Contaminación en paneles solares: soiling.

¿Qué es el soiling?

El soiling se refiere a la acumulación de polvo, suciedad y contaminantes en la superficie de vidrio de los módulos fotovoltaicos. Este fenómeno causa pérdidas ópticas al reducir la cantidad de fotones que llegan a las células solares, lo que disminuye el rendimiento del sistema. Las pérdidas ópticas son causadas por la absorción, la reflectancia y la dispersión de la luz incidente debido a la presencia de polvo. El soiling es un problema específico de cada sitio que causa pérdidas de energía reversibles en los sistemas fotovoltaicos en todo el mundo. Si no se aborda adecuadamente, puede conducir a importantes pérdidas de ingresos e incluso convertir las ganancias en pérdidas económicas. El soiling puede variar de un sitio a otro, y puede tener efectos disímiles en sistemas cercanos, e incluso en diferentes partes del mismo sistema. La tasa de soiling y la frecuencia de los eventos de limpieza natural, como la lluvia, pueden cambiar con las estaciones y los años.
Aquí hay algunos puntos adicionales sobre el soiling, según el artículo:

•Los factores que contribuyen al soiling son las características físicas y químicas del polvo y procesos como la cementación, el apelmazamiento y el envejecimiento capilar. La humedad aumenta la adhesión y cementación del polvo en las superficies fotovoltaicas.

•El tamaño de las partículas de polvo transportadas por el viento está en el rango de 1-100 µm. Las partículas de tamaño inferior a 10 µm o 2,5 µm son buenos indicadores para modelar el soiling.

•El soiling no está reconocido como una falla del módulo fotovoltaico. Sin embargo, su efecto perjudicial en la reducción de la producción eléctrica de los paneles solares fotovoltaicos es bien conocido.

•El soiling puede intensificarse en áreas áridas con ambientes ventosos y polvorientos.

•Las pérdidas de energía por soiling pueden ser mayores que las causadas por los aerosoles atmosféricos.
El informe aborda la problemática del soiling desde diferentes perspectivas, incluyendo los tipos de partículas y su distribución global, los mecanismos y factores contribuyentes. Se estima que en 2018, el soiling causó una pérdida de al menos el 3-4% de la producción anual de energía fotovoltaica, lo que corresponde a una pérdida económica de entre tres y cinco mil millones de euros. Se espera que estas pérdidas aumenten al 4-5% en la producción de energía, lo que provocará pérdidas financieras posteriores.

¿Cómo se modela el soiling?

El ensuciamiento se puede modelar utilizando diferentes enfoques, que se clasifican en modelos micro, regionales y macro, cada uno con sus fortalezas y debilidades. Estos modelos ayudan a predecir la deposición de suciedad sin necesidad de datos específicos de suciedad o del rendimiento fotovoltaico del sitio de interés. dentro de los tipos de modelos más comunes utilizados para modelar el ensuciamiento están:

• Modelos de regresión lineal: Estos modelos estiman la pérdida eléctrica o de transmitancia basándose en la concentración de partículas suspendidas. Generalmente, se asume que las lluvias restauran la pérdida por suciedad a 0%. El enfoque más común es la regresión multivariante, donde el ensuciamiento se modela a través de una gran cantidad de variables, como PM10 y PM2.5. También se pueden incluir variables no relacionadas con partículas, como la velocidad del viento y la humedad relativa.
• Modelos semi-físicos: Estos modelos intentan replicar las relaciones no necesariamente lineales que ocurren en el proceso de ensuciamiento. Generalmente, requieren determinar la deposición de partículas o la velocidad de sedimentación a partir de las condiciones locales, incluyendo la humedad relativa y la velocidad del viento.
• Modelos de redes neuronales artificiales (ANN): A diferencia de los modelos de regresión lineal y semi-físicos, los modelos ANN no requieren una comprensión de los principios físicos del ensuciamiento. En cambio, los modelos se auto-entrenan iterativamente para identificar los algoritmos correctos que convierten las entradas en la salida esperada. El desafío principal es la identificación de entradas clave y de la arquitectura con mejor rendimiento.
• Modelos geoespaciales: Estos modelos estiman el ensuciamiento basándose en datos fotovoltaicos o de ensuciamiento de ubicaciones cercanas, utilizando técnicas de interpolación espacial. Los métodos basados en la distancia inversa devuelven los mejores resultados, con R2 > 0.7 si el ensuciamiento se estima a partir de sitios dentro de los 50 km.

Estrategias para mitigar los efectos del soiling

Las estrategias de operación y mantenimiento (O&M) recomendadas para mitigar las pérdidas por soiling en sistemas fotovoltaicos (PV) se pueden clasificar en medidas preventivas y correctivas.

Medidas Preventivas.

