Los científicos que estudian la energía solar están tratando de resolver un problema polvoriento

Una capa de polvo y polen que se deposita en el parabrisas de un automóvil se puede quitar fácilmente usando el limpiaparabrisas y la palanca del accionador de agua. Quitar esta capa del panel solar, especialmente una que está colocada de manera inconveniente de cualquier fuente de humedad, requiere mucho más trabajo.

La acumulación de polvo, hollín u otras partículas sólidas provoca una disminución en la eficiencia de los paneles fotovoltaicos (FV), lo que se traduce en una disminución en la cantidad de energía generada y pérdida de ingresos de sus operadores. Pero limpiar estos paneles solares también cuesta.

La investigación en curso en el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) sobre el problema del “ensuciamiento” fotovoltaico continúa trabajando en posibles soluciones, incluida la tecnología patentada para abordar el problema y proporcionar un mapa de dónde la contaminación es más problemática.

Ensucia el problema desde el principio

Desde energía solar Siendo el primero en ser ampliamente aceptado hace décadas, los científicos han trabajado para mejorar la eficiencia de los paneles solares y reducir el costo de producir electricidad a partir del sol. Fueron grandes tareas. Ahora que la energía solar proporciona un porcentaje cada vez mayor de las necesidades energéticas de bajo costo del país, los científicos han centrado su atención en problemas secundarios con la tecnología.

“Funcionó”, dijo Matthew Muller, un ingeniero de NREL que se especializa en confiabilidad y rendimiento fotovoltaicos. “El sistema solar se está desplegando, pero estamos desperdiciando energía porque se está desplegando en lugares polvorientos”.

La pérdida anual de energía debido a la contaminación varía desde el 7% en algunas partes de los Estados Unidos hasta el 50% en el Medio Oriente.

La lluvia y el viento pueden ser suficientes para eliminar parte del polvo de los paneles solares, dijo Lin Simpson, quien se desempeñó con Muller como codirector del esfuerzo de investigación de suciedad financiado por el Departamento de Energía de $ 6 millones de NREL en 2016-2019. A medida que los paneles solares 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 en la superficie como polvo”, dijo Simpson, científico principal. “Una vez que pasa por el proceso de cementación, puede ser mucho más difícil de remover, e incluso las fuertes lluvias no lo eliminarán”.

Limpieza única por 10 megavatios granja solar—Eso proporciona suficiente electricidad para abastecer a 2,000 hogares al día – podría costar alrededor de $ 5,000. Simpson dijo que en ciertas áreas, como Central Valley, California, donde “el grado de suciedad es lo suficientemente alto y la lluvia es lo suficientemente baja”, tiene sentido económico limpiar los paneles más de una vez al año.

Las respuestas necesarias para borrar la incertidumbre

Inicialmente, se suponía que los paneles solares durarían entre 25 y 30 años. Las mejoras tecnológicas pueden extender su vida útil hasta 50 años. Invertir en energía solar, especialmente en una instalación grande a escala útil, requiere examinar factores como la cantidad de energía producida y por la cual se puede vender. Esta información permite a las empresas determinar el retorno de la inversión.

Un factor a considerar es el grado esperado de contaminación del suelo, pero nadie puede predecirlo con precisión. “Aún no hemos llegado allí”, dijo Michael Deceglie, investigador de NREL que trabaja en el ensuciamiento fotovoltaico. “Los paneles solares se ensucian, lo que genera una considerable incertidumbre en cuanto a su energía a lo largo del tiempo. Y la incertidumbre conlleva un riesgo para las personas que poseen el activo porque dependen de él para generar energía y proteger sus inversiones. se beneficiará de una mejor cuantificación de este riesgo en diferentes lugares y con diferentes factores ”.

Por ahora, los operadores de granjas solares a escala de servicios públicos están aprendiendo de la experiencia con qué frecuencia los paneles necesitan limpieza y pueden medir cuánta energía perderían en relación con el costo de limpiarlos ”, dijo. “La gente prefiere saber lo que perderá a lo largo de los años que tenerlo en cuenta, porque lo absolutamente 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 la celda solar y el grado de suciedad se puede medir haciendo brillar un LED a través de él. La medición se realiza comparando la pérdida de transmisión a través del vidrio con el cristal transparente del vidrio de referencia. Esta tecnología se llama “DUSST”, que significa una unidad de detección de la transmitancia espectral del suelo.

