Ensuciamiento (energía solar)

Acumulación de material sobre colectores de energía solar

La suciedad es la acumulación de material en las superficies que recogen luz en los sistemas de energía solar . El material acumulado bloquea o dispersa la luz incidente , lo que provoca una pérdida de potencia de salida. Los materiales de suciedad típicos incluyen polvo mineral , excrementos de pájaros , hongos , líquenes , polen , gases de escape de motores y emisiones agrícolas . La suciedad afecta a los sistemas fotovoltaicos convencionales , la energía fotovoltaica concentrada y la energía solar (térmica) concentrada . Sin embargo, las consecuencias de la suciedad son mayores para los sistemas de concentración que para los sistemas no concentradores. ^[1] Tenga en cuenta que la suciedad se refiere tanto al proceso de acumulación como al material acumulado en sí.

Existen varias formas de reducir el efecto de la suciedad. El revestimiento antisuciedad ^[2] es la solución más importante para los proyectos de energía solar. Pero la limpieza con agua es la técnica más utilizada hasta ahora debido a la ausencia de revestimientos antisuciedad en el pasado. Las pérdidas por suciedad varían en gran medida de una región a otra y dentro de las regiones. Las pérdidas de energía inducidas por suciedad promedio pueden ser inferiores al uno por ciento en regiones con lluvias frecuentes. ^[3] A partir de 2018, la pérdida de energía anual promedio mundial estimada debido a la suciedad es del 5% al ​​10%. La pérdida de ingresos inducida por suciedad estimada es de 3 a 5 mil millones de euros. ^[1]

Física de la suciedad

La suciedad suele estar causada por la deposición de partículas en suspensión en el aire , entre las que se incluyen, entre otras, polvo mineral ( sílice , óxidos metálicos , sales ), polen y hollín . Sin embargo, la suciedad también incluye nieve, hielo, escarcha , diversos tipos de contaminación industrial , partículas de ácido sulfúrico , excrementos de pájaros , hojas caídas, polvo de piensos agrícolas y el crecimiento de algas , musgo , hongos , líquenes o biopelículas de bacterias . ^{[1] [4]} Cuál de estos mecanismos de suciedad es el más destacado depende de la ubicación.

La suciedad bloquea la luz por completo (sombreado duro) o deja pasar algo de luz solar (sombreado suave). Con el sombreado suave, se dispersan partes de la luz transmitida . La dispersión hace que la luz se difunda, es decir, que los rayos vayan en muchas direcciones diferentes. Mientras que la energía fotovoltaica convencional funciona bien con luz difusa, la energía solar concentrada y la energía fotovoltaica concentrada dependen únicamente de la luz ( colimada ) que proviene directamente del sol. Por este motivo, la energía solar concentrada es más sensible a la suciedad que la energía fotovoltaica convencional. Las pérdidas de potencia típicas inducidas por la suciedad son entre 8 y 14 veces mayores para la energía solar concentrada que para la energía fotovoltaica. ^[5]

Influencia de la geografía y la meteorología

Las pérdidas por suciedad varían mucho de una región a otra y dentro de las regiones. ^{[3] [6] [7] [8]}

La velocidad a la que se depositan las partículas de suciedad depende de factores geográficos como la proximidad a los desiertos, la agricultura, la industria y las carreteras, ya que es probable que sean fuentes de partículas en suspensión . Si una ubicación está cerca de una fuente de partículas en suspensión, el riesgo de pérdidas por suciedad es alto. ^[9]

La tasa de ensuciamiento (ver la definición a continuación) varía de una estación a otra y de un lugar a otro, pero normalmente se encuentra entre el 0 %/día y el 1 %/día. ^[1] Sin embargo, se han observado tasas de deposición promedio de hasta el 2,5 %/día para la energía fotovoltaica convencional en China. ^[1] En el caso de la energía solar concentrada, se han observado tasas de ensuciamiento de hasta el 5 %/día. ^[1] En regiones con altas tasas de ensuciamiento, el ensuciamiento puede convertirse en un contribuyente significativo a las pérdidas de energía. Como ejemplo extremo, se observó que las pérdidas totales debido al ensuciamiento de un sistema fotovoltaico en la ciudad de Helwan (Egipto) alcanzaron el 66 % en un momento dado. ^[10] El ensuciamiento en Helwan se atribuyó al polvo de un desierto cercano y a la contaminación de la industria local. Existen varias iniciativas para trazar un mapa del riesgo de ensuciamiento de diferentes regiones del mundo. ^{[3] [11] [12]}

Las pérdidas por suciedad también dependen de parámetros meteorológicos como la lluvia, la temperatura, el viento, la humedad y la nubosidad. ^[13] El factor meteorológico más importante es la frecuencia media de la lluvia, ^[9] ya que la lluvia puede lavar la suciedad de los paneles solares / espejos . Si hay lluvia constante durante todo el año en un sitio determinado, es probable que las pérdidas por suciedad sean pequeñas. Sin embargo, la lluvia ligera y el rocío también pueden provocar una mayor adhesión de partículas, lo que aumenta las pérdidas por suciedad. ^{[13] [14] [15]} Algunos climas son favorables para el crecimiento de la suciedad biológica, pero no se sabe cuáles son los factores decisivos. ^[4] La dependencia de la suciedad del clima y el tiempo es un asunto complejo. A partir de 2019, no es posible predecir con precisión las tasas de suciedad en función de los parámetros meteorológicos. ^[1]

