¿Qué sabemos del soiling?

Soiling se refiere a la acumulación de “contaminantes” sobre superficies colectoras de luz solar, llámense módulos fotovoltaicos (FV) o sistemas de concentración de energía solar (en inglés CSPs).

Esta problemática toma gran relevancia puesto que en el mundo ya existen más de 3000 km² de estas “áreas colectoras” con el fin de generar energía y, por tanto, las consecuencias tanto técnicas como económicas de “limpiar” estas superficies podrían incrementar el precio de la generación de energía. Para el 2018, a nivel global se estimó que dicha situación generó pérdidas del orden de 4 billones de euros, y se prevé que podrían alcanzar los 6 billones de euros hacia 2023. De manera que es fundamental desarrollar e implementar estrategias que al menos mitiguen esta situación. [2]

Dentro de los posibles contaminantes de estas superficies se encuentran: eses de pájaros, polvo mineral, polen, material particulado (PM por sus siglas en inglés) agrícola e industrial y polución en general, solo por nombrar los más comunes. En consecuencia, esta contaminación genera ambientes propicios para la proliferación de microorganismos tipo “película” (biofilms en inglés) de: algas, hongos, musgos, líquenes y bacterias. La formación de soiling depende de muchos factores, por citar los más relevantes: la concentración de partículas en suspensión o material particulado (PM siglas en inglés) en la zona, la cantidad y regularidad de precipitaciones y la velocidad del viento. Adicionalmente, la humedad relativa y el ángulo de inclinación de los módulos FV, son factores no menos importantes que también se deben tener en cuenta.

Por el momento la limpieza (manual, semiautomática o automática) es la forma económicamente más “viable” de mitigar el problema, pero se deben analizar los costos incurridos por la pérdida de eficiencia debido al soiling respecto a los costos incurridos según la tecnología o modo de limpieza (Figura 2).

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¿Cómo se mide el soiling?

Según la International Electrotechnical Commission (IEC), en su norma IEC 61724-1:2017 [3], se puede determinar el parámetro “Soiling Ratio (SR)” (tasa de ensuciamiento) como medida de este efecto (Ecuación 1). Dicho valor esta entre (0-1), donde 1 indica ausencia de soiling, y 0 tanta suciedad que el sistema FV ya no puede generar energía; este valor se puede expresar también como porcentaje diario (Daily Soiling Rate (%/día). Otra forma de determinar el soiling, es calculando el valor de “Soiling Loss (SL)” pérdida por ensuciamiento) (Ecuación 2). Este refiere a la fracción de potencia perdida debido al ensuciamiento, igualmente se puede indicar a manera de porcentaje.

¿Qué alternativas tecnológicas se han diseñado para prevenir el soiling?

Recubrimientos anti-soiling: Desde hace varios años atrás se vienen desarrollando revestimientos con el fin de evitar la formación de soiling, Anti-Soiling Coatings (ASC por sus siglas en ingles). Allí se emplean diversos métodos físicos y químicos que buscan evitar la adhesión de contaminantes, la idea es modificar la superficie del módulo FV confiriéndole hidrofobicidad (repelencia al agua); de manera que con la lluvia o el agua que caerá sobre este, se limpie fácilmente y sin dejar ningún residuo. Adicionalmente, dicho recubrimiento se busca sea: altamente transparente, anti-reflectivo, durable, no tóxico, escalable industrialmente y de bajo costo. Para algunos de estos ya se ha reportado reducciones del 80% del SR en estudios de exposición al aire libre. Sin embargo, para estudios prolongados este valor puede rondar apenas entre el (20-50) % del SR, por lo que se continúa desarrollando aún mejores revestimientos

Módulos seguidores con mayor ángulo de barrido: Los fabricantes de módulos seguidores (trackers en inglés), en general no consideran que estos puedan tomar ángulos de 90° o 180° (boca abajo) en sus diseños; por lo que actualmente reducir el soiling usando una estrategia de posicionamiento vertical o totalmente boca abajo es inviable, por el momento. No obstante, debido al creciente uso de este tipo de módulos, ya se está analizando esa posibilidad de rango angular. De hecho, se ha demostrado que ubicar los módulos en ángulos cercanos a la vertical (90°) puede reducir el soiling en más de un 30% (SR).

Calentamiento superficial de módulos: En sitios donde las condiciones climáticas hacen que los módulos alcancen temperaturas por debajo de la temperatura ambiental (ej. Bajas temperaturas con alta humedad); se alcanza comúnmente el punto de rocío del agua y allí se condensa en gotas o como escarcha (congelada) sobre la superficie del módulo, lo que favorece y facilita la formación de soiling. Por lo que se piensa que una estrategia es calentar o mantener cierta temperatura en la superficie del módulo por cierto periodo de tiempo, evitando así la acumulación de agua. Teóricamente, se espera hasta un 65% de reducción en el soiling empleando esta metodología; sin embargo, no se han realizados estudios profundos de la viabilidad económica para implementar esta estrategia a gran escala.

Pantallas electrodinámicas: En este caso, se integra en la superficie del módulo un sistema que permita la aplicación de un campo eléctrico variable en el tiempo; por medio de la aplicación de unz diferencia de potencial eléctrico, de manera que se pueda “repeler” las partículas contaminantes. A escala de laboratorio funciona bien, pero en el campo se observan problemas con: condiciones de alta humedad relativa, bajo ángulo de inclinación del módulo e interferencias con la electrónica del circuito superficial. Además, este sistema aun es costoso para implementarse masivamente, alrededor de 30 euros por metro cuadrado de módulo FV, que puede llegar a ser el tercio del valor comercial de un módulo nuevo.

