil para que un operador sepa que está perdiendo X. Cantidad de energía y probablemente deberías revisar la limpieza pronto. «

La alternativa es instalar una estación de contaminación. Un sensor instalado en un módulo fotovoltaico se limpia con regularidad, mientras que otro puede estar contaminado. Una comparación entre los dos da una estimación de la contaminación. Deceglie señala una desventaja de usar sensores: “Si tiene una matriz grande, diferentes partes de la matriz pueden contaminarse de manera diferente. Un sensor nunca detectará lo que está sucediendo con todo el conjunto grande. «

Deceglie y Muller ayudaron a desarrollar algoritmos que permiten estimaciones de contaminación más precisas. Primero desarrollaron el algoritmo SRR (Stochastic Rate and Recovery) y más recientemente Deceglie trabajó con el investigador visitante Åsmund Skomedal para desarrollar el método CODS (Combined Degradation and Soiling) que permite a los usuarios controlar simultáneamente la contaminación y la degradación natural de los módulos fotovoltaicos. Ambos algoritmos utilizan datos de generación de energía de sistemas fotovoltaicos. NREL hace que SRR y CODS estén disponibles gratuitamente como parte de RdTools (la integración de CODS aún está en desarrollo).

Combinar SRR o CODS con información de una estación de contaminación debería proporcionar la imagen más completa, dijo Deceglie. «Personalmente, estoy muy entusiasmado con estas dos fuentes de datos para que podamos aprovechar las fortalezas de cada una para obtener una imagen realmente buena de lo que está sucediendo en una ubicación».


El entorno urbano se examina cuidadosamente

La investigación de Sarah Toth sobre la contaminación se acerca a casa al examinar la relación entre la contaminación del aire y la contaminación, especialmente en las áreas urbanas. Toth instaló dos sensores de silicio económicos en un área industrial a tres millas del centro de Denver. Un sensor se cepilló automáticamente todos los días; el otro nunca se limpió. Al final del experimento de un año, Toth descubrió que solo podía modelar con precisión la proporción de contaminación en función de las partículas acumuladas y la precipitación. También descubrió que, por supuesto, la lluvia podía arrastrar la mayoría de las partículas del campo, pero no las finas que tendían a adherirse a la superficie.

«La razón por la que concentro mi investigación en estos entornos urbanos es porque la composición de la contaminación es completamente diferente», dijo Toth, Ph.D. Candidato de Ingeniería Ambiental de la Universidad de Colorado que se unió a NREL en 2017. “Tenemos partículas más finas, es decir, estas partículas más pegajosas que pueden contribuir a una química de superficie muy diferente en el módulo ya diferentes niveles de suciedad. En el desierto, no entra en juego gran parte de la química de la superficie. «

Toth, que ha estado usando sensores de contaminación en Los Ángeles, dijo que su investigación mostró que se requieren varios tratamientos de limpieza para eliminar tanto el polvo fino como las partículas.

“Lo que hemos visto de forma anecdótica al observar moléculas envejecidas bajo un microscopio”, dijo, “es que después de un par de años solo tienen algún tipo de contaminación superficial de la que simplemente no podemos deshacernos, no importa cuánto frótelos «. Para quitarlo, es necesario rayar el vidrio. «

Una mujer se encuentra junto a un sistema fotovoltaico en NREL.

La investigadora de NREL Sarah Toth se encuentra junto a un sistema de seguimiento fotovoltaico en NREL. Como cualquier sistema fotovoltaico, atraen el polvo. Toth ha desarrollado sensores para medir la tasa de contaminación en tiempo real y ha instalado algunos en Los Ángeles. Foto de Dennis Schroeder, NREL

Muchas formas de ensuciarse

Se dispone de información limitada sobre la contaminación por ubicación, incluido un mapa elaborado por NREL. «Una de las cosas más importantes que queremos hacer ahora para ayudar es recopilar datos y ponerlos en un mapa», dijo Mueller. «Todavía tenemos un largo camino por recorrer.»

Incluso sin más información, los fabricantes intentan hacer que la suciedad sea un problema menor, o al menos hacer que sea más fácil solucionarlo. Una posible solución es revestir la superficie de los paneles solares. Un ejemplo de esta estrategia es un revestimiento hidrofóbico que repele el agua. Si la placa es lo suficientemente empinada, el rocío o la lluvia correrán por la superficie y se llevarán el polvo. Sin embargo, esto no funcionará en instalaciones donde el ángulo de la placa es casi horizontal.

Los robots pueden funcionar en algunas áreas. En Oriente Medio, se han utilizado robots autónomos con cepillos giratorios para eliminar el polvo de los paneles solares.

«Si cepilla el polvo de estos paneles a una velocidad suficiente, se mantendrán bastante limpios y no habrá cemento», dijo Simpson. «Para eso hay que limpiarlos todos los días o día por medio o algo así».

No existe una solución única para limpiar los paneles solares. En áreas con mucha humedad, dice Simpson, se sabe que crecen hongos. “Este hongo es un organismo vivo que ancla el polvo a la placa, y el hongo en sí bloquea la luz que llega a la placa. El hongo es muy difícil de eliminar. Requiere productos químicos y bastante fregado. «

Resolver la contaminación de los paneles solares puede requerir diferentes enfoques, pero es un problema que los investigadores están comprometidos a resolver.

– Wayne Hicks

Artículo cortesía del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL).



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