Los ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Estados Unidos, han desarrollado un método de limpieza sin agua para eliminar el polvo en las instalaciones solares en regiones con escasez de agua, según publican en la revista ‘Science Advances’.
Se espera que la energía solar alcance el 10% de la generación mundial de energía para el año 2030, y es probable que gran parte de ella se sitúe en zonas desérticas, donde la luz solar es abundante. Pero la acumulación de polvo en los paneles solares o en los espejos es ya un problema importante ya que puede reducir la producción de los paneles fotovoltaicos hasta un 30% en sólo un mes.
Se calcula que la limpieza de los paneles solares consume unos 10.000 millones de galones de agua al año, cantidad suficiente para abastecer de agua potable a hasta 2 millones de personas. Los intentos de limpieza sin agua exigen mucha mano de obra y tienden a causar arañazos irreversibles en las superficies, lo que también reduce la eficiencia.
El equipo de investigadores del MIT ha ideado una forma de limpiar automáticamente los paneles solares, o los espejos de las plantas termosolares, en un sistema sin agua y sin contacto que podría reducir significativamente el problema del polvo.
El nuevo sistema utiliza la repulsión electrostática para hacer que las partículas de polvo se desprendan y prácticamente salten de la superficie del panel, sin necesidad de agua o 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 profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi afirma que «un problema mundano como el polvo puede hacer mella en todo el asunto». Las pruebas de laboratorio realizadas por Varanasi y el estudiante de posgrado del MIT Sreedath Panat demostraron que la caída de la producción de energía de los paneles se produce de forma pronunciada al principio del proceso de acumulación de polvo y puede alcanzar fácilmente una reducción del 30 por ciento después de sólo un mes sin limpieza.
Calcularon que incluso una reducción del 1% de la potencia, en una instalación solar de 150 megavatios, podría suponer una pérdida de 200.000 dólares en ingresos anuales. Los investigadores afirman que, a nivel mundial, una reducción del 3 al 4 por ciento en la producción de energía de las plantas solares supondría una pérdida de entre 3.300 y 5.500 millones de dólares (entre 3.000 y 5.000 millones de euros).
«Se está trabajando mucho en los materiales solares –explica Varanasi–. Están ampliando los límites, tratando de ganar un poco de porcentaje aquí y allá en la mejora de la eficiencia, y aquí tienes algo que puede borrar todo eso de inmediato».
Muchas de las mayores instalaciones de energía solar del mundo, como las de China, India, Emiratos Árabes Unidos y Estados Unidos, se encuentran en regiones desérticas. El agua que se utiliza para limpiar estos paneles solares con chorros de agua a presión tiene que ser transportada en camión desde lejos, y tiene que ser muy pura para no dejar depósitos en las superficies. A veces se utiliza el fregado en seco, pero es menos eficaz para limpiar las superficies y puede causar arañazos permanentes que también reducen la transmisión de la luz.
La limpieza del agua supone alrededor del 10% de los costes de funcionamiento de las instalaciones solares. Según los investigadores, el nuevo sistema podría reducir estos costes y mejorar la producción general de energía al permitir limpiezas automáticas más frecuentes.
«La huella hídrica de la industria solar es alucinante –subraya Varanasi, y aumentará a medida que estas instalaciones sigan creciendo en todo el mundo–. Así que la industria tiene que ser muy cuidadosa y reflexionar sobre cómo hacer de esto una solución sostenible».
Otros grupos han intentado desarrollar soluciones basadas en la electrostática, pero éstas se han basado en una capa llamada pantalla electrodinámica, que utiliza electrodos interdigitados. Estas pantallas pueden tener defectos que permiten la entrada de humedad y hacen que fallen, dice Varanasi. Aunque podrían ser útiles en un lugar como Marte, dice, donde la humedad no es un problema, incluso en los entornos desérticos de la Tierra esto puede ser un problema grave.
El nuevo sistema que han desarrollado sólo requiere que un electrodo, que puede ser una simple barra de metal, pase por encima del panel, produciendo un campo eléctrico que imparte una carga a las partículas de polvo a su paso.
Una carga opuesta aplicada a una capa conductora transparente de unos pocos nanómetros de grosor depositada en la cubierta de vidrio del panel solar repele entonces las partículas, y calculando 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 hacer que el polvo se levante.
Utilizando muestras de polvo especialmente preparadas en el laboratorio con una gama de tamaños de partículas, los experimentos demostraron que el proceso funciona eficazmente en una instalación de prueba a escala de laboratorio, dice Panat.
Las pruebas demostraron que la humedad del aire aportaba una fina capa de agua a las partículas, lo que resultó ser crucial para que el efecto funcionara. «Realizamos experimentos con humedades variables, desde el 5% hasta el 95% –explica–. Mientras la humedad ambiental sea superior al 30 por ciento, se pueden eliminar casi todas las partículas de la superficie, pero a medida que la humedad disminuye, resulta más difícil».
Varanasi destaca que «la buena noticia es que cuando se llega al 30 por ciento de humedad, la mayoría de los desiertos entran en este régimen». E incluso los que suelen ser más secos que eso tienden a tener una mayor humedad en las primeras horas de la mañana, lo que conduce a la formación de rocío, por lo que la limpieza podría programarse en consecuencia.
«Además, a diferencia de algunos trabajos anteriores sobre pantallas electrodinámicas, que en realidad no funcionan con una humedad alta o incluso moderada, nuestro sistema puede funcionar con una humedad incluso del 95%, de forma indefinida», afirma.
En la práctica, a escala, cada panel solar podría estar provisto de barandillas a cada lado, con un electrodo que atravesara el panel. Un pequeño motor eléctrico, quizá utilizando una mínima parte de la producción del propio panel, accionaría un sistema de correas para mover el electrodo de un extremo a otro del panel, haciendo que todo el polvo se desprenda. Todo el proceso podría automatizarse o controlarse a distancia. Como alternativa, se podrían colocar tiras finas de material transparente conductor de forma permanente sobre el panel, eliminando la necesidad de piezas móviles.
Al eliminar la dependencia del agua transportada en camiones, al eliminar la acumulación de polvo que puede contener compuestos corrosivos y al reducir los costes operativos generales, estos sistemas tienen el potencial de mejorar significativamente la eficiencia y la fiabilidad general de las instalaciones solares, concluye Varanasi.
El nuevo sistema que han desarrollado sólo requiere que un electrodo, que puede ser una simple barra metálica, pase por encima del panel, produciendo un campo eléctrico que imparte una carga a las partículas de polvo a su paso.
Una carga opuesta aplicada a una capa conductora transparente de unos pocos nanómetros de grosor depositada en la cubierta de cristal del panel solar repele entonces las partículas, y calculando 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 adherencia, y hacer que el polvo se levantara.