Cuantificación de pérdidas por suciedad

El nivel de suciedad en un sistema fotovoltaico se puede expresar con el índice de suciedad ( SR ), definido en la norma técnica IEC 61724-1 ^[16] como:

$${\displaystyle SR={\frac {\text{Actual power output}}{\text{Expected power output if clean}}}.}$$

Por lo tanto, si no hay suciedad y si , hay tanta suciedad que no hay producción en el sistema fotovoltaico. Una métrica alternativa es la pérdida por suciedad ( SL ), que se define como . La pérdida por suciedad representa la fracción de energía perdida debido a la suciedad. ${\displaystyle SR=1}$ ${\displaystyle SR=0}$ ${\displaystyle SL=1-SR}$

La tasa de deposición de suciedad (o tasa de suciedad ) es la tasa de cambio de la pérdida de suciedad, que normalmente se expresa en %/día. Cabe señalar que la mayoría de las fuentes definen la tasa de suciedad como positiva en el caso de que aumenten las pérdidas de suciedad ^{[1] [17] [18],} pero algunas fuentes utilizan el signo opuesto [NREL]. ^[3]

En la norma IEC 61724-1 se proporciona un procedimiento para medir el índice de suciedad en sistemas fotovoltaicos . ^[16] Esta norma propone que se utilicen dos dispositivos fotovoltaicos , uno de los cuales se deja acumular suciedad y el otro se mantiene limpio. El índice de suciedad se calcula mediante la relación entre la potencia de salida del dispositivo sucio y la potencia de salida esperada si estuviera limpio. La potencia de salida esperada se calcula utilizando valores de calibración y la corriente de cortocircuito medida del dispositivo limpio. Esta configuración también se conoce como "estación de medición de suciedad" o simplemente "estación de suciedad". ^{[9] [19]}

Se han propuesto métodos que estiman los índices de suciedad y las tasas de deposición de suciedad de los sistemas fotovoltaicos sin el uso de estaciones de suciedad dedicadas, ^{[17] [20] [21]} incluidos métodos para sistemas que utilizan células solares bifaciales que introducen nuevas variables y desafíos para la estimación de suciedad que los sistemas monofaciales no tienen. ^[22] Estos procedimientos infieren índices de suciedad basados ​​en el rendimiento de los sistemas fotovoltaicos . En 2017 se inició un proyecto para mapear las pérdidas de suciedad en todo Estados Unidos . ^[3] Este proyecto se basa en datos tanto de estaciones de suciedad como de sistemas fotovoltaicos, y utiliza el método propuesto en ^[20] para extraer índices de suciedad y tasas de suciedad.

Técnicas de mitigación

Existen muchas opciones diferentes para mitigar las pérdidas por suciedad, que van desde la selección del sitio hasta la limpieza y la eliminación electrodinámica del polvo. La técnica de mitigación óptima depende del tipo de suciedad, la tasa de deposición , la disponibilidad de agua, la accesibilidad del sitio y el tipo de sistema. ^[1] Por ejemplo, la energía fotovoltaica convencional implica diferentes preocupaciones que la energía solar concentrada , los sistemas a gran escala requieren preocupaciones diferentes que los sistemas de tejado más pequeños y los sistemas con inclinación fija implican preocupaciones diferentes que los sistemas con seguidores solares . Las técnicas de mitigación más comunes son:

• Selección del sitio y diseño del sistema: El efecto de la suciedad se puede mitigar con una planificación cuidadosa durante la selección del sitio y el diseño del sistema . Dentro de una región , puede haber grandes diferencias en las tasas de deposición de suciedad. ^[8] La variabilidad local en la tasa de deposición de suciedad se decide principalmente por la proximidad a las carreteras, la agricultura y la industria, así como por la dirección prominente del viento. ^[9] Otro factor importante es el ángulo de inclinación de los paneles solares. ^[13] Los ángulos de inclinación mayores conducen a una menor acumulación de suciedad y una mayor probabilidad de que la lluvia tenga un efecto limpiador. Esto debe considerarse en la fase de diseño. Si el sistema está equipado con seguidores solares , los paneles solares (o espejos , en el caso de energía solar concentrada ) deben almacenarse en el ángulo de inclinación máximo (o al revés, si es posible) durante la noche. ^[1] En resumen, la suciedad es una preocupación para los diseñadores del sistema, no solo para los operadores del sistema. ^[1]
• Diseño de paneles solares: Los paneles solares pueden diseñarse para minimizar el impacto de la suciedad. Esto incluye el uso de células solares más pequeñas (por ejemplo, semiceldas), paneles sin marcos (evitando la acumulación de suciedad en los bordes) o configuraciones eléctricas alternativas (por ejemplo, más diodos de derivación que permiten que la corriente pase por las partes sucias del panel). ^[1] En el futuro, se espera que aumente la proporción de paneles solares con semiceldas y sin marcos. ^{[ cita requerida ]}

Esto significa que se puede esperar que en el futuro los paneles solares sean más resistentes a las pérdidas por suciedad.

