El equipo de investigadores del MIT ideó un sistema sin agua para limpiar automáticamente los paneles fotovoltaicos. El invento podría ahorrar agua y mejorar la eficiencia de las instalaciones solares en el desierto
Ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT por sus siglas en inglés) han desarrollado un método de limpieza sin agua para eliminar el polvo en instalaciones solares en regiones secas. Se calcula que la limpieza de los paneles solares consume en todo el mundo unos 37 mil millones de litros 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.
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 un problema importante, ya que puede reducir la producción de los paneles fotovoltaicos hasta un 30% mensualmente.
El equipo de investigadores del MIT ideó el nuevo sistema, descrito en la publicación de divulgación científica Science Advances. Este utiliza la repulsión electrostática para hacer que las partículas de polvo se desprendan y prácticamente salten de la superficie del panel. El avance elimina la necesidad de agua o cepillos. Para activar el sistema, se emplea un simple electrodo que 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.
Las pruebas de laboratorio realizadas por el profesor de ingeniería mecánica Kripa 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. Ambos concluyeron que puede alcanzar fácilmente una reducción del 30% después de sólo un mes sin limpieza. Los investigadores 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% 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. 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», explicó Varanasi en un comunicado.
La huella hídrica de la energía solar
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. En ellos se utiliza para limpiar estos paneles solares 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.
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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 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«, subrayó Varanasi.
Diferencias con otras hipótesis
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, explicó 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 serlo.
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. Calculando el voltaje correcto a aplicar, los investigadores pudieron encontrar un rango suficiente para superar la atracción de la gravedad y las fuerzas de adhesión, y hacer que el polvo se levante. Panat explicó que 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.
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%. Mientras la humedad ambiental sea superior al 30%, se pueden eliminar casi todas las partículas de la superficie, pero a medida que la humedad disminuye, resulta más difícil», matizó Panat.
Varanasi destacó que «la buena noticia es que funciona cuando se llega al 30% 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», afirmó el investigador del MIT.
Un método de fácil implementación
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, la acumulación de polvo que puede contener compuestos corrosivos y reducir los costes operativos generales, estos sistemas tienen el potencial de mejorar significativamente la eficiencia y la fiabilidad general de las instalaciones solares, concluyó Varanasi.
