Cómo afrontar el problema de acumulación de polvo de la energía solar

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Publicado: miércoles, 30 de septiembre de 2015 El creciente interés suscitado por los recursos energéticos renovables en todo el mundo hace que las plantas solares se instalen, cada vez con mayor frecuencia, en unas condiciones desafiantes. Muchos de estos emplazamientos son zonas áridas o desérticas que ofrecen una elevada irradiancia solar y que rara vez se utilizan para otros fines. Podemos encontrar ejemplos de este tipo de instalaciones en los EE. UU., el norte de África, los Emiratos Árabes Unidos, Arabia Saudita, el desierto de Atacama en Chile,

En estas zonas, la suciedad derivada del polvo y la arena representa un grave problema que afecta a la eficiencia de las plantas solares, por lo que su conocimiento resulta imprescindible para todo el proceso de cálculo de la viabilidad de un proyecto. Los estudios sobre los problemas derivados de la suciedad son necesarios para determinar las pérdidas de producción, planificar el mantenimiento, calcular el ciclo de vida de los componentes y evaluar la rentabilidad.

La suciedad es un proceso complejo que depende en gran medida del entorno local. Así, las condiciones de la superficie, los patrones de viento, la humedad y la temperatura del aire son los principales parámetros naturales que afectan a la suciedad. Sin embargo, los factores antropogénicos también desempeñan un papel clave: las actividades agrícolas, el tráfico y la contaminación del aire contribuyen a la sedimentación de polvo y sustancias contaminantes sobre los paneles fotovoltaicos, las lentes FVC y los espejos ESC.

Causas para la acumulación de suciedad

En los proyectos de energía solar, los principales agentes responsables de la suciedad son los siguientes:

  • El polvo, el polen, la arena y otras partículas transportadas por el aire se acumulan de manera natural en las superficies de los módulos fotovoltaicos, sobre todo en los espejos y las lentes. Este hecho reduce la producción de energía de las plantas solares, especialmente la de aquellas situadas en zonas áridas donde se desarrollan actividades agrícolas y que poseen suelos sueltos.
  • Los contaminantes transportados por el aire, como vapores, humos y hollines, pueden formar una capa superficial más difícil de limpiar que el polvo o la arena. Este aspecto es especialmente pertinente en las zonas urbanas e industriales.
  • La sedimentación de arena y polvo en las zonas áridas puede verse agravada por el rocío nocturno, que favorece la adhesión de estas partículas a las superficies húmedas. Mientras que el polvo se seca y se endurece por la acción del sol durante el día, las superficies humedecidas por el rocío permiten la acumulación de más polvo durante la noche siguiente. Este proceso se repite una y otra vez hasta que se forma una gruesa capa de polvo que puede llegar a bloquear completamente la luz.
  • Por norma general, la suciedad se acumula en la parte inferior de los paneles fotovoltaicos que disponen de un armazón de soporte elevado, lo que provoca un sombreado parcial y la reducción de la zona de eficiencia del módulo fotovoltaico. Este factor es especialmente relevante en zonas próximas al ecuador, donde los paneles se suelen instalar con un ángulo de inclinación reducido para favorecer la recepción de la mayor cantidad de radiación solar posible durante el día.
  • En las zonas cálidas y húmedas, también puede producirse el crecimiento de moho en los paneles fotovoltaicos. El calor acumulado durante el día y la humedad de la noche generan el caldo de cultivo ideal para la proliferación de microorganismos capaces de formar una capa opaca en la superficie de los módulos fotovoltaicos.
  • En algunos emplazamientos, los excrementos de las aves (guano) pueden provocar un bloqueo parcial de las células de los módulos. Esta circunstancia afecta al flujo de corriente de los módulos y, por norma general, provoca una caída de la eficiencia de un módulo o de toda una hilera. Además, también afecta a la eficiencia de los espejos.

La importancia relativa de cada uno de estos factores de suciedad en un emplazamiento determinado variará con el paso de las estaciones debido a los procesos climáticos y meteorológicos locales.

Medición de la suciedad

La suciedad puede calcularse de varias formas, en función de la precisión necesaria y la aplicación práctica. Puesto que la naturaleza variable y local de la suciedad dificulta su cálculo teórico, los operarios de las plantas solares y los investigadores emplean una serie de métodos empíricos.

