Se espera que la energía solar alcance el 10 % de la generación eléctrica mundial en 2030.
Pero la acumulación de polvo en los paneles solares puede reducir la producción en un 30 %, mientras que su limpieza consume unos 10.000 millones de galones de agua al año.
Ingenieros del MIT han desarrollado un método de limpieza sin agua para eliminar el polvo de las instalaciones solares en regiones con escasez de agua.
El nuevo sistema utiliza la repulsión electrostática para hacer que las partículas de polvo se desprendan y prácticamente salten de la superficie del panel.
Se espera que la energía solar alcance el 10 por ciento de la generación eléctrica mundial en el año 2030, y gran parte de esa energía probablemente se ubicará en zonas desérticas, donde abunda la luz solar. Pero la acumulación de polvo sobre 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 apenas un mes—, por lo que la limpieza periódica es esencial en este tipo de instalaciones.
Pero la limpieza de paneles solares consume actualmente unos 10.000 millones de galones de agua al año, suficientes para abastecer de agua potable a hasta 2 millones de personas. Los intentos de limpieza sin agua son laboriosos y tienden a provocar 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 solares térmicas, mediante un sistema sin agua y sin contacto que podría reducir significativamente el problema del polvo, afirman.
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 ni cepillos. Para activar el sistema, un electrodo sencillo pasa justo por encima de la superficie del panel solar, transfiriendo una carga eléctrica a las partículas de polvo, que luego son repelidas por una carga aplicada al propio panel. El sistema puede funcionar automáticamente mediante un motor eléctrico sencillo y unas guías a lo largo de un lateral del panel. La investigación se describe en la revista Science Advances, en un artículo de Sreedath Panat, estudiante de posgrado del MIT, y Kripa Varanasi, profesor de ingeniería mecánica.
Pese a los esfuerzos concertados en todo el mundo por desarrollar paneles solares cada vez más eficientes, Varanasi afirma: «un problema banal como el polvo puede causar un serio daño a todo el conjunto». Las pruebas de laboratorio realizadas por Panat y Varanasi demostraron que la caída de la producción de energía de los paneles se produce de forma abrupta al inicio del proceso de acumulación de polvo, y puede alcanzar fácilmente una reducción del 30 % tras un solo mes sin limpieza. Incluso una reducción del 1 % en la potencia, en una instalación solar de 150 megavatios, según sus cálculos, podría traducirse en una pérdida de 200.000 dólares en ingresos anuales. Los investigadores afirman que, a escala 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.
«Hay muchísimo trabajo en materiales solares», afirma Varanasi. «Se están superando los límites, intentando ganar algunos puntos porcentuales aquí y allá en la mejora de la eficiencia, y aquí tenemos algo que puede eliminar todo eso de inmediato».
Muchas de las mayores instalaciones de energía solar del mundo, incluidas las de China, India, los EAU y Estados Unidos, se encuentran en regiones desérticas. El agua utilizada para limpiar estos paneles solares mediante chorros de agua a presión debe transportarse en camiones desde una distancia considerable, y debe ser muy pura para evitar que queden depósitos en las superficies. El cepillado en seco a veces se utiliza, pero es menos eficaz para limpiar las superficies y puede causar arañazos permanentes que también reducen la transmisión de luz.
La limpieza con agua representa alrededor del 10 % de los costes operativos de las instalaciones solares. Según los investigadores, el nuevo sistema podría reducir potencialmente estos costes y, al mismo tiempo, mejorar la producción de energía general al permitir limpiezas automatizadas más frecuentes.
«La huella hídrica de la industria solar es asombrosa», afirma Varanasi, y aumentará a medida que estas instalaciones sigan expandiéndose en todo el mundo. «Por ello, la industria debe ser muy cuidadosa y reflexiva sobre cómo lograr que esta sea una solución sostenible».
Otros grupos han intentado desarrollar soluciones de base electrostática, pero estas se han basado en una capa denominada pantalla electrodinámica, que utiliza electrodos interdigitados. Estas pantallas pueden presentar defectos que permiten la entrada de humedad y provocan su fallo, afirma Varanasi. Aunque podrían ser útiles en un lugar como Marte, donde la humedad no es un problema, incluso en los entornos desérticos de la Tierra esto puede ser un problema grave.
El nuevo sistema desarrollado solo requiere un electrodo, que puede ser una simple barra metálica, que pase sobre el panel, generando un campo eléctrico que transfiere una carga a las partículas de polvo a medida que avanza. Una carga opuesta aplicada a una capa conductora transparente de apenas unos pocos nanómetros de grosor, depositada sobre la cubierta de vidrio del panel solar, repele entonces las partículas. Mediante el cálculo del voltaje adecuado que aplicar, los investigadores lograron encontrar un rango de voltaje suficiente para superar la fuerza de la gravedad y las fuerzas de adhesión, y hacer que el polvo se desprenda.
Utilizando muestras de polvo de laboratorio especialmente preparadas con una gama de tamaños de partícula, los experimentos demostraron que el proceso funciona de manera eficaz en una instalación de prueba a escala de laboratorio, afirma Panat. Las pruebas mostraron que la humedad del aire proporciona una fina capa de agua sobre las partículas, lo que resultó ser fundamental para que el efecto funcionara. «Realizamos experimentos con humedades que variaban del 5 % al 95 %», afirma Panat. «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, se vuelve más difícil».
Varanasi afirma que «la buena noticia es que, cuando se llega a una humedad del 30 %, la mayoría de los desiertos entran en este rango». Y, incluso los que suelen ser más secos que eso, tienden a tener mayor humedad en las primeras horas de la mañana, lo que favorece 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 humedad alta o incluso moderada, nuestro sistema puede funcionar con humedades de hasta el 95 %, de forma indefinida», afirma Panat.
En la práctica, a gran escala, cada panel solar podría equiparse con barandillas a ambos lados, con un electrodo que atraviese el panel. Un pequeño motor eléctrico, que quizá utilice una pequeña parte de la energía generada por el propio panel, accionaría un sistema de correas para desplazar el electrodo de un extremo del panel al otro, provocando que todo el polvo caiga. Todo el proceso podría automatizarse o controlarse de forma remota. Como alternativa, unas finas tiras de material transparente conductor podrían disponerse de forma permanente sobre el panel, eliminando la necesidad de piezas móviles.
Al eliminar la dependencia del agua transportada en camiones, al evitar la acumulación de polvo que puede contener compuestos corrosivos y al reducir los costes operativos generales, este tipo de sistemas tiene el potencial de mejorar significativamente la eficiencia y la fiabilidad generales de las instalaciones solares, afirma Varanasi.
La investigación contó con el respaldo de la empresa energética italiana Eni S.p.A. a través de la Iniciativa Energética del MIT.