Factores a tener en cuenta para reducir la formación de soiling (etapa de diseño):

Hasta el momento no existe algún tipo de tecnología o recubrimiento anti-soiling completamente efectiva. Por tanto, son variadas y múltiples las opciones de limpieza, teniendo en cuenta factores económicos, temporales, geográficos, climáticos, etc. Teóricamente, el proceso de mitigación dependerá de: tipo de soiling, velocidad de deposición de PM, disponibilidad de agua (en algunos casos limpieza en seco), accesibilidad a la zona donde está la instalación FV, costo de labor de limpieza por área de módulo FV, equipo de limpieza requerido y tipo de sistema (módulos FV de ángulo fijo o seguidores, soportados en techo o en suelo). En ese mismo sentido, también se debe prever con qué regularidad se espera realizar la limpieza tendiendo a la optimización de dicho proceso y a la rentabilidad del proyecto en general. A continuación, se indican algunos aspectos para tener en cuenta:

Ubicación y diseño del sistema FV: Se debería tener en cuenta el posible efecto del soiling desde de la planeación, diseño y escogencia del sitio de instalación FV. Por ejemplo, evitando la proximidad a fuentes de PM (carreteras, industrias, agricultura, fuentes de polución en general), buscando un ángulo de inclinación de modulo que también favorezca el lavado de acuerdo con las precipitaciones del sitio. En cuanto al diseño: evitar marcos o bordes que ayuden a retener suciedad, evaluar el uso de más o menos diodos bypass para evitar la pérdida de eficiencia por sombreado-suciedad, celdas FV más pequeñas pueden reducir perdidas por eficiencia o sombreados parciales. En algunos casos es posible tener en cuenta barreras “antipolvo” de tipo físicas (mallas, arboles, vegetación, etc.) o químicas (ej. estabilizadores de suelos).

Monitoreo: Es fundamental llevar un registro de todos aquellos factores que aportan o promueven algún tipo de soiling. De manera general es recomendable monitorear: la tasa de ensuciamiento diario (Daily Soling Rate), la cantidad y frecuencia de lluvias, además del tamaño regular de partícula del PM en el sitio. Hay muchos más parámetros que se pueden medir para un mayor control, no obstante, esto implica mayores costos y equipos que se deben analizar. Para esto, la norma IEC 61724-1:2017 sugiere al menos el uso de dos sensores por cada 5 MW instalados, siempre y cuando la perdida de eficiencia anual por ensuciamiento sea de más del 2% (SL > 2%). Asimismo, es útil la detección de posibles fuentes de contaminación “fugitivas” (ej. caída de vegetación, fauna cercana, eventos temporales).

Modo de limpieza: La relación costo – beneficio es el factor crucial que para este caso determina la escogencia del método de limpieza. Es apenas obvio que se desearía siempre tener un sistema automatizado desde el momento de la instalación inicial del sistema FV, pero cada caso se debe estudiar minuciosamente para poder determinar con objetividad si vale la pena dicha inversión. 

Luego de esta breve revisión sobre el tema del Soiling es inevitable reconocer que este fenómeno es un factor fundamental en el desempeño y éxito en el tiempo de un proyecto de energía solar fotovoltaica, pues compromete el rendimiento de la instalación solar directamente al afectar la cantidad de radiación solar percibida por los módulos fotovoltaicos, y esto a su vez reduce la cantidad de energía inyectada tanto a la red como a los consumidores propios concluyendo en una reducción constante de la rentabilidad del proyecto en el tiempo. 

Por ende, es necesario tomar medidas para reducir la incidencia del soiling en nuestras instalaciones fotovoltaicas desde la concepción misma del proyecto, teniendo en cuenta las fuentes cercanas de suciedad que estén presentes y aparte de esto tomar decisiones acertadas sobre el método de limpieza que se va a utilizar sobre la instalación, evaluar la mejor relación costo-beneficio teniendo en cuenta el tamaño de la instalación fotovoltaica, los riesgos humanos y materiales para acceder a las superficies o estructuras donde se encuentren los módulos, y especialmente determinar el mejor método o procedimiento para asegurar que en el proceso de limpieza no se produzcan daños sobre los módulos fotovoltaicos, tales como rayones en su cara frontal, rupturas de las estructuras o marcos y microfracturas en las celdas. 

Este es un breve acercamiento a un tema muy importante en la operación de una instalación fotovoltaica que esperamos sea de utilidad, si tienes dudas adicionales o quieres saber más sobre mecanismos de limpieza robótica, contáctanos.

Referencias:

1. Cano, Cristian (2021). "¿Qué sabemos del soiling?".
2. Ilse, K., Micheli, L., Figgis, B. W., Lange, K., Dassler, D., Hanifi, H., Wolfertstetter, F., Naumann, V., Hagendorf, C., Gottschalg, R. & Bagdahn, J. (2019). "Techno-Economic Assessment of Soiling Losses and Mitigation Strategies for Solar Power Generation". Joule. 3 (10): 2303 -2321. doi:10.1016/j.joule.2019.08.019.
3. IEC 61724-1:2017 – Photovoltaic system performance – Part 1: Monitoring. First Edition. International Electrotechnical Commission (IEC). Website link: https://webstore.iec.ch/publication/33622