El polvo: enemigo silencioso de la energía solar

Eduardo Soto Sepúlveda
CEO | Phineal

9 DE ENERO, 2018

El polvo sobre los módulos fotovoltaicos reduce considerablemente la producción de energía en plantas solares, afectando incluso en los retornos anuales esperados y sus costos operacionales de las plantas solares. Puede provenir de zonas cercanas por efecto del viento y su efecto de deposición puede verse influenciado por la humedad y temperatura de los módulos. Existen muchos modelos y teorías respecto a las pérdidas de energía, además de una variada oferta de soluciones tecnológicas para mitigar el efecto del polvo, sin embargo, la mejor solución costo-efectiva radica principalmente en dos efectos: la reducción de la producción energía y los costos asociados al mantenimiento.

Estación de medición phiNet®11 instalada en el techo de uno de los edificios en Valparaíso

Estación de medición de polvo con módulos de capa fina. ©Phineal

El polvo se ha convertido en un problema en la operación de las plantas por lo que la medición del polvo ha tomado gran relevancia para planificar la frecuencia de limpieza de las grandes plantas solares. Una de las técnicas más comunes para la medición del efecto del polvo, es el método de comparación entre dos módulos de referencia: uno limpio y uno sucio. La frecuencia de limpieza del módulo limpio suele ser semanal, o dependiendo de la factibilidad de automatizar el proceso de limpieza, también puede ser diario con el objetivo de mejorar el patrón de comparación. A través de esta técnica de comparación, es posible identificar el rendimiento del módulo a través de la comparación de la corriente de corto circuito (Icc),  o bien el punto de máxima potencia (Pmpp) de los módulos, donde esta última es mucho más precisa ya que la relación de disminución de la potencia no es lineal con la corriente. La técnica de medición de polvo por comparación de dos módulos patrones, permite analizar el fenómeno de decaimiento de la producción, dejando fuera algunos errores de los modelos ya que se compara en condiciones similares del emplazamiento donde se está midiendo (temperatura, radiación solar, viento, humedad, etc.).

Curvas I-V de dos módulos fotovoltaicos: limpio y sucio. ©Phineal

A través de la técnica por comparación, es posible estimar la cantidad de polvo y su efecto en la superficies fotovoltaicas. Esta técnica puede ser mejorada a través de la instalación de módulos fotovoltaicos de referencia en los seguidores solares de las plantas, mejorando la precisión de la comparación. Cómo se observa en la curva I-V anteriormente, el efecto de la tensión entre los dos módulos fotovoltaicos casi no existe y el efecto en la corriente es notoriamente distinta.

Estación de medición phiNet21 en el laboratorio solar del Centro de Energía de la Universidad Católica, campus San Joaquín, Santiago de Chile

Esta técnica de comparación es ampliamente difundida y permite tener una idea del efecto global del polvo en la planta fotovoltaica, sin embargo es necesario realizar un monitoreo en varios puntos de la planta para entender el efecto del polvo para realizar la planificación de la limpieza de la planta solar.

La medición y la comparación de los módulos permite establecer una curva de decaimiento la cual es comparada con los porcentajes de reducción de pérdidas admisible por la planta fotovoltaica. Esta operación y control de las curvas y frecuencia de limpieza desafía a las gerencias operacionales de las plantas y pone en alerta a la gestión administrativa de los contratos de prestación de servicios, debido a que las pérdidas de energía y los costos operacionales deben ser optimizados para tener los retornos esperados durante la operación anual, sin que se transforme en pérdidas de generación de energía y un gasto considerable en la limpieza y sus recursos.

Uno de los primeros estudios de medición de polvo en Chile fue realizado por la Universidad Técnica Federico Santa María y la Universidad de Jyväskyla de Finlandia en el año 2012 a 2015, con datos de radiación solar y energía de la primera planta conectada al sistema interconectado en el año 2011 (Los Loros, región de Atacama) suministrados por nuestra empresa. El proyecto denominado “Environmental impact analysis, and sustainability – efficiency based criteria for solar energy projects in Northern Chile” proyecto financiado por la Academia de Finlandia y CONICYT, permitió analizar el comportamiento de la deposición de polvo sobre el campo solar y determinar aspectos de filtrado de datos para el análisis de la frecuencia de limpieza y el impacto ambiental del uso de agua. Los modelos desarrollados se encuentran publicados en el paper Design of a cleaning program for a PV plant based on analysis of energy losses“.

Efecto en la energía producida dependiendo de diferente número de limpiezas en un año.

A través de este trabajo fue posible obtener un modelo de planta y un análisis del decaimiento de la producción a través de los datos de energía correlacionados con los de radiación solar medidos. Esto permite obtener curvas de correlación para establecer las tazas de ensuciamiento del campo solar y realizar estimaciones para la frecuencia de la limpieza.

