Se espera que la energía solar alcance el 10 por ciento de la generación mundial de energía para el año 2030, y es probable que gran parte se encuentre en áreas desérticas, donde abunda la luz solar. Pero la acumulación de polvo en los paneles solares o los espejos ya es un problema importante: puede reducir la producción de los paneles fotovoltaicos hasta en un 30 por ciento en solo un mes, por lo que la limpieza regular es esencial para tales 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 suministrar agua potable a hasta 2 millones de personas. Los intentos de limpieza sin agua requieren mucha mano de obra y tienden a causar arañazos irreversibles en las superficies, lo que también reduce la eficiencia. Ahora, un 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 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 en la revista Avances de la cienciaen 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 demostraron que la caída de la producción de energía de los paneles ocurre abruptamente al comienzo del proceso de acumulación de polvo y puede alcanzar fácilmente una reducción del 30 por ciento después de solo un mes sin limpieza. Calcularon que incluso una reducción del 1 por ciento 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 al 4 por ciento en la producción de energía de las plantas solares equivaldría a una pérdida de entre $ 3,3 mil millones y $ 5,5 mil millones.
«Se está trabajando mucho en materiales solares», dice Varanasi. «Están empujando los límites, tratando de ganar un pequeño porcentaje aquí y allá para mejorar la eficiencia, y aquí tienes algo que puede eliminar todo eso de inmediato».
Muchas de las instalaciones de energía solar más grandes del mundo, incluidas las de China, India, los Emiratos Árabes Unidos y los EE. UU., se encuentran en regiones desérticas. El agua utilizada para la limpieza de estos paneles solares mediante chorros de agua a presión debe transportarse en camiones desde la distancia y debe ser muy pura para evitar dejar depósitos en las superficies. A veces se usa el fregado en seco, pero es menos efectivo para limpiar las superficies y puede causar rasguños permanentes que también reducen la transmisión de luz.
La limpieza del agua representa alrededor del 10 por ciento de los costos operativos de las instalaciones solares. El nuevo sistema podría reducir potencialmente estos 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 alucinante», 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 de esta una solución sostenible».
Otros grupos han intentado desarrollar soluciones basadas en la electrostática, pero estas se han basado en una capa llamada pantalla electrodinámica, utilizando electrodos interdigitados. Estas pantallas pueden tener defectos que permiten la entrada de humedad y hacen que fallen, dice Varanasi. Si bien podrían ser útiles en un lugar como Marte, dice, donde la humedad no es un problema, incluso en ambientes desérticos en la Tierra esto puede ser un problema grave.
El nuevo sistema que desarrollaron 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 avanza. Una carga opuesta aplicada a una capa conductora transparente de solo unos pocos nanómetros de espesor depositada en la cubierta de vidrio del panel solar luego repele las partículas, y al calcular el voltaje correcto para aplicar, los investigadores pudieron encontrar un rango de voltaje suficiente para superar la atracción de la gravedad y las fuerzas de adhesión, y hacen que el polvo se levante.
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 instalación de prueba a escala de laboratorio, dice Panat. Las pruebas mostraron que la humedad en el aire proporcionaba una fina capa de agua sobre las partículas, lo que resultó ser crucial para que el efecto funcionara. «Realizamos experimentos con diferentes humedades del 5 al 95 por ciento», dice Panat. «Mientras la humedad ambiental sea superior al 30 por ciento, puede eliminar casi todas las partículas 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 por ciento de humedad, la mayoría de los desiertos caen en este régimen». E incluso aquellos que suelen estar más secos que eso tienden a tener una mayor humedad en las primeras horas de la mañana, lo que lleva a la formación de rocío, por lo que la limpieza podría programarse en consecuencia.
«Además, a diferencia de algunos de los trabajos anteriores en pantallas electrodinámicas, que en realidad no funcionan con una humedad alta o incluso moderada, nuestro sistema puede funcionar con una humedad incluso tan alta como el 95 por ciento, indefinidamente», dice Panat.
En la práctica, a escala, cada panel solar podría equiparse con barandas a cada lado, con un electrodo que se extienda a lo largo del panel. Un pequeño motor eléctrico, quizás utilizando una pequeña porción de la salida del panel mismo, impulsaría un sistema de correa para mover el electrodo de un extremo del panel al otro, haciendo que todo el polvo se caiga. Todo el proceso podría automatizarse o controlarse de forma remota. Alternativamente, se pueden colocar de forma permanente tiras delgadas de material conductor transparente sobre el panel, eliminando la necesidad de partes 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 costos operativos generales, dichos sistemas tienen el potencial de mejorar significativamente la eficiencia y confiabilidad general de las instalaciones solares, dice Varanasi.
La investigación fue apoyada por la empresa energética italiana Eni. SpA a través de la MIT Energy Initiative.
