Los científicos que estudian la energía solar intentan resolver un problema polvoriento

¡Compártelo!

La capa de polvo y polen que se deposita en el parabrisas de su automóvil se quita fácilmente con un giro de la palanca que activa los limpiaparabrisas y el agua. Quitar esa capa de un panel solar, especialmente uno ubicado de manera inconveniente de cualquier fuente de humedad, requiere mucho más trabajo.

La acumulación de polvo, hollín u otras partículas provoca una caída en la eficiencia de los paneles fotovoltaicos (PV), lo que se traduce en una disminución en la cantidad de energía producida y pérdida de ingresos para sus operadores. Pero limpiar estos paneles solares también tiene un costo.

La investigación en curso en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) sobre el problema de la “suciedad” fotovoltaica continúa trabajando hacia posibles soluciones, incluida la tecnología patentada para abordar el problema y proporcionar un mapa de dónde la suciedad plantea los mayores problemas.

Ensuciar un problema desde el principio

Desde que la energía solar fue ampliamente aceptada hace décadas, los científicos se han esforzado por mejorar la eficiencia de los paneles fotovoltaicos y reducir el costo de producción de electricidad a partir del sol. Esas fueron las grandes tareas. Ahora, dado que la energía solar proporciona un porcentaje cada vez mayor de las necesidades de energía del país a bajo costo, los investigadores han recurrido a problemas secundarios con la tecnología.

“Lo logramos”, dijo Matthew Muller, un ingeniero de NREL que se especializa en la confiabilidad y el rendimiento de la energía fotovoltaica. “La energía solar se está implementando, pero estamos perdiendo energía porque la energía solar se está implementando en lugares polvorientos”.

La energía que se pierde anualmente por la suciedad asciende a un 7% en partes de los Estados Unidos hasta un 50% en el Medio Oriente.

La lluvia y el viento pueden ser suficientes para limpiar algo de polvo de los paneles fotovoltaicos, dijo Lin Simpson, quien trabajó con Muller como co-investigador principal en NREL para un esfuerzo de investigación de $ 6 millones financiado por el Departamento de Energía sobre la suciedad de 2016 a 2019. Sin embargo, Debido a que los paneles fotovoltaicos se enfrían por la noche y atraen el rocío de la mañana, el polvo puede pasar por un proceso llamado cementación. La suciedad está literalmente cementada sobre el panel.

“Dependiendo del área en la que se encuentre, puede tener diferentes minerales que se depositan como polvo en las superficies”, dijo Simpson, un científico senior. “Una vez que pasa por el proceso de cementación, puede volverse mucho más difícil de remover donde incluso una lluvia fuerte no lo eliminará”.

Una limpieza única para una granja solar de 10 megavatios, que proporciona suficiente electricidad para abastecer a 2,000 hogares por día, puede costar aproximadamente $ 5,000. Simpson dijo que en algunas áreas, como el Valle Central de California, donde “las tasas de suciedad 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 borrar la incertidumbre

Los paneles solares fueron diseñados inicialmente para durar de 25 a 30 años. Las mejoras tecnológicas podrían alargar su vida útil hasta 50 años. Invertir en energía solar, particularmente en una instalación grande a escala de servicios públicos, requiere estudiar factores como cuánta energía se producirá y cuánto se puede vender. Esa información permite a las empresas determinar el retorno de su inversión.

Un factor a considerar es la cantidad de suciedad que se espera que experimente el sitio, pero nadie puede predecirlo con precisión. “Aún no hemos llegado allí”, dijo Michael Deceglie, científico de planta de NREL que trabaja en la suciedad fotovoltaica. “Los paneles solares se ensucian y esa es una incertidumbre sustancial para su energía a lo largo del tiempo. Y la incertidumbre conlleva un riesgo para las personas que poseen los activos porque dependen de eso para producir energía y están protegiendo su inversión. La industria se beneficiaría de tener una mejor cuantificación de ese riesgo en varios sitios y con varios factores “.

Por ahora, los operadores de granjas solares a escala de servicios públicos aprenden de la experiencia con qué frecuencia los paneles necesitan limpieza y pueden medir cuánta energía perderían frente a cuánto cuesta limpiarlos, dijo. “La gente prefiere saber lo que van a perder a lo largo de los años a que sea un total desconocido, porque un total desconocido es el riesgo”.

Una patente concedida el verano pasado a Muller e investigadores en España cubría una posible solución. Se puede colocar un sensor en el vidrio frente a una celda solar y, al hacer brillar un LED a través de él, medir la cantidad de suciedad. La medición proviene de comparar la pérdida de transmisión a través del vidrio con un panel de vidrio de referencia transparente. La tecnología se llama “DUSST”, que significa Unidad de detección de transmitancia espectral de suciedad.

Simpson dijo que los científicos de NREL también están desarrollando una forma de extraer información de los módulos fotovoltaicos para ayudar con el problema de la suciedad. Al verificar la cantidad de electricidad producida diariamente, buscarían “ciertas firmas de que se ha producido una cantidad significativa de suciedad. Esto sería útil para poder decirle a un operador que está perdiendo X cantidad de energía y probablemente debería considerar la limpieza pronto “.