Este método directo de análisis de la energía de generación posee errores debido a otros fenómenos como la temperatura de las celdas, error de “mismatch” de los strings, viento y otros fenómenos asociados a la producción de la planta lo que no permite ver en forma clara los efectos reales del polvo y separarlos de estos otros fenómenos asociados a la operación del campo solar. Sin embargo, esta técnica puede medir en forma rápida el efecto del polvo en la producción debido a la comparación con la radiación solar incidente en el plano de captación solar y realizar estimaciones para establecer la frecuencia de mantenimiento. Este método requiere de datos históricos de medición de energía y otras variables meteorológicas por lo que se recomienda combinar este análisis con la medición de polvo a través del método de comparación de los módulos fotovoltaicos en diferentes lugares de la planta fotovoltaica (una planta de 100MW puede llegar a medir más de 200 hectáreas).

Planta fotovoltaica en la región de Tarapacá afectada por el polvo ©Phineal

El estudio consideró el análisis de dos años de datos donde es posible observar a través de las curvas de generación de energía las curvas de decaimiento de la producción energética después de que la lluvia lavó los módulos en forma natural y la comparación con la limpieza de los módulos que se realizó en forma mensual como se puede observar en la siguiente gráfica.

Análisis de datos de generación de energía de la planta fotovoltaica PV Subsole en la región de Atacama, Chile.

En los últimos años han llegado a Chile y se han creado diversas empresas para resolver los problemas asociados a la limpieza de plantas fotovoltaicas. Desde sistemas con robots, sistemas de limpieza automáticos, hasta soluciones más convencionales como rodillos que se instalan en un tractor los cuales poseen difusores con agua, son algunas de las soluciones que se ofrecen, cada una de ellas con sus ventajas y desventajas a la hora de evaluar su efectividad y económicamente. Otras empresas ofrecen “nano coating” que son posibles de aplicar en la superficie del campo solar. Sin embargo, todas las tecnologías deben ser evaluadas operacionalmente para medir su efectividad estableciendo parámetros de comparación claros que puedan diferenciarlos entre ellos como los siguientes: efectividad de la limpieza (MWh/m2), impacto en el uso del agua (m3/MWp), calidad, logística y costo del agua ($/m3), tiempo de trabajo de limpieza en planta (horas), deterioro del campo solar (MW/año), impacto medio ambiental (ha), horas de operario en planta fotovoltaica ($/HH), entre otros.

Una de las técnicas más comunes en el mercado es usar rodillos limpiadores. En el siguiente video se puede observar en operación uno de estos rodillos en una planta ubicada en la región de Antofagasta. Este sistema es efectivo, sin embargo debe optimizar el uso del agua, combustible y tiempo de operación para ser una solución que permita generar una mejora en los costos operacionales de la planta solar.

El uso del agua permite realizar una limpieza de buena calidad, sin embargo existen otras técnicas de limpieza en seco de los módulos. Este aspecto debe ser estudiado para cada planta en particular, ya que este método suele perjudicar la vida útil de los módulos.

Dentro de los números que actualmente se manejan en el mercado, el uso del agua para la limpieza puede ir desde los 3 hasta los 7 metros cúbicos por hectárea, cuestión que es preocupante en plantas de gran tamaño debido a que la logística de transporte y almacenamiento del agua, sumado a que el agua debe ser filtrada y la limpieza se encuentra limitada por la velocidad de operación de las máquinas y/o operarios que la realizan (mientras se está limpiando otra parte del campo solar se ensucia).

“el uso del agua para la limpieza puede ir desde los 3 hasta los 7 metros cúbicos por hectárea”

El monitoreo de la deposición de polvo permite organizar y planificar el mantenimiento preventivo de las plantas fotovoltaicas, optimizando los recursos e incrementando la producción de energía fotovoltaica, lo que se traduce en mayores ganancias para la empresa generadora.

La medición continua de los parámetros de comparación y las variables del campo solar, permite evaluar la tasa de ensuciamiento del campo solar en forma distribuida siendo una de las técnicas más efectivas a la hora de determinar la reducción de potencia debido al polvo en las plantas solares.

Phineal es una empresa fundada en el año 2013 y se encuentra conformada por un equipo profesional que se enfoca en proyectos de ingeniería eléctrica y energía solar. 

phiNet® es la plataforma de información que permite gestionar los datos obtenidos de las estaciones de medición y de otros dispositivos para procesarlos, almacenarlos y generar reportes que serán utilizados en la toma inteligente de decisiones de actividades y procesos, con especial énfasis en energías renovables y cuidado del medio ambiente.

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