Se espera que la energía solar alcance el 10 % de la producción mundial de electricidad para 2030, y gran parte de esta probablemente se ubicará en áreas desérticas, donde abunda la luz solar. Pero la acumulación de polvo en paneles solares o espejos ya es un problema importante -puede reducir la producción de paneles fotovoltaicos hasta en un 30% en tan solo un mes-, por lo que la limpieza periódica es fundamental en este tipo de instalaciones.
Pero actualmente se estima que la limpieza de los paneles solares consume alrededor de 10 mil millones de galones de agua por año, suficiente para proporcionar agua potable a 2 millones de personas. Los intentos de limpiar sin agua requieren mucha mano de obra y tienden a causar rayones irreversibles en las superficies, lo que también reduce la eficacia. Ahora, un equipo de investigadores del MIT ha desarrollado una forma de limpiar automáticamente los paneles solares, o los espejos de las plantas de energía solar térmica, en un sistema sin contacto y sin agua que podría reducir significativamente el problema del polvo, dicen. .
El nuevo sistema utiliza la repulsión electrostática para hacer que las partículas de polvo se desprendan y salten prácticamente de la superficie del panel, sin necesidad de agua ni cepillos. Para activar el sistema, un simple electrodo pasa justo por encima de la superficie del panel solar, impartiendo una carga eléctrica a las partículas de polvo, que luego son repelidas por una carga aplicada al propio panel. El sistema se puede operar automáticamente usando un motor eléctrico simple y rieles de guía a lo largo del costado del panel. La investigación se describe hoy en la revista Los científicos progresanen un artículo del estudiante graduado del MIT Sreedath Panat y el profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi.
A pesar de los esfuerzos concertados en todo el mundo para desarrollar paneles solares cada vez más eficientes, dice Varanasi, «un problema mundano como el polvo puede afectar seriamente todo el asunto». Las pruebas de laboratorio realizadas por Panat y Varanasi han demostrado que la caída en la producción de energía del panel se produce bruscamente al comienzo del proceso de acumulación de polvo y puede alcanzar fácilmente una reducción del 30 % después de solo un mes sin limpieza. Calcularon que incluso una reducción del 1% en la energía, para una instalación solar de 150 megavatios, podría resultar en una pérdida de $200,000 en ingresos anuales. Los investigadores dicen que, a nivel mundial, una reducción del 3-4 % en la generación de electricidad a partir de plantas de energía solar equivaldría a una pérdida de entre 3.300 y 5.500 millones de dólares.
“Se está trabajando mucho en materiales solares”, dice Varanasi. «Están empujando el sobre, tratando de ganar un pequeño porcentaje aquí y allá mejorando la eficiencia, y aquí tienes algo que puede borrar todo eso de inmediato».
Muchas de las instalaciones de energía solar más grandes del mundo, incluso en China, India, los Emiratos Árabes Unidos y los Estados Unidos, están ubicadas en regiones desérticas. El agua que se utiliza para limpiar estos paneles solares mediante chorros de agua a presión debe transportarse a distancia y debe ser muy pura para no dejar depósitos en las superficies. A veces se usa el fregado en seco, pero es menos efectivo para limpiar superficies y puede causar rayones permanentes que también reducen la transmisión de luz.
La limpieza del agua supone alrededor del 10% de los costes operativos de las instalaciones solares. El nuevo sistema podría reducir potencialmente esos costos al tiempo que mejora la producción de energía general al permitir limpiezas automatizadas más frecuentes, dicen los investigadores.
«La huella hídrica de la industria solar es asombrosa», dice Varanasi, y aumentará a medida que estas instalaciones continúen expandiéndose en todo el mundo. «Entonces, la industria debe ser muy cuidadosa y reflexiva sobre cómo hacer que esta sea una solución duradera».
Otros grupos han intentado desarrollar soluciones basadas en la electrostática, pero se han basado en una capa llamada pantalla electrodinámica, utilizando electrodos interdigitales. Estas pantallas pueden tener fallas que permiten la entrada de humedad y hacen que fallen, dice Varanasi. Si bien pueden ser útiles en algún lugar como Marte, dice, donde la humedad no es un problema, incluso en ambientes desérticos en la Tierra puede ser un problema grave.
El nuevo sistema que han desarrollado solo requiere un electrodo, que puede ser una simple barra de metal, para pasar sobre el panel, produciendo un campo eléctrico que imparte una carga a las partículas de polvo a medida que avanzan. Una carga opuesta aplicada a una capa conductora transparente de unos pocos nanómetros de espesor depositada en el revestimiento de vidrio del panel solar luego repele las partículas y, al calcular el voltaje correcto a aplicar, los investigadores pudieron encontrar un rango de voltaje suficiente para superar la atracción. de la gravedad y las fuerzas de adhesión, y provoca el levantamiento del polvo.
Usando muestras de polvo de laboratorio especialmente preparadas con una variedad de tamaños de partículas, los experimentos demostraron que el proceso funciona de manera efectiva en una configuración de prueba a escala de laboratorio, dice Panat. Las pruebas mostraron que la humedad en el aire proporcionó una fina capa de agua sobre las partículas, lo cual fue crucial para que el efecto funcionara. “Realizamos experimentos con diferentes humedades del 5 % al 95 %”, dice Panat. «Mientras la humedad ambiental esté por encima del 30 %, puedes eliminar casi cualquier partícula de la superficie, pero a medida que la humedad disminuye, se vuelve más difícil».
Varanasi dice que «la buena noticia es que cuando llegas al 30% de humedad, la mayoría de los desiertos entran en ese régimen». E incluso aquellos que generalmente están más secos tienden a tener una mayor humedad temprano en la mañana, lo que hace que se forme rocío, por lo que la limpieza se puede programar en consecuencia.
«Además, a diferencia de algunos de los trabajos anteriores sobre pantallas electrodinámicas, que no funcionan con una humedad alta o incluso moderada, nuestro sistema puede funcionar con una humedad de hasta el 95%, indefinidamente», dice Panat.
En la práctica, a gran escala, cada panel solar podría estar equipado con barandillas en cada lado, con un electrodo que se extiende por todo el panel. Un pequeño motor eléctrico, quizás utilizando una pequeña parte de la salida del panel mismo, impulsaría un sistema de correas para mover el electrodo de un extremo del panel al otro, haciendo que se caiga todo el polvo. Todo el proceso se puede automatizar o controlar de forma remota. Alternativamente, se pueden colocar tiras delgadas de material transparente conductor permanentemente sobre el panel, eliminando la necesidad de partes móviles.
Al eliminar la dependencia del agua transportada por camiones, eliminar la acumulación de polvo que puede contener compuestos corrosivos y reducir los costos operativos generales, estos sistemas tienen el potencial de mejorar drásticamente la eficiencia y la confiabilidad de las instalaciones solares globales, explica Varanasi.
La investigación fue apoyada por la empresa energética italiana Eni. SpA a través de la MIT Energy Initiative.