La mayoría de parques solares a gran escala en el mundo se encuentran en los desiertos. Estos paisajes proporcionan amplios terrenos baldíos y luz solar durante todo el año para la producción de energía solar. Los investigadores han imaginado transformando el Sáhara—la región desértica más vasta del mundo— en un enorme parque solar que podría tener el potencial de producir cuatro veces la demanda mundial actual de energía.
Pero hay un gran problema: el polvo. La acumulación gradual de polvo en los paneles solares puede reducir su eficiencia en casi un 30 por ciento dentro de un mes de operación. En algún contexto, las pérdidas de energía solar de solo el tres o cuatro por ciento a escala global podrían significar una pérdida económica de al menos 3.3 a 5.5 mil millones de dólares. A medida que el cambio climático se intensifica tormentas de polvopuede haber un pérdida rápida de la eficiencia de los paneles solares a menos que se limpien varias veces al mes.
Los chorros de agua a presión y los rociadores son los más común Método de limpieza de paneles solares. Para evitar el riesgo de manchar y dañar el vidrio de los paneles solares, solo agua pura y desmineralizada
Si bien la capacidad global de los parques solares actualmente es por encima de 500 gigavatioslos investigadores estiman que hasta 10 mil millones de galones de agua potable se utilizan cada año solo para limpiar los paneles solares. Para poner las cosas en perspectiva, esa cantidad de agua puede cubrir los requerimientos anuales de aproximadamente 2 millones de personas viviendo en países en vías de desarrollo.
“Me sorprendió la gran cantidad de agua pura que se requiere para limpiar los paneles solares”, dice Kripa Varanasi, profesora de ingeniería mecánica en el MIT (sin relación con el autor). “La huella hídrica de la industria solar solo crecerá en el futuro. Necesitamos descubrir cómo hacer que las granjas solares sean más sostenibles”.
Intenta deshacerse de la acumulación de polvo en los paneles solares mediante el uso de métodos de lavado en seco como cepillos y presión de aire corre el riesgo de dañar los paneles solares debido a la la superficie se raya tiempo extraordinario.
La ineficiencia de los métodos de limpieza actuales motivó a Varanasi y su estudiante graduado, Sreedath Panat, a inventar un sistema de limpieza sin contacto que puede repeler automáticamente el polvo de los paneles solares sin usar agua.
El nuevo sistema utiliza la repulsión electrostática para eliminar las partículas de polvo de la superficie de los paneles solares. Si bien el polvo en sí mismo no es un conductor, descubrieron que aplicar una fuerza eléctrica o un rango de voltaje adecuado a través de un electrodo, como una barra de metal, que pasa justo por encima de la superficie del panel solar carga las partículas de polvo que descansan sobre el panel. Luego, se aplica una carga opuesta a una película transparente, similar a las que se usan en teléfonos y computadoras portátiles, que luego se instala en el sistema, lo que permite que la superficie de vidrio del panel repele las molestas partículas de polvo.
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Este sistema se puede utilizar por separado junto con un robot de limpieza de paneles solares. Alternativamente, se adapta a lo largo de cada lado del panel y funciona con una pequeña cantidad de energía solar. Varanasi y Panat escribieron sobre su investigación en un artículo reciente publicado en la revista Avances de la ciencia.
En el pasado, la NASA ha utilizado la electrostática para eliminar el polvo de los paneles solares en rovers de marte con la ayuda de pantallas electrodinámicas. Sin embargo, esa tecnología funcionó solo porque se implementaron en condiciones extremadamente secas sin humedad imposibles en la Tierra. “También requiere costosos electrodos interdigitados que tienen una fuerza más débil y no pueden tolerar la humedad”, explica Varanasi.
Eso hizo que el dúo optara por un método diferente de uso de electrostática para la limpieza de paneles solares terrestres. Comenzaron realizando experimentos con diferentes tamaños de partículas de polvo y descubrieron que la sílice en las partículas de polvo absorbe la humedad de la atmósfera.
“Una carga en las partículas de polvo proviene de una capa delgada de agua absorbida que tiene solo unos pocos nanómetros de espesor pero aún actúa como conductor. Eso nos permitió estimar la fuerza eléctrica de las partículas de polvo y eliminar partículas de polvo de entre 30 y 40 micrones”, dice Varanasi.
Este avance prometedor para los investigadores llegó después de realizar sus experimentos en una amplia gama de niveles de humedad, del cinco al 95 por ciento. Luego observaron que la humedad es la fuerza impulsora detrás de hacer que el sistema funcione.
“Mientras la humedad relativa esté por encima del 30 por ciento, este sistema es robusto y funciona muy bien”, dice Varanasi. “Podemos aplicar esto a la mayoría de las áreas geográficas e incluso a los desiertos más secos debido a las formaciones de rocío en las mañanas”.
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El dúo ha creado un prototipo a escala de laboratorio que consta de un panel solar, una superficie conductora y un electrodo móvil unido a la parte superior. Pero, este sistema aún no puede eliminar un panel solar de partículas de menos de 10 micrones de tamaño.
“Estas diminutas partículas de polvo son las que crean el efecto de sombra en los paneles solares”, añade. “Estamos trabajando en algunas mejoras más para superar ese problema”.
Mientras los ingenieros del MIT se preparan para hacer que su nuevo sistema sea escalable en el futuro, otros investigadores trabajan para desarrollar una tecnología de recubrimiento de paneles solares para reducir la acumulación de polvo. Inspirado por el autolimpieza de la hoja de loto propiedades, los investigadores de la Universidad Ben-Gurion de Alemania intentaron desarrollar un revestimiento hidrofóbico a base de silicio para paneles solares. Esto podría evitar que se acumule polvo en la superficie de los paneles solares y reducir la cantidad de agua necesaria para limpiarlos.
A partir de ahora, una empresa con sede en el Reino Unido, Sharc solar, ya ha lanzado un revestimiento repelente al polvo para paneles solares. Utilizan estructuras de nanopartículas para la transparencia que tienen solo unas pocas micras de espesor. Según el sitio web de la empresa, el revestimiento es autolimpiante y permite la formación de gotas de agua en la superficie que pueden desprenderse de los paneles.
Pero Varanasi dice que el problema con una capa de nanoestructuras es que podría erosionarse con el tiempo después de soportar tormentas de polvo y condiciones ventosas. “La textura del revestimiento antisuciedad en las superficies de los paneles solares podría verse afectada y perder su transparencia”, dice.
A pesar de todos los complicados desafíos que implica prevenir la acumulación de polvo en los paneles solares, ingenieros como Varanasi siguen siendo optimistas sobre el desarrollo de la tecnología adecuada para hacer que la industria solar sea más sostenible desde el punto de vista ambiental.
“El agua es un recurso precioso”, dice. “Si la industria solar es proactiva y aborda este problema desde una perspectiva holística, no afectará directamente el acceso de las comunidades al agua limpia”.