En los proyectos de menores dimensiones, el efecto de la suciedad se suele calcular utilizando un módulo o una célula fotovoltaica de referencia que se somete a las mismas condiciones ambientales que el resto de la instalación. Así, la producción de este módulo se compara con la producción de referencia teórica esperada y se procede a la estimación del índice de suciedad. En este método, las mediciones de la eficiencia de la planta y las mediciones de la suciedad se separan para proporcionar datos de análisis independientes. Sin embargo, con este procedimiento se puede perder el impacto de varios parámetros variables, tal que la irradiancia disponible, la degradación de los módulos y los efectos de la temperatura y el viento.

Por tanto, la búsqueda de nuevos emplazamientos donde instalar un parque solar comercial a gran escala requiere un estudio más exhaustivo de los problemas potenciales derivados de la suciedad antes de la toma de cualquier decisión. Un estudio de estas características deberá tener en cuenta varios aspectos: las diferencias en el índice de suciedad de los módulos fotovoltaicos con diferentes ángulos de inclinación, las características de las distintas tecnologías fotovoltaicas, la eficacia de los recubrimientos que repelen la suciedad, la eficacia de los sistemas de limpieza, la suciedad de los espejos de concentración de las plantas ESC, etc.

Además, la variación de los efectos en las distintas épocas del año también es muy importante para el cálculo de la rentabilidad de las inversiones en los proyectos futuros, por lo que también debe supervisarse. Para estos estudios, los investigadores emplean estaciones científicas especialmente diseñadas para el seguimiento de la suciedad, la radiación solar y los parámetros meteorológicos.

En el desierto de Atacama (Chile), Patricia Dárez, directora del Grupo de Análisis de Energía de Mainstream Renewable Power, utiliza una estación experimental de seguimiento de la suciedad que permite la medición de la producción eléctrica de cuatro paneles con patrones de limpieza distintos, así como el uso de un recubrimiento que repele la suciedad para el estudio de su eficacia. Esta estación se compone de dos piranómetros http://www.kippzonen.es/Product/210/CMP-11-Piranometro#.Vgpka_ntlBc, uno en horizontal y otro en ángulo, ventilados por una unidad CVF 3. Esta investigación pionera permite conocer mejor las condiciones de esta región recóndita que, a pesar de presentar un gran potencial para los proyectos solares, todavía no está correctamente modelizada.

 

Estación de investigación de la suciedad en el desierto de Atacama de Mainstream Renewable Power

En Kuwait, donde los niveles de irradiancia son elevados, el Dr. Hassan Qasem, investigador científico del Departamento de Tecnologías aplicadas a la Edificación y la Energía del Instituto de Investigaciones Científicas de Kuwait (KISR), se dedica al estudio de la suciedad. Su investigación se centra en realizar pruebas de laboratorio y al aire libre de las propiedades físicas y ópticas de distintas muestras de polvo. Así, en este lugar se ha instalado una estación meteorológica que permite supervisar la irradiancia y las condiciones meteorológicas.

Dicha estación —que cuenta con dos piranómetros CMP 11 (para la medición de la irradiancia global inclinada y horizontal) y un registrador de datos— permite obtener también información acerca de la velocidad y la dirección del viento, la temperatura ambiente, la humedad relativa y las precipitaciones.

La suciedad es un factor especialmente decisivo para los proyectos FVC y ESC, puesto que estos funcionan concentrando los rayos de luz directos procedentes del sol. Por ello, investigadores del Centro Aeroespacial de Alemania (DLR) y de la Universidad Mohamed Primero (Oujda, Marruecos), en colaboración con CSP Services y la Plataforma Solar de Almería, se centraron en el estudio de los niveles de suciedad de los espejos de concentración para la producción solar. El resultado fue un sistema llamado TraCS (sensor de supervisión de la limpieza) que compara la irradiancia directa normal (IDN), medida por un pirheliómetro CHP 1 de referencia montado en un seguidor solar automático, con la producción de un segundo pirheliómetro CHP 1 montado en ese mismo seguidor solar SOLYS 2 apuntando hacia un espejo para captar el reflejo del sol.

El sistema TraCS mide los efectos de la suciedad sobre la reflectividad del espejo en tiempo real

Todos los métodos de medición de la suciedad tienen una característica común: emplean instrumentos de gran calidad para la obtención de estudios fiables. Por ello, un buen sistema de seguimiento con un programa de mantenimiento adecuado permitirá reducir las pérdidas derivadas de la suciedad y de otros parámetros ambientales para mejorar el rendimiento de las inversiones de los proyectos de energía solar.

 

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