Simpson dijo que los científicos de NREL también están desarrollando una forma de recuperar información de los módulos fotovoltaicos para ayudar a abordar el problema de la contaminación. Al verificar la cantidad de electricidad producida cada día, buscarían “ciertos signos de que se ha producido una cantidad significativa de suciedad”. Sería útil poder decirle al operador que está desperdiciando X cantidades de energía ”y probablemente debería verificar la limpieza pronto. “

Una alternativa es instalar una estación de incrustaciones. El sensor instalado en el panel fotovoltaico se limpia regularmente, mientras que otro puede ensuciarse. Una comparación entre ellos le permite estimar el grado de suciedad. Deceglie señala la desventaja de usar sensores: “Si tienes una placa grande, diferentes partes pueden ensuciarse de manera diferente. El sensor nunca registra lo que está sucediendo con todo el conjunto grande “.

Deceglie y Muller ayudaron a desarrollar algoritmos que permiten una estimación más precisa de la suciedad. Primero desarrollaron el algoritmo de Recuperación y Tasa Estocástica (SRR) y, más recientemente, Deceglie colaboró ​​con el investigador visitante Åsmund Skomedal para desarrollar un método combinado de degradación y suciedad (o CODS) que permite a los usuarios estimar simultáneamente tanto la suciedad como la degradación natural de los paneles solares. . Ambos algoritmos utilizan datos sobre la producción de energía de los sistemas fotovoltaicos. NREL proporciona SRR y CODS de forma gratuita en RdTools (incluido CODS, que aún están en desarrollo).

La combinación de SRR o CODS con información de la estación de incrustaciones debería brindarle la imagen más completa, dijo Deceglie. “Personalmente, estoy entusiasmado con la combinación de estas dos fuentes de datos, por lo que podemos aprovechar las fortalezas de cada una para obtener una imagen realmente buena de lo que está sucediendo en el sitio”.

El entorno urbano de un vistazo

La investigación sobre la suciedad de Sarah Toth va más cerca de casa mientras explora la correlación entre la contaminación del aire y la suciedad, especialmente en áreas urbanas. Toth instaló dos sensores de silicio baratos en una zona industrial a tres millas del centro de Denver. Un sensor se limpió automáticamente a diario; segundo, nunca limpiado. Al final del experimento del año, Toth descubrió que podía modelar con precisión el grado de suciedad basándose únicamente en los sólidos acumulados y la lluvia. También descubrió que la lluvia puede lavar de forma natural la mayoría de las partículas del campo, pero no las partículas finas que tienden a adherirse a la superficie.

“La razón por la que estoy centrando mi investigación en estos entornos urbanos es porque la composición del suelo es muy diferente”, dijo el Dr. Toth. un candidato a ingeniería ambiental en la Universidad de Colorado que ha estado trabajando en NREL desde 2017. “Tenemos más partículas finas, que son las más pegajosas, que pueden contribuir a una química de la superficie del módulo muy diferente y a una suciedad diferente. hay tanta química de superficie involucrada ‘.

Toth, quien implementó sensores de contaminación en Los Ángeles, dijo que su investigación mostró que se necesitaban diferentes métodos de limpieza para eliminar de manera efectiva las partículas finas y gruesas.

“Lo que vimos de manera anecdótica al observar las partículas envejecidas bajo un microscopio”, dijo, “es que después de unos años solo tienen algo de contaminación en la superficie de la que simplemente no podemos salir, sin importar cuánto coman. . en realidad tienes que rayar el vidrio para quitarlo “.

Se cree que hay muchas formas de suavizar la suciedad.

Se dispone de información limitada sobre la contaminación por ubicación, incluso en un mapa desarrollado por NREL. “Una de las cosas más importantes que estamos tratando de ayudar en este momento es que estamos tratando de recopilar los datos y ponerlos en el mapa”, dijo Muller. “Tenemos un largo camino por delante.”

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

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

“Si limpia el polvo de estos paneles lo suficientemente rápido, los mantendrá limpios y no se formará cementación”, dijo Simpson. “Requiere que los limpie todos los días o cada dos días”.

No existe una solución única para limpiar los paneles solares. Simpson dijo que un hongo crece en áreas de alta humedad. “Este hongo es un organismo vivo que ancla el polvo al panel y el propio hongo bloquea la luz para que no llegue al panel. El hongo es muy difícil de eliminar. Requiere productos químicos y mucha limpieza “.

Solución de suciedad paneles solares puede requerir varios enfoques diferentes, pero este es un problema que los investigadores están comprometidos a abordar.