Se ha demostrado que los nanocables grabados químicamente en húmedo y un recubrimiento hidrofóbico en las gotas de agua de la superficie pueden eliminar el 98 % de las partículas de polvo. ^{[23] [24]}

• Limpieza: El método más utilizado para mitigar las pérdidas por suciedad es la limpieza de los paneles solares o espejos . La limpieza puede ser manual, semiautomática o totalmente automática. La limpieza manual implica que las personas utilicen cepillos o trapeadores. Esto requiere una inversión de capital baja, pero tiene un alto costo de mano de obra. La limpieza semiautomática implica que las personas utilicen máquinas para ayudar con la limpieza, generalmente un tractor equipado con un cepillo giratorio. ^[25]

Este método requiere una mayor inversión de capital, pero implica un menor costo de mano de obra que la limpieza manual. La limpieza totalmente automática implica el uso de robots que limpian los paneles solares por la noche. ^[26]

Este método requiere el mayor costo de capital, pero no implica mano de obra, salvo para el mantenimiento de los robots. Los tres métodos pueden utilizar agua o no. Por lo general, el agua hace que la limpieza sea más eficiente. Sin embargo, si el agua es un recurso escaso o costoso en el sitio en cuestión, puede ser preferible la limpieza en seco. ^[4] Consulte las consecuencias económicas para conocer los costos típicos de la limpieza.

• Recubrimientos antisuciedad: Los recubrimientos antisuciedad son recubrimientos que se aplican a la superficie de los paneles solares o espejos para reducir la adherencia del polvo y la suciedad. Algunos recubrimientos antisuciedad están destinados a mejorar las propiedades de autolimpieza, es decir, la probabilidad de que la superficie se limpie con la lluvia. ^[27]

El revestimiento se puede aplicar a los paneles o espejos durante la producción o se puede instalar posteriormente. Hasta 2019, no se había adoptado ampliamente ninguna tecnología antisuciedad en particular, principalmente debido a la falta de durabilidad. ^[1]

• Pantallas electrodinámicas: Las pantallas electrodinámicas son rejillas de cables conductores que se integran en la superficie de los paneles solares o espejos . Se crean campos electromagnéticos variables en el tiempo aplicando voltajes alternos a la rejilla. El campo interactúa con las partículas depositadas, alejándolas de la superficie. Esta tecnología es viable si la energía necesaria para eliminar el polvo es menor que la energía obtenida al reducir la pérdida de suciedad. A partir de 2019, esta tecnología se ha demostrado en el laboratorio, pero aún queda por demostrar en el campo. ^[1]
• Eliminación de polvo electrostático ^{[28] [29]}

Consecuencias económicas

El coste de la limpieza depende de la técnica de limpieza utilizada y del coste de la mano de obra en el lugar en cuestión. Además, existe una diferencia entre las centrales eléctricas a gran escala y los sistemas en tejados . El coste de la limpieza de los sistemas a gran escala varía de 0,015 euros/m2 ^en los países más baratos a 0,9 euros/m2 ^en los Países Bajos . ^[1] Se ha informado de que el coste de la limpieza de los sistemas en tejados es tan bajo como 0,06 euros/m2 ^en China y tan alto como ocho euros/m2 ^en los Países Bajos. ^[1]

La suciedad reduce la producción de energía en los equipos de energía solar afectados. Independientemente de si se gasta dinero o no en mitigar las pérdidas por suciedad, la suciedad reduce los ingresos de los propietarios de los sistemas. La magnitud de la pérdida de ingresos depende principalmente del coste de la mitigación de la suciedad, la tasa de deposición de suciedad y la frecuencia de las lluvias en la ubicación determinada. Ilse et al. estimaron la pérdida media anual mundial por suciedad entre el 3% y el 4% en 2018. ^[1] Esta estimación supone que todos los sistemas de energía solar se limpian con una frecuencia fija óptima. Con base en esta estimación, el coste total de la suciedad (incluidas las pérdidas de energía y los costes de mitigación) en 2018 se estimó entre 3 y 5 mil millones de euros. ^[1] Esto podría aumentar a entre 4 y 7 mil millones de euros para 2023. ^{[1] En [30]} se ha analizado un método para obtener la pérdida de potencia, la pérdida de energía y la pérdida económica debida a la suciedad directamente a partir de los datos de series temporales del sistema de monitorización remota fotovoltaica , que puede ayudar a los propietarios de activos fotovoltaicos a limpiar los paneles a tiempo.

Véase también

• Energía solar
• Energía solar
• Fotovoltaica
• Sistema fotovoltaico
• Central eléctrica fotovoltaica
• Rendimiento del sistema fotovoltaico
• Seguidor solar
• Panel solar
• Célula solar
• Fotovoltaica de concentración
• Energía solar concentrada
• Helióstato

Referencias

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Enlaces externos

• Mapa de suciedad en módulos fotovoltaicos (EE. UU.)