• Evaluación y adaptación del sitio: Desde la fase de diseño, se deben considerar las condiciones meteorológicas locales, como la dirección del viento, la frecuencia de lluvias y la humedad relativa, para minimizar el soiling. Esto puede incluir plantar vegetación cerca de caminos de tierra para desviar las ráfagas de polvo.
• Selección de módulos: El uso de módulos sin marco puede facilitar la eliminación del soiling. Un diseño optimizado del módulo con diodos de derivación puede minimizar el efecto del sombreado parcial causado por el soiling heterogéneo.
• Recubrimientos anti-soiling (ASC): Estos recubrimientos dificultan la deposición de partículas. Los recubrimientos hidrofóbicos generan gotas de agua que ruedan y recogen partículas de polvo de la superficie. Los recubrimientos hidrofílicos facilitan el lavado de contaminantes por el agua de lluvia. La efectividad de los ASC debe evaluarse individualmente para cada ubicación, considerando las condiciones climáticas, los ciclos de limpieza y los costos de fabricación.
• Nuevos conceptos de módulos e instalaciones: El uso de módulos bifaciales montados verticalmente puede reducir las pérdidas por soiling. También, voltear los módulos monofaciales boca abajo durante las horas sin sol puede disminuir la deposición de polvo y la adhesión. Los seguidores solares pueden ser beneficiosos.

Medidas Correctivas (Técnicas de Limpieza).

• Limpieza manual: Se utilizan escobas y cepillos de agua.
• Limpieza semi-automática: Se emplean robots montados en camiones.
• Limpieza totalmente automatizada: Sistemas que aplican cepillos rotatorios y cantidades variables de agua desmineralizada.
• Limpieza electrodinámica (EDS): Utiliza pulsos eléctricos de alto voltaje para evacuar las partículas de polvo de la superficie del módulo.
Consideraciones Adicionales para la Limpieza:
• Frecuencia de limpieza: La frecuencia óptima depende de factores como la tasa de deposición de soiling, la capacidad del sistema y el precio de la energía recuperada. Se recomienda limpiar cuando el costo de la limpieza es menor que los ingresos perdidos por la falta de producción de energía.
• Modelos de «Mejor Momento para Limpiar»: Estos modelos sirven como herramientas de apoyo para decidir cuándo realizar las operaciones de limpieza.
• Impacto del clima: En áreas con lluvias regulares, la limpieza natural puede ser suficiente. Sin embargo, incluso en lugares lluviosos, se deben realizar limpiezas manuales periódicas para eliminar el soiling difícil de quitar.

Monitoreo y Modelado.

• Monitoreo continuo: Es crucial medir y monitorear continuamente el nivel de soiling en una planta fotovoltaica debido a la alta valoración económica asociada a las pérdidas. Los sensores de soiling pueden determinar el momento más rentable para limpiar.
• Modelado preciso: El modelado exacto del soiling es necesario para prevenir o mitigar el soiling. Se pueden utilizar modelos de regresión multivariante, redes neuronales artificiales y modelos geoespaciales.

Otros Factores.

• Variabilidad del soiling: El soiling puede variar de un sitio a otro, e incluso dentro del mismo sistema. La tasa de soiling y la frecuencia de los eventos de limpieza natural pueden cambiar con las estaciones.
• Ubicación Geográfica: La ubicación de la planta fotovoltaica influye en las estrategias de mitigación. En desiertos cerca del océano, la niebla densa puede aumentar la adhesión del polvo.

En conclusión, el soiling representa una amenaza significativa y a menudo subestimada para la eficiencia y rentabilidad de los sistemas de energía fotovoltaica a nivel mundial. Como segundo factor más influyente después de la irradiancia, la acumulación de polvo y contaminantes en la superficie de los módulos causa pérdidas cuantificables que se traducen directamente en menores rendimientos energéticos y, crucialmente, pérdidas económicas considerables que se prevé que aumenten. Dada su naturaleza variable y específica de cada sitio, impulsada por factores ambientales y las características del polvo, abordar el soiling no es un simple complemento, sino una necesidad imperativa. La implementación de estrategias proactivas, que combinan la comprensión del fenómeno a través de modelado y monitoreo precisos con la aplicación de medidas preventivas en diseño y selección de equipos, así como técnicas de limpieza correctivas eficientes, es fundamental para mitigar estas pérdidas. En última instancia, una gestión efectiva del soiling es indispensable para asegurar que los sistemas fotovoltaicos cumplan sus objetivos de producción de energía a largo plazo y maximicen el retorno de la inversión.

En Sonnenergy, entendemos que los objetivos energéticos y económicos de su proyecto solar son indispensables para lograr mitigar la inversión inicial que se realiza, por esta razón, resulta indispensable invertir mesuradamente en el mantenimiento preventivo de sus paneles y recuperar la energía (y el dinero) que está desaprovechando.¡Contáctenos hoy mismo para una evaluación gratuita y descubra cómo maximizar el rendimiento de su inversión solar!,

Referencias

[1]C. Schill, A. Anderson, C. Baldus-Jeursen, L. Burnham, L. Micheli, D. Parlevliet, E. Pilat, B. Stridh, E. Urrejola, «Soiling Losses – Impact on the Performance of Photovoltaic Power Plants,» IEA‐PVPS T13‐21:2022, International Energy Agency, Photovoltaic Power Systems Programme (IEA PVPS), Dec. 2022. ISBN: 978-3-907281-09-3. Disponible en: https://iea-pvps.org/research-tasks/performance-operation-and-reliability-of-photovoltaic-systems/