La alternativa es instalar una estación de ensuciado. Un sensor instalado en un panel fotovoltaico se limpia regularmente mientras que otro se ensucia. Una comparación entre los dos proporciona una estimación de la suciedad. Deceglie señala una desventaja de usar sensores: “Si tiene una matriz grande, es posible que diferentes partes de la matriz se ensucien de manera diferente. Un sensor nunca captará lo que está sucediendo con toda la gran variedad “.

Deceglie y Muller han ayudado a desarrollar algoritmos que permiten estimaciones de suciedad más precisas. Primero desarrollaron el algoritmo de Recuperación y Tasa Estocástica (SRR) y, más recientemente, Deceglie trabajó con el investigador visitante Åsmund Skomedal para desarrollar el Degradación y suciedad combinados (o CODS) método, que permite a los usuarios estimar simultáneamente tanto la suciedad como la degradación natural de los paneles fotovoltaicos. Ambos algoritmos utilizan datos de producción de energía de sistemas fotovoltaicos. NREL hace que SRR y CODS estén disponibles gratuitamente como parte de RdTools (con la incorporación de CODS aún en desarrollo).

La combinación de SRR o CODS con información de una estación de ensuciado debería proporcionar la imagen más completa, dijo Deceglie. “Personalmente, estoy entusiasmado con ambas fuentes de datos juntas, de modo que podamos aprovechar los puntos fuertes de cada una de ellas y poder obtener una imagen realmente buena de lo que está sucediendo en un sitio”.


El entorno urbano se ve de cerca

La investigación de Sarah Toth sobre la suciedad llega más cerca de casa mientras explora la correlación entre la contaminación del aire y la suciedad, específicamente en áreas urbanas. Toth instaló dos sensores de silicio de bajo costo en un área industrial a tres millas del centro de Denver. Un sensor se cepilló automáticamente todos los días; el otro, nunca limpiado. Al final del experimento de un año, Toth descubrió que podía modelar con precisión la proporción de suciedad basándose únicamente en las partículas acumuladas y la lluvia. También descubrió que la lluvia podía eliminar de forma natural la mayoría de las partículas del campo, pero no las finas, que tendían a pegarse a la superficie.

“La razón por la que concentro mi investigación en estos entornos urbanos es porque la composición de la suciedad es completamente diferente”, dijo Toth, un Ph.D. candidato en ingeniería ambiental en la Universidad de Colorado que ha trabajado en NREL desde 2017. “Tenemos partículas más finas que son estas partículas más pegajosas que podrían contribuir a una química de superficie muy diferente en el módulo y diferente suciedad. En el desierto, no entra en juego tanta química de la superficie “.

Toth, que ha desplegado sensores de suciedad en Los Ángeles, dijo que La investigación mostró diferentes tratamientos de limpieza. son necesarios para eliminar eficazmente tanto las partículas finas como las gruesas.

“Lo que hemos visto de manera anecdótica al observar moléculas envejecidas bajo el microscopio”, dijo, “es que después de unos años solo tienen algún tipo de contaminación superficial que simplemente no podemos eliminar, sin importar cuánto lo limpiemos. Para quitarlo, es necesario rayar el vidrio “.

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

Sarah Toth, investigadora de NREL, 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 suciedad en tiempo real e instaló algunos en Los Ángeles. Foto de Dennis Schroeder, NREL

Muchas formas consideradas para facilitar la suciedad

Se dispone de información limitada sobre la suciedad por ubicación, incluida la mapa producido por NREL. “Una de las cosas más importantes que estamos tratando de hacer para ayudar ahora es que estamos tratando de recopilar datos y ponerlos en un mapa”, dijo Muller. “Tenemos un largo camino por recorrer en eso”.

Incluso sin más información, los fabricantes están tratando de hacer que la suciedad sea un problema menor, o al menos más fácil de abordar. Una posible solución es un revestimiento sobre la superficie de los paneles solares. Un ejemplo de esta estrategia es un recubrimiento hidrofóbico, lo que significa que repele el agua. Si el panel está lo suficientemente inclinado, el rocío o la lluvia correrán por su superficie y lavarán el polvo. Pero en instalaciones donde el ángulo del panel es casi horizontal, eso no funcionará.

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

“Si cepilla el polvo de estos paneles a una velocidad suficiente, los mantiene bastante limpios y no se forma la cementación”, dijo Simpson. “Eso requiere que los limpie todos los días o cada dos días”.

No existe una solución única para limpiar los paneles solares. En áreas de alta humedad, dijo Simpson, se sabe que crecen hongos. “Este hongo es un organismo vivo que ancla el polvo al panel y el hongo en sí mismo bloquea la luz que llega al panel. El hongo es muy difícil de eliminar. Requiere productos químicos y bastante limpieza “.

La solución para ensuciar los paneles solares puede requerir varios enfoques diferentes, pero es un problema que los investigadores se han comprometido a resolver.

—Wayne Hicks

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

Si ha sido una lectura interesante, comparte esta noticia con quien sabes que le va a interesar.

¡Compártelo!

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *