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Equation Chapter 1 Section 1
Proyecto Fin de Carrera
Ingeniería Industrial
Análisis de factores que influyen en la suciedad de
paneles fotovoltaicos y su efecto sobre la producción
de energía eléctrica
Autor: Pablo Nuevo Duque
Tutor: Manuel Felipe Rosa Iglesias
Departamento de Ingeniería Energética
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2016
Proyecto Fin de Carrera
Ingeniería Industrial
Análisis de factores que influyen en la suciedad
de paneles fotovoltaicos y su efecto sobre la
producción de energía eléctrica
Autor:
Pablo Nuevo Duque
Tutor:
Manuel Felipe Rosa Iglesias
Profesor titular
Departamento de Ingeniería Energética
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Universidad de Sevilla
Sevilla, 2016
Proyecto Fin de Carrera: Análisis de factores que influyen en la suciedad de paneles
fotovoltaicos y su efecto sobre la producción de energía eléctrica
Autor: Pablo Nuevo Duque
Tutor: Manuel Felipe Rosa Iglesias
El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes
miembros:
Presidente:
Vocales:
Secretario:
Acuerdan otorgarle la calificación de:
Sevilla, 2013
El Secretario del Tribunal
a ERC, la calculadora que olvidaste en el departamento de elasticidad me acompañó
fielmente durante todo este periplo
a Ro, por ser mucho más que la densidad
a Ese Juanlu Ahí, tu abrupta y temprana marcha intensifica mi eterno agradecimiento
a mis Padres y Hermano
LISTA DE ABREVIATURAS Y SÍMBOLOS 8
1. INTRODUCCIÓN 11
1.1. DESCRIPCIÓN Y ALCANCE 11
1.2. CONTEXTUALIZACIÓN 11
1.2.1. CONTEXTO HISTÓRICO DE LA TECNOLOGÍA FOTOVOLTAICA 11
1.2.2. CONTEXTO TECNOLÓGICO, EMPRESARIAL Y CIENTÍFICO DEL TEMA DEL PROYECTO 16
1.2.3. CONCLUSIÓN 17
1.3. FUNDAMENTOS TÉCNICOS 18
1.3.1. ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA 18
1.3.2. DEPOSICIÓN DE POLVO 28
2. ESTUDIO DEL ARTE 31
2.1. INTRODUCCIÓN 31
2.2. FACTORES 31
2.2.1. VIENTO 31
2.2.2. HUMEDAD RELATIVA 42
2.2.3. CONCENTRACIÓN DE PARTÍCULAS EN EL AMBIENTE 43
2.2.4. LONGITUD DE ONDA 46
2.2.5. ÁNGULO DE INCIDENCIA 51
2.2.6. INCLINACIÓN DEL PANEL 56
2.2.7. TAMAÑO DE PARTÍCULA 63
2.2.8. LLUVIA 66
2.2.9. TORMENTAS DE ARENA 71
2.2.10. RECUBRIMIENTOS 75
2.2.11. DEPOSICIÓN IRREGULAR 79
2.2.12. COLOR Y OPACIDAD DE LAS PARTÍCULAS 83
2.2.13. OTROS 84
2.3. PÉRDIDAS 87
2.3.1. RELACIÓN ENTRE POLVO DEPOSITADO Y PÉRDIDAS 87
2.3.2. RELACIÓN ENTRE TIEMPO DE EXPOSICIÓN Y PÉRDIDAS 90
2.3.3. COMPILACIÓN DE ESTUDIOS DE CAMPO REALIZADOS EN DISTINTAS PARTES DEL MUNDO 91
3. CONCLUSIONES 99
3.1. SÍNTESIS 99
3.2. VALORACIÓN FINAL 108
4. BIBLIOGRAFÍA 111
Lista de abreviaturas y símbolos
REE: Red Eléctrica de España.
IEA-PVPS: Agencia International de la Energía, Sistemas fotovoltaicos de potencia (siglas
en inglés).
STC: Condiciones de Medición Estándar (por sus siglas en inglés). En el caso de un panel
solar serán:
Temperatura de 25 ºC
Irradiancia de 1000 W/m2
AM = 1.5
AM: Masa de Aire espectral (por sus siglas en inglés).
η: rendimiento o eficacia del panel solar.
ISC: intensidad de corto-circuito del panel.
VOC: tensión de circuito abierto del panel.
P: potencia de salida del panel.
D: diámetro de partícula (suponiendo su esfericidad).
R (Rdía y Rnoche): coeficiente de correlación de Pearson.
λ: longitud de onda.
AOI: ángulo de incidencia.
β: ángulo de inclinación del panel.
ω: densidad de polvo depositado.
Puntos cardinales:
N-S: norte-sur.
E-O: este-oeste.
N: norte.
S: sur.
E: este.
O: oeste.
NE: noreste.
NO: noroeste.
SE: sureste.
SO: suroeste.
Tecnologías fotovoltaicas:
c-Si: silicio cristalino.
m-Si: silicio mono-cristalino.
p-Si: silicio poli-cristalino.
a-Si: silicio amorfo.
CIGS: seleniuro de cobre, indio y galio.
CdTe: teluro de cadmio.
Coeficientes ópticos
α: absortividad.
ρ: reflectividad.
τ: transmisividad.
11
1. Introducción
1.1. Descripción y alcance
El presente Proyecto Fin de Carrera se centrará en el análisis del complejo fenómeno de
deposición de polvo y suciedad en paneles solares fotovoltaicos así como en las pérdidas
de energía implicadas.
El cuerpo del trabajo consistirá en un exhaustivo estudio de la literatura científica. Se
investigarán los múltiples factores y fenómenos involucrados en el problema, su grado
de influencia y su relación con las pérdidas de producción eléctrica del panel. Todo ello
orientado a las centrales fotovoltaicas de tipo industrial y no a paneles fotovoltaicos de
particulares.
Finalmente, se procederá a una evaluación y estructuración del conocimiento expuesto
previamente de modo que permita comprender el fenómeno, establecer estimaciones
cuantitativas de las pérdidas y plantear estrategias para minimizar el impacto.
1.2. Contextualización
El contexto y las motivaciones que rodean el presente trabajo tienen una gran
importancia de cara a una comprensión integral del mismo. En primer lugar hemos de
ubicar la situación de la energía solar fotovoltaica en el presente, tanto en el mundo en
general como en España en particular, así como su evolución en el tiempo y razonar las
previsiones de futuro. Igualmente se explicará y justificará la posición que ocupa el tema
que nos ocupa en este trabajo, tanto en el sector industrial como en la literatura
científica.
1.2.1. Contexto histórico de la tecnología fotovoltaica
La figura 1 refleja la evolución de la energía solar fotovoltaica en España a lo largo de la
última década. Lo primero que llama la atención es el boom del sector en 2007 y,
especialmente, 2008, ejercicio en el que se instalaron alrededor de 2.7 GW gracias a las
ayudas gubernamentales aprobadas años anteriores por el gobierno de José Luis
Rodríguez Zapatero en época de superávit económico. Sin embargo, la gestión de este
modelo no resultó sostenible y durante los años posteriores la instalación de paneles
fotovoltaicos en nuestro país se frenó, llegando al momento actual en el que la potencia
instalada se encuentra estancada en torno a 4.5 GW. Por este motivo, el entramado
empresarial ligado al sector fotovoltaico que se desarrolló a raíz del boom de 2008 tuvo
que reinventarse dando cobertura a proyectos en el extranjero o cerrar.
12
Figura 1. Evolución de la potencia instalada en España. Fuente: REE (elaboración:
energíasrenovasblesinfo.com).
Figura 2. Evolución de la potencia instalada en el Mundo. Fuente: IEA PVPS (elaboración:
Statista).
Como se observa en la figura 2, la tendencia en España choca con la que impera en el
conjunto del planeta, donde la potencia solar fotovoltaica instalada sigue aumentando
a ritmo exponencial. Tras los 178 GW alcanzados en 2014 se prevé que el sector continúe
su enorme crecimiento durante los próximos años, lo cual dota de una grandísima
importancia todo lo relacionado con esta tecnología. Estas previsiones de crecimiento
se sustentan en los siguientes puntos:
13
1) La situación energética mundial. Nos encontramos en un momento en el que
todas las evidencias apuntan hacia un mismo camino: la sustitución de las
energías agotables y contaminantes por aquellas limpias y renovables. La
concienciación social y política acerca de la degradación del medioambiente es
cada vez mayor mientras que las existencias de combustibles fósiles siguen
menguando. Igualmente, el consumo de energía mundial no para de crecer año
a año como vemos en la figura 3, a lo que hay que añadir el auge de grandes
potencias emergentes como Brasil, Sudáfrica, India, China, etc, que
presumiblemente darán continuidad a esta tendencia.
Figura 3. Evolución del consumo energético mundial. Fuente: BP.
2) El despertar de los grandes países. Hasta el año 2010 los países que contaban
con una mayor potencia instalada eran Alemania, España, Japón e Italia. Sin
embargo, a lo largo de esta década (hay datos hasta el ejercicio de 2014), la
tendencia ha cambiado. Los dos grandes gigantes, China y EE UU, han
reaccionado y lideran el crecimiento a un ritmo brutal, pasando de 0.8 a 28 GW
y de 2 a 18 GW respectivamente (tablas 1 y 2). Además, sus previsiones de futuro
son aún más ambiciosas. También es inminente la eclosión en el sector de países
tan relevantes como Sudáfrica o, especialmente, India, que están empezando a
instalar parques solares fotovoltaicos y tienen aprobadas políticas para una
expansión agresiva del sector en los años venideros. Asimismo, la gran mayoría
de países desarrollados siguen esta línea de apuesta por la solar fotovoltaica,
entre los que destacan Japón o Australia.
14
Potencia solar fotovoltaica instalada durante el año 2014 (GW)
1 China 10.6
2 Japón 9.7
3 Estados Unidos 6.2
4 Reino Unido 2.3
5 Alemania 1.9
6 Francia 0.9
7 Australia 0.9
8 Corea del Sur 0.9
9 Sudáfrica 0.8
10 India 0.6
Tabla 1. Países que instalaron mayor potencia fotovoltaica en 2014. Fuente: IEA-PVPS.
3) La bajada vertiginosa de los costes de producción. Como se puede advertir en
la figura 4, el coste de la tecnología solar fotovoltaica no ha dejado de bajar
desde sus inicios. Este descenso del precio del vatio instalado se ha acentuado
desde el año 2008 ligado al desarrollo definitivo de esta tecnología. Todo apunta
a que se mantendrá esta tendencia, fruto del descenso de los costes de
producción y de la mejora de la eficiencia de la tecnología.
Figura 4. Evolución del coste de producción del vatio fotovoltaico. Fuente: Observatorio Crítico
de la Energía a partir de datos de ‘C. Breyer and A. Gerlach., Prog. in Phot.: Res. and App.,
21(1):121–136, 2013’ y ‘Navigant Consulting’.
15
4) La nula participación de los países con más sol. Si nos fijamos en el mapa de
radiación de la figura 5 y lo cotejamos con la tabla 2, que muestra los países con
mayor potencia instalada al término del año 2014, es evidente que están
completamente desaprovechadas muchas de las grandes zonas del planeta con
mayor irradiación como África, Oriente Medio, México o el oeste de Sudamérica.
A día de hoy los países de estas zonas están empezando a vertebrar su futuro
energético a través de la energía solar, aunque al tratarse de las zonas más
empobrecidas del planeta su desarrollo a nivel fotovoltaico se espera más bien
a medio o largo plazo. Por tanto, la gran mayoría de parques solares se localizan
en países con niveles medios o bajos de irradiación (Europa y Japón), o medio-
alto (sur de EE UU, suroeste de China y Australia).
Figura 5. Mapa mundial de irradiación solar. Fuente: VAISALA.
Potencia total instalada mediante solar fotovoltaica a finales de 2014 (GW)
1 Alemania 38.2
2 China 28.2
3 Japón 23.3
4 Italia 18.5
5 Estados Unidos 18.3
6 Francia 5.7
7 España 5.4
8 Reino Unido 5.1
9 Australia 4.1
10 Bélgica 3.1
Tabla 2. Países con mayor potencia instalada a finales de 2014. Fuente: IEA-PVPS.
16
En último lugar, la gráfica de la figura 6 ilustra perfectamente la situación de la energía
solar fotovoltaica dentro del panorama energético global. Se puede ver cómo en el año
2014 su contribución alcanzó el 1.1% del consumo mundial de energía, cifra que
continuará creciendo. Por países, percibimos que son los europeos aquellos que poseen
un mayor porcentaje de autosuficiencia mediante energía solar fotovoltaica. España
queda posicionada en quinto lugar con un 3.8%, cifra alrededor de la cual se ha movido
durante los últimos siete años tras la instalación masiva de parques solares de 2008.
Figura 6. Nivel de autosuficiencia energética mediante fotovoltaica por países. Fuente: IEA-
PVPS.
1.2.2. Contexto tecnológico, empresarial y científico del tema del
proyecto
En lo que respecta al tema específico de este trabajo, el fenómeno de deposición de
polvo y suciedad en paneles fotovoltaicos y las pérdidas energéticas que ocasiona,
quisiera explicar y justificar el lugar que ocupa tanto dentro de la tecnología fotovoltaica
como en los ámbitos industrial y científico.
En primer lugar quisiera señalar que se trata de un tema que, hasta la fecha, apenas se
ha tenido en consideración por múltiples razones. La primera, y más evidente, es el
reciente desarrollo de la tecnología solar. Otro motivo de peso es que se trata de un
fenómeno que afecta de forma especialmente crítica a las zonas desérticas y semiáridas
del planeta debido a la escasez de lluvias y gran presencia de polvo en el terreno.
Precisamente esas son las zonas del mundo de mayor irradiación que mencionábamos
en el cuarto punto de la sección anterior en las que apenas se han puesto en marcha
centrales fotovoltaicas aún, de modo que este conocimiento adquiere en estos
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momentos mayor relevancia para su desarrollo fotovoltaico. Finalmente, se trata
solamente de uno de los múltiples factores (y no de los más importantes) que influyen
tanto en el rendimiento energético de la planta como en su rentabilidad económica.
Todas estas razones unidas a la gran complejidad científica del fenómeno provocan que
la literatura científica con respecto a nuestro ámbito de trabajo sea exigua y no
concluyente en algunos aspectos. Si bien es cierto que los primeros informes centrados
en este tema se remontan a los años 80, se trata de estudios aislados. Conforme
avanzamos por la década de los 90 y nos adentramos siglo XXI hay de cada vez más
estudios que indagan sobre particularidades más variadas y específicas. Sin embargo, y
como hemos anunciado anteriormente, aún queda mucho margen para la investigación.
Estamos aún en la fase en la cual la mayoría de estudios son incapaces de cuantificar
exhaustivamente los hechos y simplemente intentan dilucidar las tendencias e
interrelaciones causa-efecto entre los distintos elementos, que a veces resultan incluso
contradictorias entre unas y otras publicaciones debido a la ya citada complejidad del
fenómeno.
En el ámbito del diseño, comentar que para evaluar las posibles pérdidas por suciedad
en un determinado emplazamiento lo más exacto sería colocar una serie de muestras
configuradas convenientemente durante un periodo de tiempo significativo. Sin
embargo, realizar esta operación de forma efectiva es costoso tanto en tiempo como
dinero, especialmente en zonas alejadas de los grandes núcleos urbanos, que son las
habituales para instalar una central fotovoltaica. Si a eso le añadimos que para
establecer una primera comparación hay que repetir ese proceso en cada uno de los
emplazamientos potenciales, el resultado es que esos estudios previos son inviables. Por
tanto, las estimaciones teóricas son y serán esenciales para valorar los posibles
emplazamientos y configuraciones tecnológicas desde el punto de vista de las pérdidas
por suciedad.
Así pues y debido a las circunstancias explicadas en los tres párrafos precedentes, a la
hora de realizar estos diseños teóricos de parques solares las asesorías técnicas optan
habitualmente por simplificar en lo relacionado con las pérdidas por suciedad, cayendo
en inexactitudes importantes en muchos casos. De esta forma tanto los coeficientes de
pérdidas como las estrategias de limpieza aplicadas son estándar y apenas son tenidas
en cuenta las características concretas del proyecto. Por todo ello resulta de gran interés
un estudio como el que nos disponemos a realizar.
1.2.3. Conclusión
El potente crecimiento de la industria fotovoltaica y su imparable desarrollo tanto a
corto como a largo plazo, unido al incompleto e inexacto conocimiento y valoración del
fenómeno de deposición de polvo justifica y dota de un enorme sentido a los informes
que indaguen sobre este tema, como es el análisis que llevaremos a cabo en este
trabajo.
18
1.3. Fundamentos técnicos
1.3.1. Energía solar fotovoltaica
La energía solar se aprovecha hoy día de múltiples formas (ver tabla 3). La tecnología
fotovoltaica es una de las más relevantes y consiste en la producción de electricidad
directamente a partir de la radiación solar incidente. Sus dos aspectos principales son la
captación de la radiación y su conversión en electricidad mediante paneles
fotovoltaicos.
Tipo de tecnología solar
Funcionamiento
Solar activa Se usa la radiación para calentar agua para calefacción, agua sanitaria,
refrigeración, etc. Puede ser sencilla (colectores individuales, bajas temperaturas) o industrial (concentración de rayos, altas temperaturas).
Solar pasiva Aprovecha el calor de forma pasiva (orientación de casas, diseño de muros
y ventanas, etc.).
Termosolar de concentración
Concentra los rayos para calentar un fluido térmico y producir electricidad mediante un ciclo termodinámico estándar.
Solar híbrida Plantas híbridas en las que el ciclo puede ser alimentado de varias formas,
siendo una de ellas la termosolar de concentración.
Eólico-solar Funciona con aire calentado por el sol que es derivado a los generadores.
Solar fotovoltaica Transforma directamente la radiación incidente en electricidad.
Tabla 3. Tecnologías que aprovechan la energía solar. Fuente: Wikipedia.
1.3.1.1. Captación
En primer lugar definiremos el concepto de irradiancia: se trata de la potencia por
unidad de área que alcanza una superficie debida a radiación electromagnética.
𝐼 =𝑃𝑖𝑛𝑐
𝐴 (𝑊/𝑚2)
Esta irradiancia puede ser directa o difusa. La primera procede directamente del sol e
incide con una dirección única y concreta dando lugar al ángulo de incidencia (AOI)
mientras que la segunda procede de la reflexión, transmisión o dispersión en todo tipo
de cuerpos y superficies e incide por todas las direcciones por igual. La radiación difusa
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es minoritaria y un día soleado puede suponer un 15-25% del total, sin embargo en días
nublados supera fácilmente el 60% pudiendo llegar a cerca del 100%.
Así pues, en el caso de la fotovoltaica interesará que la irradiancia procedente del sol
que alcanza las celdas fotovoltaicas sea la máxima posible. Lo primero es ir a la fuente
emisora: la figura 7 ilustra la irradiancia espectral del sol y en ella podemos observar que
la radiación que alcanza la superficie de la tierra está compuesta principalmente por el
espectro visible y el infrarrojo (47% y 46% de la energía respectivamente) mientras que
el espectro ultravioleta solamente representa un 7%. La irradiancia que llega a la
superficie en un país como España se puede mover habitualmente entre 200 W/m2 y
1000 W/m2 según la región, la época del año, el tipo de día y la hora del día.
Figura 7. Espectro de radiación solar. Fuente: Global Warming Art project (Robert A. Rhode).
Para optimizar la radiación que alcanza la superficie de los paneles es necesaria una
incidencia lo más perpendicular posible (ángulo de incidencia nulo), por tanto la
disposición de los paneles es clave. Esa incidencia dependerá de la época del año
(movimiento N-S del sol), del momento del día (movimiento E-O del sol), de la latitud y
de la instalación o no de métodos de seguimiento solar.
o Paneles fijos
En cuanto al movimiento N-S del sol, si nos encontramos en el hemisferio norte habrá
que inclinar el panel hacia el sur y viceversa. El ángulo de inclinación óptimo coincide
con la latitud durante ambos equinoccios, mientras que conforme nos desplazamos en
el tiempo hacia los solsticios de verano e invierno ese ángulo óptimo disminuye y
aumenta respectivamente. El valor de esa variación depende del lugar y en España
rondaría los 18º de diferencia entre el verano y el invierno.
20
A nivel industrial, mediante programas informáticos se evalúan las irradiancias que se
lograrían con las distintas inclinaciones para hallar el óptimo. Habitualmente, éste es
igual a la latitud menos un ángulo α. Teniendo en cuenta que en España la latitud oscila
entre 36º y 43º y que el valor de α ronda los 10º, los paneles industriales se dispondrán
a inclinaciones entre 25º y 35º. Esta corrección mediante el ángulo α se debe a que en
verano hay mucha mayor irradiancia. Por tanto, en el conjunto del mundo los paneles
se instalan habitualmente a inclinaciones entre 0º y 45º, sobrepasando este rango
solamente en casos de latitudes muy al norte o muy al sur del globo terráqueo.
A nivel doméstico, sin embargo, muchas veces se usa un criterio de abastecimiento en
el peor escenario posible (meses de invierno), y pensando en ello se utilizan
inclinaciones mayores.
En cuanto al movimiento E-O del sol, al tratarse de un ciclo que se repite a diario, la
única opción para optimizarlo es el uso de seguidores.
o Seguidores
Los seguidores pueden ser de distinto tipo, aunque los principales son en un eje acimutal
(seguimiento diario del movimiento E-O del sol) o en dos ejes, que a este último le
añaden el seguimiento N-S durante el año. A la hora de tomar una decisión son
determinantes las múltiples circunstancias propias del proyecto y su localización; la
tabla 4 recoge las ventajas e inconvenientes, a grandes rasgos, de cada tipo.
Configuración Ventajas Inconvenientes
Panel fijo Coste mínimo y bajo riesgo Menor producción
Seguimiento en un eje acimutal
Producción un 15-25% mayor
Mayor coste de aplicación y mantenimiento
Mayor riesgo
El panel puede alcanzar temperaturas demasiado altas
Seguimiento en dos ejes Producción un 30-45%
mayor
Mayor coste de aplicación y mantenimiento
Mayor riesgo
El panel puede alcanzar temperaturas demasiado altas
Tabla 4. Ventajas e inconvenientes de las distintas configuraciones de los paneles. Fuente:
elaboración propia.
21
Hablaremos ahora del proceso de absorción de rayos solares una vez han alcanzado la
superficie del panel. En términos generales y simplificando la realidad, cuando un rayo
alcanza una superficie cualquiera de un cuerpo pueden ocurrir tres cosas: puede ser
absorbido, reflejado o transmitido tras atravesar ese cuerpo (figura 8). De esta forma se
definen los siguientes parámetros:
Figura 8. Esquema básico de la descomposición de un rayo de luz al alcanzar una superficie.
reflectividad (ρ): fracción energética de la radiación incidente que es reflejada.
absortividad (α): fracción energética de la radiación incidente que es absorbida.
transmisividad (𝛕): fracción energética de la radiación incidente que es
transmitida.
Por tanto:
𝛼 + 𝜌 + 𝜏 = 1
Para partículas opacas, τ = 0 → α + ρ = 1
Paralelamente, la reflectancia, absortancia y transmitancia miden la potencia reflejada,
absorbida o transmitida por unidad de superficie:
I → Irradiancia (W/m2)
ρ · I → Reflectancia (W/m2)
α · I → Absortancia (W/m2)
τ · I → Transmitancia (W/m2)
Así pues, es de vital importancia que el conjunto que precede la célula solar maximice la
transmisividad; también es el motivo técnico que justifica la aparición de revestimientos
antirreflectantes (hablaremos más delante de ellos). A este fenómeno se debe también
la disminución del rendimiento causada por las partículas de polvo depositadas: al ser
éstas generalmente opacas, los rayos que las alcanzan son reflejados o absorbidos y, por
tanto, desperdiciados en su mayoría. Solamente se aprovecha aquella fracción
minoritaria de los rayos que tras reflejarse en una partícula alcanza el panel solar.
22
Por último, he de comentar que hay una proporción significativa de los informes
examinados que de cara a evaluar las pérdidas por suciedad trabaja con pérdidas de
transmisividad como indicador de referencia en lugar de hacerlo con pérdidas de
potencia o producción energética. De esta forma, es posible simplificar los
procedimientos de estudio y utilizar solamente cubiertas típicas de vidrio en lugar de
conectar un módulo completo. El informe [1] confirma lo razonable de esta idea en la
tabla 5, cuyos resultados establecen un error medio del 1%, atribuible a la preparación
de muestras y mediciones. Por tanto, de ahora en adelante en este trabajo
consideraremos idénticas las pérdidas de transmisividad de la cubierta y las de potencia
del panel y hablaremos de ellas indistintamente.
Polvo depositado (g m-2) Pérdidas de
transmisividad (%)
Pérdidas de potencia (%)
Panel Sanyo Panel
Eurosolare
0 100 100 100
10 90.03 91.84 90.30
20 79.97 80.62 79.64
40 60.44 61.14 62.88
60 51.58 51.23 52.79
Tabla 5. Comparación pérdidas de transmisividad y potencia. Fuente: [1].
1.3.1.2. Conversión en electricidad
La energía solar fotovoltaica se basa en la repetición de un elemento básico: la célula o
celda fotovoltaica, las cuales se agrupan en paneles o módulos fotovoltaicos. La
conversión de la radiación solar en electricidad se produce gracias al efecto
fotoeléctrico, el cual se aprovecha en estas células o celdas mediante una disposición
adecuada de capas de materiales semiconductores dopados.
Figura 9. Esquema básico de un panel solar fotovoltaico.
23
Constructivamente, el esquema básico de un panel fotovoltaico típico sería el ilustrado
en la figura 9, aunque la gran cantidad de modelos y fabricantes da lugar a un amplio
abanico de modelos. Todos los elementos están destinados a darle rigidez y resistencia
al conjunto y a proteger la célula fotovoltaica, procurando interferir lo mínimo posible
en la captación de radiación por parte de la propia célula:
Cubierta frontal: habitualmente de vidrio templado. Ha de tener la máxima
transmisividad posible para no desviar ni absorber rayos. Son convenientes
valores altos de resistencia a golpes, flexibilidad y resistencia térmica, así como
un bajo contenido en hierro para lograr estas características.
Encapsulante: habitualmente de EVA (tipo de polietileno a base de etileno y
acetato de vinilo), que es fácil de manipular, lavable, inocuo para la salud y
reciclable.
Cubierta posterior: debe dar protección, rigidez y resistencia. Es un elemento
más sencillo al no tener que ser transparente.
Marco: habitualmente en aluminio u otro metal. Soporta la estructura.
Cajetín estanco: protege elementos eléctricos.
Célula fotovoltaica: componente crítico ya que en ella se produce el efecto
fotoeléctrico que produce la circulación de electrones. Su comportamiento
dependerá de su diseño y especialmente de los materiales semiconductores
utilizados, según los cuales se clasifican las distintas tecnologías fotovoltaicas.
Cada una aprovechará un determinado porcentaje de la radiación incidente en
cada longitud de onda; la representación gráfica de este hecho da lugar a las
respuestas espectrales del panel.
El parámetro principal a la hora de evaluar un panel es su eficiencia (η) en condiciones
estándar (STC): irradiancia de 1000 W/m2, temperatura ambiente de 25ºC y AM 1.5.
𝜂 =𝑃𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎
𝑃𝑟𝑒𝑐𝑖𝑏𝑖𝑑𝑎
A continuación se muestran las eficiencias típicas de paneles en el mercado (tabla 6):
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Tipo de tecnología η (%)
Silicio cristalino (c-Si) Silicio monocristalino (m-Si) 18
Silicio policristalino (p-Si) 15
Capas finas (thin film)
CIGS (Seleniuro de cobre, indio y galio)
13
Teluro de cadmio (CdTe) 12
Silicio amorfo (a-Si) 10
Tabla 6. Eficiencias típicas de las distintas tecnologías.
La figura 10 muestra un comparativo con las respuestas espectrales de distintas
tecnologías donde se distingue que los paneles fotovoltaicos trabajan dentro del rango
de 300 a 1200 nm dependiendo de la tecnología. De esta forma aprovechan el espectro
visible al completo y la parte del infrarrojo de menor longitud de onda, las cuales son las
franjas más energéticas del espectro solar como vimos en la sección previa.
Figura 10. Respuestas espectrales de distintas tecnologías. Fuente: Arizona State University y
TÜV Rheinland.
25
A nivel eléctrico, en cada instante el comportamiento de una célula fotovoltaica viene
definido por su curva intensidad-tensión (I-V), en la que se representan los distintos
puntos de funcionamiento. En los extremos se ubican la tensión de circuito abierto (VOC)
y la intensidad de cortocircuito (ISC); el otro punto de referencia es en el que la potencia
es máxima (P = V·I). En él se intentará que trabaje la célula para optimizar la producción.
Esta curva depende, además del tipo de celda, de la radiación incidente. Conforme
disminuye ésta última se reducen los valores de ISC mientras los de VOC apenas varían,
evolucionando la curva como se observa en la figura 11. Precisamente este es el efecto
de la suciedad, que reduce la radiación incidente, siendo la figura 12 un ejemplo de ello.
Finalmente, comentar que por la variación desigual de intensidad y tensión debida a la
suciedad ([2] y otros), hay textos e informes que aproximan las pérdidas totales con las
pérdidas de ISC, cometiendo un cierto error, que en bastantes casos puede ser aceptable.
Figura 11. Curvas I-V de una célula solar para distintos niveles de irradiación.
Figura 12. Curvas I-V de una célula limpia (azul) y sucia (marrón). Fuente: [44].
26
Por otro lado, los paneles solares también sufren pérdidas debidas a las altas
temperaturas que alcanza la celda, las cuales quedan patentes en forma de disminución
de la tensión en la curva I-V (ver figura 13). Para cuantificarlas disponemos del
coeficiente de reducción de potencia por temperatura, que suele tomar valores de entre
-0.40 y -0.55 %/ºC y refleja las pérdidas por cada ºC que la temperatura de la celda
excede de 25ºC. Sin embargo, la temperatura “habitual de trabajo” (condiciones:
temperatura ambiente de 20ºC y 800 W/m2) de la celda viene descrita por la NOCT, que
suele localizarse en la franja de 45ºC a 50ºC. Un panel está preparado para resistir
temperaturas de entre -40ºC y 85ºC, de modo que bajo ciertas circunstancias adversas
algunas células podrían llegar a sobrecalentarse, aspecto que veremos en detalle más
adelante.
Figura 13. Curvas I-V de una célula solar para distintas temperaturas.
En numerosos informes como [3] o [4], así como en curvas I-V se observa el hecho de
que la relación entre irradiancia y la ISC no es perfectamente lineal como se muestra en
la figura 14. Esto nos hace pensar que la eficiencia de los paneles se reduce para bajas
irradiancias. Efectivamente, la revisión de fichas técnicas confirma este hecho, aunque
se ha logrado minimizar con el tiempo. De hecho muchos fabricantes publicitan que sus
módulos rinden bien para bajas irradiancias, habiéndose encontrado fichas técnicas de
2015 de módulos que a 200 W/m2 alcanzan un 96.5% de la eficiencia respecto a la
eficiencia en condiciones estándar (1000 W/m2). Por tanto, a este efecto serán debidas
una mínima parte de las pérdidas por suciedad.
27
Figura 14. Relación entre la ISC de una celda y la irradiación que recibe. Fuente: [3].
Hablemos ahora de la configuración interna del panel. Una célula por separado
solamente es capaz de proporcionar una tensión de unas décimas de voltio, de modo
que en un panel fotovoltaico han de agruparse en serie. Esto las obliga a trabajar todas
ellas a la misma intensidad. Esa intensidad de funcionamiento la determina el inversor,
el cual continuamente y en tiempo real evalúa las distintas células y establece un punto
que optimice la producción global de la serie. Esta configuración en serie plantea dos
problemáticas principales.
La primera es que el panel es muy vulnerable a averías de células puntuales. Para
minimizar este efecto se instalan diodos de bloqueo (bypass) cada cierto número de
células, lo que permite desacoplar la producción de los distintos grupos. La figura 15
ilustra esta situación.
La segunda aparece si la intensidad de la radiación que reciben las distintas células no
es más o menos uniforme. Esto se puede deber a sombreamientos desiguales por parte
de elementos externos y, excepcionalmente, a una acumulación irregular de la suciedad,
tema que desarrollaremos en el cuerpo del trabajo. En esta situación las distintas células
tendrán curvas I-V diferentes, de modo que el punto de funcionamiento óptimo global
que establece el inversor será conveniente para algunas células pero obligará a otras a
trabajar lejos de su propio óptimo, ocasionando pérdidas. Adicionalmente, si la
desigualdad es especialmente importante, algunas células pueden sobrecalentarse al
verse obligadas a funcionar a tensiones muy bajas o incluso negativas (disipando
energía), provocando su rotura de forma prematura. Para proteger los paneles de este
proceso son válidos, nuevamente, los diodos bypass mencionados anteriormente.
28
Figura 15. Esquema eléctrico interno de un panel fotovoltaico.
1.3.2. Deposición de polvo
Debido a la temática del trabajo, es necesario definir brevemente el concepto de
suciedad y la nomenclatura utilizada. Por suciedad consideraremos las partículas de
polvo, que es un concepto genérico aplicable a toda partícula sólida con diámetro menor
a 500 μm. Queda excluida la suciedad debida a la acción eventual de seres vivos como
por ejemplo los excrementos de aves, problemática que puede adquirir relevancia en
algunos casos. Se excluye también la eventual deposición de cuerpos u objetos de mayor
tamaño, lo cual por otro lado es inusual. Como demuestran los estudios granulométricos
de los informes revisados, el tamaño habitual de las partículas depositadas no excede
de 50 μm, ubicándose la gran mayoría de partículas por debajo de los 25 μm. [5] observó
que el diámetro promedio de las partículas de polvo que recogieron era de 8.5 μm.
Asimismo, las figuras 16 y 17, procedentes de [6] y [7] respectivamente, ilustran lo dicho
anteriormente: en ellas se observa que las partículas con D < 5 μm pueden representar
una gran parte de la superficie cubierta, aunque esto lo trataremos en profundidad en
el cuerpo del trabajo.
Figura 16. Composición granulométrica de las muestras obtenidas. Fuente: [6].
29
Figura 17. Composición granulométrica de las muestras obtenidas. Fuente: [7].
La tabla 7 explica brevemente los principales mecanismos tanto de deposición como de
desprendimiento. A lo largo del trabajo observaremos que se trata de un fenómeno
enormemente complejo con multitud de variables implicadas. Añadida toda esa
información, rescataremos esta tabla ya completada para el apartado de síntesis.
Tipo de mecanismo
Deposición
Por gravedad Debido a la acción de la gravedad las partículas caen y se depositan en el panel. Es mayoritario.
Por difusión
Debido a la acción de fuerzas externas, generalmente el viento, las partículas son arrastradas y de esa forma alcanzan el panel. Minoritario.
Desprendimiento
Por viento Debido a la acción principal del viento unida a la ayuda de la gravedad, las partículas se desprenden del panel.
Por lluvia
Debido a la acción principal de la lluvia unida a la ayuda de la gravedad, las partículas se desprenden del panel.
Por gravedad Debido a la sola acción de la gravedad las partículas se desprenden del panel.
Tabla 7. Mecanismos de deposición y desprendimiento de partículas. Fuente: elaboración
propia.
También hemos de subrayar que el indicador que mejor refleja el polvo acumulado en
un panel es la densidad superficial de polvo, medida habitualmente en g/m2 o mg/cm2.
30
Es utilizado en una buena parte de los informes examinados y, de cara a investigaciones
futuras, destacar lo esencial de medir este parámetro.
Finalmente, la figura 18 refleja los niveles de concentración de polvo en el ambiente en
los distintos países del mundo y permite inferir, muy a grandes rasgos, en qué zonas del
mundo la deposición de polvo supondrá un mayor problema.
Figura 18. Mapa mundial de niveles de concentración de partículas en el ambiente (μg/m3).
Fuente: Indexmundi.
31
2. Estudio del arte
2.1. Introducción
En este capítulo se investigarán tanto las causas como las consecuencias del proceso de
acumulación de polvo en paneles fotovoltaicos mediante un examen exhaustivo de la
literatura científica relacionada con el tema de estudio. Abordaremos la problemática
desde el punto de vista de centrales industriales fotovoltaicas en lugar de los casos de
paneles fotovoltaicos de particulares.
De esta forma se indagará en los múltiples factores que afectan el fenómeno y se
evaluará la influencia de cada uno, tanto de forma cualitativa como cuantitativa, así
como la interrelación de dichos factores entre sí. Se prestará mayor importancia a
aquéllos que, a la vista de la información estudiada, sean considerados de especial
relevancia en las pérdidas de rendimiento debidas a la deposición de polvo.
No obstante, quisiera destacar que hay una serie de conclusiones y relaciones causa-
efecto derivadas de mis investigaciones que son complicadas o imposibles de optimizar
a nivel industrial por distintos motivos (escasa relevancia cuantitativa, existencia de
otros fenómenos de mayor influencia, complejidad técnica o imposibilidades logísticas).
Este conocimiento científico no será desechado ya que considero que aporta
información interesante acerca del funcionamiento de los dos fenómenos estudiados en
el presente trabajo: la deposición de polvo en los paneles fotovoltaicos y su influencia
en las pérdidas de producción de potencia. Igualmente, a menudo el conocimiento
aportado en un informe no tiene aplicación práctica en ese preciso momento pero
puede resultar de importancia con el paso del tiempo o en otro ámbito.
2.2. Factores
A continuación procedemos a analizar por separado los distintos factores cuya influencia
puede condicionar las pérdidas por suciedad de un panel fotovoltaico. La mayoría de
esos factores dependerán, principalmente, de la localización donde se ubique la planta
mientras que los restantes tendrán que ver con el diseño y configuración tecnológica de
la instalación.
2.2.1. Viento
El viento es, a priori, uno de los factores decisivos y de mayor complejidad en el
fenómeno de deposición de polvo puesto que es probable que interaccione con otros
factores. Su análisis se divide en sus dos principales parámetros: velocidad y dirección.
Hay que aclarar que en esta sección estamos excluyendo la influencia de las tormentas
de arena, fenómenos puntuales causados por rachas de viento sobre arenas sueltas en
un ambiente muy seco, que serán estudiadas en otros capítulos.
Para el estudio de este agente muchas investigaciones recurren al túnel del viento, cuya
fiabilidad es analizada en la publicación [8]. Ella afirma que, si se ajusta
32
convenientemente, se trata de una herramienta muy precisa. Para ello, midieron la
deposición de polvo en un colector solar (panel fotovoltaico con un espejo reflector a
cada lado) en distintos días y reprodujeron esas condiciones en el túnel de viento. Como
resultado obtuvieron que las simulaciones ajustaban la proporción de polvo alojada en
cada una de las tres superficies con una precisión media del 93.7% con respecto a los
experimentos sobre el terreno.
2.2.1.1. Velocidad del viento
1) INFLUENCIA DIRECTA
En primer lugar, presentamos dos informes que no observaron influencia directa de la
velocidad del viento, aunque también es cierto que no fueron exhaustivos respecto a
este factor concreto. Se trata de los estudios [9] y [10]. En [9] investigaron diariamente
las pérdidas de energía de una celda “sucia” respecto a otra idéntica que era limpiada a
diario. Paralelamente medían otros parámetros como la lluvia o el viento, y los autores
no observaron “ninguna influencia de la velocidad del viento o de su dirección en las
pérdidas”, si bien es cierto que en el informe no quedan recogidos esos datos del viento.
[10] estudió durante un año las pérdidas de transmisividad para distintas células
fotovoltaicas variando la inclinación, el recubrimiento y el ciclo de limpieza, siendo uno
de los parámetros medidos la velocidad del viento. Analizando los datos recogidos en la
figura 19 no se observa correlación alguna entre las velocidades del viento y las pérdidas
de transmisividad.
Figura 19. Datos de pérdidas de transmisividad y velocidad del viento. Fuente: [10].
Sin embargo, como demuestra la publicación [3], la influencia de este factor es innegable
(ver figura 20). Se trata de un estudio realizado en el túnel de viento que analiza el
comportamiento para distintas velocidades del viento. Los resultados plasman que
conforme aumenta la velocidad del viento también aumentan las pérdidas de forma
relevante. Esto es debido a que se acumula polvo de forma más rápida debido a un
fuerte incremento de la deposición debida al mecanismo de difusión. Destacar también
33
que, a medida que aumenta la velocidad del viento, este efecto de aumento de pérdidas
se atenúa (véase que las líneas están cada vez más próximas siendo los intervalos de la
velocidad de viento constantes). En este caso es complicado extrapolar
cuantitativamente los resultados al tratarse de experimentos de túnel de viento. No
obstante, la tendencia cualitativa es lo relevante.
Figura 20. Curvas, para diferentes concentraciones de partículas, de la potencia respecto a la
máxima del panel en función del tiempo de acumulación (izquierda) y de la densidad de
suciedad acumulada (derecha). Fuente: [3].
Ejemplos de otras publicaciones que avalan la relación entre una mayor deposición de
polvo con mayores velocidades de viento son [11], [8] o [12] (siendo estas dos últimas
basadas en experimentos en túnel de viento).
El estudio [3] también descubre otro efecto cualitativo interesante (figura 20, gráfica
derecha): para una misma cantidad de polvo depositado las pérdidas son ligeramente
mayores mientras más elevada sea la velocidad del viento que ha formado esa capa.
Esto es debido a que a bajas velocidades de viento se forma una capa de polvo más
homogénea en la que las partículas apenas se superponen entre ellas, sombreando de
forma más efectiva el panel. Otra explicación que estimo, aunque de menor peso, es
que la granulometría de partículas suspendidas y sedimentadas a mayores velocidades
de viento contiene mayor proporción de partículas gruesas, las cuales sombrean menos
eficientemente el panel (ver capítulo 2.2.7). No obstante y como se observa en la gráfica,
hay que destacar que, cuantitativamente, se trata de un fenómeno cuya incidencia en
las pérdidas es irrelevante.
Son de enorme relevancia los resultados de [13] (ver figuras 21 y 22). En ellos se
establece una dependencia lineal entre la concentración de partículas en el ambiente y
la deposición de polvo. Pero lo que nos interesa ahora es que la pendiente de esa
relación lineal es el doble durante la noche que durante el día (mnoche = 0.08; mdía = 0.04).
Esta mayor tasa de deposición es achacada en el estudio a que durante la noche la
intensidad del viento era en torno a un 40% menor. Estos resultados apuntan que
34
vientos intensos entorpecen el mecanismo de deposición por gravedad y que éste es
predominante respecto al de difusión.
Figura 21. Relación entre la concentración de partículas en el ambiente y la densidad de polvo
acumulada (día). Fuente: [13].
Figura 22. Relación entre la concentración de partículas en el ambiente y la densidad de polvo
acumulada (noche). Fuente: [13].
En la misma línea, el informe [14] comenta la menor eficiencia de deposición de todo
tipo de partículas conforme aumenta la velocidad del viento debido a la “suspensión
continua de las partículas”.
2) INFLUENCIA INDIRECTA
Humedad
Si bien en la literatura se da por hecho que si aumenta la velocidad del viento se reduce
la humedad en la superficie del panel solar, no se han encontrado informes
35
experimentales que apoyen la afirmación. En cualquier caso, y como se detalla en el
capítulo 2.2.2, la influencia de la humedad en la deposición de polvo no está
suficientemente investigada y, en caso de existir, sería de baja magnitud.
Conclusión: se considera irrelevante esta interrelación.
Tamaño de partícula
En 1980 se publicó el estudio [15], el cual apunta una tendencia que parece lógica:
mayores velocidades de viento favorecen la proporción de partículas gruesas
sedimentadas ya que son capaces de levantar y esparcir esas partículas gruesas.
Llevaron a cabo un experimento en el túnel de viento en el que expusieron espejos
idénticos a vientos de 20 (espejo A) y 25 (espejo B) millas por hora. El espejo A mostró
“un incremento significativo en la proporción de partículas por debajo de 5 µm de radio”
con respecto al espejo B. Además, para partículas con radio menor a 1 y 10 µm los ratios
de densidad de partículas espejo A / espejo B eran de 3.1 y 1.3 respectivamente.
En la misma línea, [13] refleja que las partículas depositadas por la noche eran
significativamente más gruesas que las depositadas por el día (ver tabla 8). Esto lo
achaco a la menor intensidad del viento documentada durante la noche. Por su parte,
[16] comenta que “mayores velocidades de viento provocan mayores proporciones de
partículas gruesas respecto a finas”, si bien el contexto de esta afirmación es el ámbito
de las tormentas de arena.
Momento del día Diámetro de partícula depositado promedio
(µm)
Día 35 a 39
Noche 31 a 35
Tabla 8. Tamaño promedio de las partículas depositadas según el momento del día. Fuente:
[13].
Por otro lado, [17] señala, citando a [18], que vientos de elevada intensidad también
ayudan a desprender las partículas de suciedad, especialmente las de mayor tamaño ya
que las fuerzas de extracción son proporcionales a D2 mientras que las de adhesión lo
son a D. Otros estudios, como por ejemplo [19] o [20], también afirman que el viento
también es responsable del desalojo de polvo del panel.
Esta tendencia se confirma en [14], un estudio realizado en el túnel de viento que analiza
la eficiencia de un colector de polvo, definida como la cantidad de polvo depositado
relativa a una superficie de agua que, teóricamente, capta todas las partículas que llegan
a ella. Hicieron ensayos para distintas velocidades de viento e inclinaciones (figura 23),
y comprobaron que, para todas ellas, a menor tamaño de partícula mayor era la
probabilidad de que se deposite. Esta tendencia se mantiene hasta los 20 o 40 μm,
momento en que se alcanza el “tamaño límite”, el cual depende de la velocidad del
viento y la inclinación del panel del experimento (mecanismos de
deposición/desprendimiento). Para partículas más gruesas que ese tamaño límite la
36
deposición de polvo es independiente del tamaño de partícula. Todo este fenómeno se
basa en que el viento desaloja con mayor facilidad las partículas gruesas, ya que,
mientras mayor sea su intensidad, menor será el tamaño para que la partícula sea
“suficientemente gruesa” para ser desalojada [21].
Figura 23. Eficiencias de un colector de polvo según el ángulo de inclinación y la velocidad del
viento. Fuente: [14].
Conclusión: los fuertes vientos, por un lado levantan partículas más gruesas y favorecen
su deposición, pero por el otro colaboran activamente en el desalojo de partículas,
especialmente de las más gruesas. El primer efecto parece de mayor relevancia, sin
embargo y a pesar de que aún habría que determinar cuantitativamente el fenómeno,
no hay indicios de que pueda tener relevancia real.
Concentración de polvo en el ambiente
Por un lado, la tabla 9 presenta resultados obtenidos en el estudio [8] que indican una
correlación débil pero existente entre velocidad del viento y concentración de polvo en
el ambiente, aunque se trata solamente de cinco mediciones aisladas.
37
Los registros diarios de velocidad media del viento y concentración de partículas en el
ambiente tomados en [13] vienen recogidos en la figura 24, separados en día y noche.
En las gráficas no se observa ninguna correlación directa clara, sino que ésta es muy
débil, si es que se considera existente. Sin embargo, sí que existe una correlación directa
entre los días de concentraciones muy elevadas con tormentas de arena debidas a
rachas fortísimas de viento.
Velocidad media del viento a 3.5 m de altura (m/s)
Concentración media de polvo (µg/m3)
7.0 832
3.1 156
4.4 104
5.4 511
3.0 91
Tabla 9. Datos de concentración de partículas y velocidad de viento. Fuente: [8].
Figura 24. Relación entre la concentración de partículas en el ambiente y la velocidad del
viento por el día (izquierda) y por la noche (derecha). Fuente: [13].
Conclusión: esta interrelación no queda aclarada ya que los informes estudiados
apuntarían que no es tan obvia como podría pensarse pero tampoco es inexistente y
hace necesario mayor investigación sobre el tema para llegar a conclusiones
inequívocas.
Inclinación del panel
El estudio [20] afirma que el viento es responsable de las menores acumulaciones de
polvo para paneles a altas inclinaciones. Sin embargo, y como ya veremos en el capítulo
38
2.2.6, hay una gran cantidad de estudios que reflejan esta tendencia
independientemente de la velocidad del viento.
Conclusión: la interrelación no es significativa.
Orientación del viento respecto al panel
No se ha detectado ninguna interrelación entre la velocidad del viento y su orientación.
CONCLUSIONES
Como cabía esperar, la velocidad del viento ofrece una complejidad máxima, muy por
encima del resto de factores debido a que conlleva interacciones con muchos de ellos.
De hecho, el análisis de los estudios presentados no permite establecer ningún tipo de
correlación directa y constante bajo todo tipo de situaciones entre esa velocidad del
viento y las pérdidas o polvo depositado. Sin embargo sí se han recogido estudios que
apuntan ciertas tendencias por separado, algunas de ellas contrapuestas:
1) Una mayor intensidad del viento favorece el mecanismo de deposición por
difusión, pero entorpece a la vez el de gravedad, el cual es predominante.
2) Se observa una relación muy escasa entre este factor y la concentración de
partículas en el ambiente. Esto es muy importante debido a la relevancia de esta
última en la deposición de suciedad. Si a ello le añadimos la escasez de informes
en que nos basamos y las citas leídas en la literatura apuntando a una relación
más evidente, que además parece lógica, se antoja imprescindible acometer
investigaciones más profundas en este campo en el que puede estar la clave.
3) A pesar de que no se han demostrado consecuencias cuantitativas relevantes,
también se comentan las complejísimas y fascinantes relaciones con el tamaño
de partícula. Por un lado, vientos de mayor intensidad provocan la deposición de
partículas más gruesas debido a que crean una mayor concentración de éstas en
el ambiente. Por el otro, ayudan a que una partícula fina se deposite. Esto se
debe a que el viento en sí mismo favorece la deposición de partículas,
especialmente las finas, al ser transportadas más fácilmente y mejorar el
mecanismo de deposición por difusión. Además, entorpecen el mecanismo por
gravedad en el que se depositan partículas más gruesas. Y a todo esto hay que
unir que ayudan a desprender partículas con mayor facilidad mientras más
gruesas sean.
4) No se han encontrado datos que muestren algún tipo de influencia de la
intensidad del viento a través de la humedad, inclinación del panel o dirección
del mismo.
Por tanto no ha sido posible confirmar una tendencia genérica según sea mayor o menor
la intensidad del viento en una zona a lo largo del año. Pienso que esto se debe a la
contraposición de los dos posibles efectos principales: vientos más intensos podrían
ayudan a levantar más polvo en el ambiente pero son desfavorables de cara a la
39
deposición por el mecanismo gravitatorio, de modo que un estudio más profundo de
estos efectos (el primero de ellos aún por aclarar) permitirá la obtención de información
más concluyente.
2.2.1.2. Orientación del viento con respecto al panel
En principio parece razonable pensar que, en cuanto a la deposición de polvo en un
panel, la orientación del viento tendrá algún tipo de influencia por mínima que sea. Hay
una serie de estudios que arrojan algo de luz sobre este fenómeno, los cuales
procedemos a analizar a continuación.
En [22] los autores dispusieron grupos de espejos orientados hacia noroeste (NO),
noreste (NE), sureste (SE) y suroeste (SO) y midieron la transmisividad de esos espejos
cada diez días aproximadamente. Teniendo en cuenta que durante la primera etapa del
experimento los datos meteorológicos indican un predominio muy claro de los vientos
procedentes del SE, presentaron los resultados promedio de esa etapa (figura 25). En la
gráfica se observa claramente cómo el grupo de espejos en los que el viento incide de
cara al espejo (orientación SE) son siempre los que mayor transmisividad presentan (y
por tanto acumulan menos polvo), mientras que los dispuestos de espaldas (orientación
NO) son siempre los que tienen menor transmisividad y acumulan más polvo.
Figura 25. Transmisividad de los espejos en función de la dirección del viento. Fuente: [22].
Por tanto, se podría inferir que cuando el viento incide de forma directa en el panel se
deposita menor cantidad de polvo. No obstante, en el informe los autores se muestran
cautelosos y plantean una explicación del fenómeno. Según esta teoría, sintetizada en
la figura 26, cuando el viento incide de cara la acumulación de polvo es mayor que si el
viento incide de espaldas (tendencia opuesta a la obtenida experimentalmente).
40
Achacan los resultados obtenidos a la lluvia, cuyo efecto de limpieza, plantean, es mucho
mayor cuando el viento incide de cara al panel.
Figura 26. Esquema de la acumulación de polvo en función de la dirección del viento y la lluvia.
Fuente: [22].
Relacionado con este tema cabe destacar que el estudio [19] comenta que “cuando
hubo lluvias de 1 mm o menores sin viento, los efectos de la suciedad se agravaron”.
El estudio [23] midió la acumulación de polvo en paneles a distintas orientaciones y,
paralelamente, registró que los vientos procedentes del NE y del N soplaron más del
50% del tiempo. Analizando la figura 27 se observa que, en líneas generales, la
acumulación de polvo cuando el viento incide de cara (orientación NE) alcanza un
máximo y disminuye poco a poco hasta que es mínima para la orientación opuesta
(orientación S y SE), aunque las diferencias son limitadas. Además, esta tendencia es
clara para altas inclinaciones del panel (60º, 75º o 90º) pero no existe para las bajas (15º
y 30º), que son las más habituales (ver sección 1.3.1.1). Esto es lógico puesto que
mientras menor es la inclinación menor será la componente perpendicular del viento
con respecto al panel. Destacar que el experimento se llevó a cabo en un lugar con un
nivel de lluvias ínfimo (apenas 18 mm al año), de modo que el efecto comentado
anteriormente no pudo tener lugar.
Figura 27. Densidad de polvo depositado en función de la dirección del viento e inclinación del
panel. Fuente: [23].
41
En el estudio [8], realizado en el túnel de viento, también se observa la relación entre
que el viento incida de cara al panel con una mayor deposición de polvo. Como se
observa en la figura 28, en los casos “b”, “c” y “d” el viento procedía del oeste en mayor
o menor medida. Para todos ellos, la deposición de polvo es mayor cuando el panel está
inclinado hacia el oeste (después del mediodía) que hacia el este (antes del mediodía).
La tendencia es aún más marcada en el caso “c”, cuando la componente del viento
procedente del oeste es mayor. En el caso “a” el viento sopla del norte y por ello la
gráfica es simétrica con respecto a la posición centrada del panel.
Figura 28. Eficacia de la deposición de polvo en función del viento e inclinación de las muestras.
Fuente: [8].
CONCLUSIONES
En cuanto a la orientación del viento con respecto al panel, todos los estudios analizados
apuntan a la teoría planteada en [22], según la cual cuando el viento incide de cara en
la superficie del panel la deposición de polvo es máxima y cuando incide de espaldas es
mínima, habiendo una evolución gradual de la curva. Todo ello siempre que no haya
lluvia. En caso de que ésta se produzca su efecto limpiador se ve favorecido con el viento
de cara, invirtiéndose los resultados.
Se trata de un fenómeno cuya intervención puede representar una variación de las
pérdidas por suciedad de hasta un 1%. Destacar también que estas cifras serán incluso
más reducidas conforme disminuimos la inclinación del panel, ya que se atenúa la
42
componente directa del viento. Teniendo en cuenta además que la mayoría de
instalaciones solares se instalan a menos de 45º, concluimos que su relevancia es escasa
pero no nula.
A la hora de diseñar la orientación del panel la influencia de la deposición de polvo por
este motivo será irrelevante ya que, como vimos en la sección 1.3.1.1, los paneles
siempre se orientan hacia el sur en el hemisferio norte y viceversa para optimizar la
irradiancia recibida del sol. En todo caso, habría que analizar si puede merecer la pena
priorizar, dentro de una región, ubicaciones donde predominen vientos en la dirección
favorable.
2.2.2. Humedad relativa
En primer lugar, quisiera aclarar que la potencia producida por el panel se puede ver
afectada por la humedad de forma directa (absorción, dispersión o reflexión de los rayos
por las moléculas de vapor) o indirecta a través de la deposición de polvo, la cual es
nuestro objeto de estudio. No hay que confundirlas: la influencia directa parece gozar
de mayor importancia y ha sido estudiada en varias publicaciones mientras que apenas
se han encontrado estudios que investiguen la deposición de polvo debida a la humedad
ambiental. Esto se debe, en mi opinión, a que la influencia es aparentemente
insignificante.
Muchos estudios dan por supuesta la relación directa entre humedad y deposición de
polvo en los paneles, la cual, en principio, parece lógica. Sin embargo no aportan
experimentos ni citan estudios para apoyar esas afirmaciones. Ejemplo de ello es [23],
donde podemos leer que “la humedad favorece la condensación de gotas, la cual ayuda
al polvo a depositarse”. Otros estudios citan esta publicación y hacen suyas estas
palabras, aunque en ninguno de los casos vienen respaldadas por estudios empíricos.
[24] intentó arrojar luz sobre este asunto y comparó los promedios de pérdidas por
suciedad y de humedad, tanto a nivel diario como mensual (figura 29 y tabla 10
respectivamente). A pesar de las conclusiones que extraen los autores, quienes ven una
relación clara entre humedad y polvo depositado, opino que las gráficas no muestran
ninguna tendencia y que más bien nos llevan a la siguiente disyuntiva: o no hay relación
alguna o la hay pero queda desvirtuada por otros factores mucho más decisivos.
Asimismo [10] midió durante un año, entre otros parámetros, la humedad relativa y las
pérdidas por suciedad sin que se observe ningún tipo de correlación.
43
Figura 29. Comparación diaria entre pérdidas por suciedad y humedad. Fuente: [24].
Mes Humedad
relativa (%) Pérdidas por suciedad (%)
Abril 2010 38.5 11.5
Mayo 2010 31.5 24.7
Junio 2010 29.5 6.7
Julio 2010 31.5 11.3
Agosto 2010 30.0 10.0
Tabla 10. Comparación mensual entre pérdidas por suciedad y humedad. Fuente: [24].
También resulta de interés el estudio [25], realizado en Zúrich (altísimas
precipitaciones), según el cual los altos niveles de humedad prolongados en el tiempo
provocaron el desarrollo de organismos biológicos en los límites del marco que,
ulteriormente, ayudaron a la retención de polvo.
CONCLUSIONES
Son necesarios estudios de laboratorio para esclarecer la posible influencia de la
humedad aunque todo apunta a que, si existe, ésta sería despreciable.
2.2.3. Concentración de partículas en el ambiente
Al igual que sucedía con la humedad relativa, la concentración de partículas en
suspensión en el ambiente puede influir negativamente en la producción de los paneles
tanto de forma directa (absorción o reflexión de los rayos solares) como indirecta (a
través de la deposición de esas partículas en el panel). Esta investigación abordará
solamente este último fenómeno, respecto al cual se han encontrado pocos informes
que lo aíslen aunque son muy reveladores.
44
La publicación [3] recoge el resultado de sus experimentos en el túnel de viento. En ellos
comparan la potencia producida por el panel en función del tiempo para distintas
concentraciones de partículas a una misma velocidad de viento (ver figura 30). La gráfica
refleja una dependencia clara entre la concentración de partículas y la deposición de
polvo en el panel (medida a través de la pérdida de potencia). Esta dependencia sería
aproximadamente lineal, analizando la forma de las gráficas y el paso casi homogéneo
entre unas y otras concentraciones. A pesar de que las concentraciones utilizadas son
muy elevadas para lo que es habitual en nuestro planeta, la tendencia cualitativa
apuntada sigue siendo válida. Finalmente, mencionar que también analizaron si en estos
casos influía el tipo de capa que se formaba con distintas concentraciones de partículas,
siendo negativo el resultado.
Figura 30. Curvas, para diferentes concentraciones de partículas, de la potencia respecto a la
máxima del panel en función del tiempo de acumulación. Fuente: [3].
El informe [13], en esta ocasión un estudio de campo, apunta la misma tendencia.
Realizado a lo largo de dos años en el desierto del Néguev (Israel), se trata de un
detallado informe de principios de los noventa que investiga todo lo relacionado con el
polvo. Comparando las medias mensuales de concentración de partículas con el polvo
depositado en los acumuladores obtuvieron las rectas de regresión lineal de las figuras
31 y 32. La dispersión es bastante elevada, especialmente durante la noche (Rdía = 0.77
y Rnoche = 0.57). Esto puede deberse a la manera aleatoria en que influyen el resto de
factores; en cualquier caso, la tendencia resulta innegable.
Es destacable también que, durante la noche, la pendiente de la recta es exactamente
el doble que durante el día (mnoche = 0.08; mdía = 0.04). Esta mayor tasa de acumulación
parece ser debida a que la intensidad del viento registrada por la noche, alrededor de
un 40% más suave, favorece el mecanismo de deposición por gravedad, que es el
mayoritario.
45
Figura 31. Relación entre la concentración de partículas en el ambiente y la densidad de polvo
acumulada (día). Fuente: [13].
Figura 32. Relación entre la concentración de partículas en el ambiente y la densidad de polvo
acumulada (noche). Fuente: [13].
El efecto de la velocidad del viento en los niveles de concentración de partículas ya fue
analizada en el capítulo 2.2.1.
Con respecto a la altura y basándome en el informe [10], concluyo que, a pesar de que
“la concentración de partículas disminuye exponencialmente con la altura” ([17]), no es
una buena idea elevar los paneles fotovoltaicos por una serie de motivos. En primer
lugar, se requerirían cimentaciones y estructuras mucho más resistentes debido a las
fuertes rachas de viento. Además, se complicarían las tareas de mantenimiento y
limpieza. Por último, las tormentas de arena (para localizaciones desérticas) seguirían
influyendo y provocando concentraciones muy elevadas de tipo puntual. Por todo ello
no se han encontrado estudios ni centrales solares en los cuales se dispongan los paneles
a varios metros del suelo.
Respecto a la dependencia con el lugar, a la hora de diseñar una instalación fotovoltaica
lo idóneo sería tener datos de concentración de partículas. Si no se disponen, en
términos generales habrá que prestar especial atención a la proximidad con los focos de
46
emisión de partículas como son fábricas y coches (zonas rurales) o con terrenos
desérticos o en los que se levante polvo con facilidad (zonas rurales).
CONCLUSIONES
Basándonos en las publicaciones [3] y [13], que realizan estudios en laboratorio y de
campo respectivamente, consideramos probada la influencia de la concentración de
partículas en el ambiente de cara a la deposición de polvo. Los resultados apuntan a que
esta dependencia es de tipo lineal: 𝑦 = 𝑚𝑥 + 𝑏 donde “m” dependería principalmente
de la velocidad del viento, ya que valores bajos de este parámetro facilitan el mecanismo
de deposición por gravedad, que es el principal. Por tanto, la concentración de partículas
tendrá una relevante importancia cuantitativa: tenerlo en cuenta a la hora de diseñar el
emplazamiento de una central fotovoltaica es recomendable.
También concluimos que no tiene sentido elevar los paneles fotovoltaicos buscando la
menor concentración de partículas debida a la altura, ya que se originarían graves
inconvenientes y pérdidas por otros motivos que dejarían un balance negativo.
2.2.4. Longitud de onda
En este apartado analizaremos si la suciedad depositada en los paneles afecta de igual
forma a las diferentes longitudes de onda de los rayos incidentes dentro del espectro
solar aprovechado por los paneles fotovoltaicos.
Para ello es clave el moderno y exhaustivo informe [7] puesto que centró la investigación
en este tema. Recogieron muestras de polvo durante 30 días al exterior en Kuwait para,
posteriormente, depositar distintas cantidades en vidrios que simularían los paneles y
evaluar su transmisividad a lo largo del espectro. La granulometría de las muestras de
polvo obtenidas se detalla en la figura 33.
Figura 33. Composición granulométrica de las muestras obtenidas. Fuente: [7].
El análisis espectral se centra en la franja en la que trabajan los paneles solares (300 a
1200 nm). Sus resultados se muestran en la figura 34 y presentan una tendencia
generalizada: la suciedad reduce en mayor medida la transmisividad para bajas
47
longitudes de onda (300 a 570 nm) que para elevadas longitudes de onda (λ > 800 nm).
Se puede observar cómo para bajas cantidades de polvo depositado (1.2 mg/cm2) esta
tendencia no es muy marcada (diferencia de transmisividad entre bajas y altas
longitudes de onda menor del 10%). Sin embargo, a partir de 4 mg/cm2 adquiere mayor
importancia y las diferencias alcanzan el 20-25%. Esta diferencia vuelve a decaer, pero
solamente para cantidades de polvo depositado bestiales (30.9 mg/cm2). Finalmente,
comentar que las dos pequeñas discontinuidades que presentan las curvas para 350 y
800 nm obedecen a aspectos técnicos del espectrómetro y no repercute en la precisión
de las mediciones en el resto de las mismas.
Figura 34. Transimisividad de las muestras según la longitud de onda y densidad de polvo
depositada. Fuente: [7].
Con el fin de aclarar esta tendencia, realizaron un modelo en MATLAB y ejecutaron
simulaciones para distintos tamaños de partícula. En el modelo consideraron la suciedad
como partículas esféricas y utilizaron la teoría de Mie para resolver la dispersión de la
radiación al incidir en ellas. A pesar de las limitaciones e imperfecciones del
procedimiento, el resultado es esclarecedor (ver figura 35): sugiere que son las
partículas de muy pequeño tamaño (D = 1 µm), cuyos valores de transmisividad varían
mucho a lo largo del espectro, las culpables del resultado comentado en el párrafo
previo. Para diámetros de partícula de 6 µm la transmisividad permanece prácticamente
constante a lo largo del espectro.
48
Figura 35. Simulación de la transimisividad en función de la longitud de onda y el tamaño de
partícula. Fuente: [7].
La explicación de este comportamiento reside en que, para un rayo solar puntual será
más complicado filtrarse a través del pequeño hueco que hay entre dos partículas
mientras mayor sea la frecuencia asociada, o lo que es lo mismo, menor sea la longitud
de onda. Como se explica visualmente en la figura 36, altas frecuencias hacen que el
rayo oscile muy rápidamente entre las amplitudes extremas, aumentando las opciones
de que choque con una de las partículas en su intento de penetrar por la rendija abierta.
Esta dificultad aparece cuando el orden de magnitud de la longitud de onda es similar al
del tamaño de partícula (y por tanto del hueco). Es por ello que, de forma aproximada,
en la simulación se observa el cambio de tendencia a partir de diámetros de partícula
menores de 5 µm.
Figura 36. Comportamiento de una onda cuando alcanza una rendija. Fuente: elaboración
propia.
49
Este razonamiento también explicaría por qué tanto para muy bajas como muy altas
cantidades de polvo acumulado disminuye la dependencia con la longitud de onda. Por
un lado, cuando hay muy pocas partículas depositadas, éstas se encuentran demasiado
dispersas y apenas se forman rendijas entre partículas muy próximas. Por el otro,
cuando hay grandes cantidades tampoco hay apenas lugar para esas rendijas ya que el
panel queda cubierto prácticamente por completo.
Todo esto implicaría que las distintas tecnologías de paneles solares se verán afectadas
en mayor o menor medida en función del ancho banda espectral en que trabajen y su
respuesta espectral. Aquellas que basan el grueso de su producción eléctrica en
longitudes de onda de entre 300 y 800 nm se verán afectadas en mayor medida por la
acumulación de partículas, especialmente por aquellas de muy pequeño tamaño (D< 5
µm). Efectivamente, las respuestas espectrales de la figura 37 (a simple vista es difícil
apreciarlo) y los resultados de laboratorio de la tabla 11 lo confirman, de modo que las
tecnologías que trabajan a menores longitudes de onda (a-Si y CdTe) tienen asociadas
mayores pérdidas en proporción. Para los niveles de polvo que pueden darse en la
realidad las pérdidas totales por suciedad podrían llegar a variar entre una tecnología y
otra hasta un 3%.
Figura 37. Respuestas espectrales de distintas tecnologías para diferentes densidades de
suciedad. Fuente: [7].
Densidad de suciedad (mg cm-2)
Pérdidas por suciedad (%)
Tecnología fotovoltaica
a-Si CIGS CdTe c-Si
1.2 10.8 9.1 9.7 9.1
4.25 33.0 28.5 30.1 28.6
14 66.0 59.6 61.9 59.6
19 77.4 70.6 73.1 70.6
30 98.4 97.8 98.1 97.8
Tabla 11. Pérdidas según la tecnología y la densidad de suciedad. Fuente: [7].
Incluimos debajo de estas líneas la figura 38. Al igual que la anterior, muestra respuestas
espectrales de distintas tecnologías, pero se trata de una elaboración más reciente
50
(2014) que además incluye otras tecnologías. De ella podríamos deducir que las
tecnologías CIS/CIGS y CdS/CuInGaSSe son las más robustas frente al problema de la
suciedad, el silicio cristalino (poli o mono) ofrece prestaciones intermedias mientras que
el CdS/CdTe es la tecnología más vulnerable. No aparece el a-Si aunque, probablemente
y como indicaba [7], también será de las peores tecnologías desde este punto de vista.
Figura 38. Respuestas espectrales de varias tecnologías. Fuente: AR St. Univ. y TÜV Rheinland.
Finalmente, apoyando estos resultados nos encontramos con la publicación [26], cuyo
estudio de laboratorio cumple con lo apuntado por [7] (ver figura 39), si bien se trata de
un estudio mucho más antiguo y modesto realizado sólo para dos longitudes de onda.
Figura 39. Pérdidas según la densidad de polvo depositada para distintas longitudes de onda.
Fuente: [26] (elaboración: [17]).
CONCLUSIONES
A tenor de lo expuesto, la suciedad afecta en mayor medida la zona del espectro de
bajas longitudes de onda, desigualdad que puede alcanzar el 25% respecto a las zonas
51
de altas longitudes de onda. Este efecto, que parece ser debido principalmente a las
partículas pequeñas (D < 5 µm), provoca que los paneles solares cuyas celdas trabajan
en franjas de menor longitud de onda sean más sensibles a la suciedad y puedan
acarrear pérdidas por suciedad de hasta un 3% mayores.
2.2.5. Ángulo de Incidencia
Con respecto al ángulo de incidencia (AOI), al igual que con otros factores, hay que
aclarar que tiene incidencia en la producción energética de los paneles solares aun
estando éstos perfectamente limpios, ya que la radiación que llega a las células
fotovoltaicas se reduce mientras mayor es el AOI. Esto se debe a motivos geométricos y
a que la reflexión y absorción de los recubrimientos de la célula aumentan con el AOI.
Sin embargo, el objetivo de este capítulo es examinar la influencia de ese ángulo de
incidencia en las pérdidas debidas a la suciedad.
Esta fue una de las cuestiones en que se centró el estudio [9], el cual comparó durante
un año los valores de irradiancia que recibía una célula sucia con respecto a otra que se
limpiaba a diario. Los resultados de cinco días distintos (ver figura 40) muestran una
clara dependencia de las pérdidas por suciedad con el AOI. Éstas aumentan muy poco
en el intervalo de 0º a 30º, momento a partir del cual inician un ascenso considerable
hasta llegar a un máximo alrededor de los 75º para volver a decaer en el tramo final
hasta los 90º. En ese máximo de las pérdidas (incidencia de 75º) su valor es de en torno
al doble que en el mínimo (incidencia de 0º), de forma que para dos niveles distintos de
suciedad se pasa del 18% al 30% o del 3% al 6% de pérdidas según el AOI.
Figura 40. Pérdidas en función del AOI para distintos niveles de suciedad. Fuente: [9].
52
Figura 41. La sombra proyectada por una partícula aumenta con el AOI. Fuente: [5].
Las razones por las cuales se agravan las pérdidas para elevados AOI son sencillas y
puramente geométricas. Tal y como explica la figura 41, la sombra que proyecta una
partícula depositada será más amplia mientras mayor sea el AOI.
Sin embargo, este motivo por sí solo no explica completamente la forma de las curvas,
ya que las pérdidas nunca deberían dejar de aumentar hasta llegar a los 90º. Los autores
del estudio plantearon que era debido a la componente difusa de la radiación (ver
sección 1.3.1.1): al proceder de todas las direcciones por igual, sus pérdidas son
constantes, eliminándose la dependencia con el AOI. Para muy bajos AOI la difusa
conlleva mayores pérdidas, mientras que para altos AOI sucede al contrario. Como
vimos, la componente difusa puede representar desde un 15-25% (día completamente
soleado) hasta llegar casi al 100% en día plenamente nublado. Además, la componente
difusa también depende del AOI, siendo mucho más importante su proporción para
elevados valores del mismo (amanecer y atardecer), lo cual resulta intuitivo.
Para demostrar esta hipótesis llevaron a cabo una simulación con un programa
especializado (ver figura 42). La curva punteada muestra los resultados obviando la
componente difusa (sólo directa), y, como era esperable, las pérdidas siempre van en
aumento al depender del seno del AOI la sombra proyectada. Los puntos representan
los valores experimentales obtenidos, los cuales no se ajustan a esta curva anterior.
Finalmente, al introducir un 23% de componente difusa en la simulación, se consigue la
curva continua que ajusta perfectamente la realidad, excepto para el tramo final de 80º
a 90º en el que la radiación difusa adquiere aún mayor importancia como explicamos
anteriormente. Quedan, por tanto, confirmados los planteamientos propuestos.
53
Figura 42. Pérdidas en función del AOI: simulación con un 0% de componente difusa (línea
discontinua), simulación con un 23% de componente difusa (línea continua), datos
experimentales (puntos). Fuente: [9].
En último lugar y antes de concluir el análisis de este estudio, quisiera volver a la figura
40 para explicar un aspecto de la misma: el desdoblamiento de las curvas en dos ramas
para elevados AOI. Esto se debe a que la componente difusa adquiere mayor
importancia durante el atardecer con respecto al amanecer, aunque los autores no
aclaran si esto sucede para todo tipo de lugares geográficos o épocas del año.
El resto de informes examinados son coherentes con los planteamientos expuestos
anteriormente. De esta forma, [27] o [28] estudian en profundidad las pérdidas
angulares y en sus modelos añaden un coeficiente dependiente de la suciedad que
agrava el valor de esas pérdidas. Esta misma tendencia también se observa en los
resultados experimentales obtenidos por [29] y mostrados en la figura 43.
Otros ejemplos son las publicaciones [30] y [31]. En ambos casos (figuras 44 y 45), las
gráficas muestran las irradiancias recibidas por los paneles limpio/sucio según la hora
del día (el AOI es 0º para las 12 h y aumenta hacia ambos lados). Se ve cómo las pérdidas
son proporcionalmente mayores para valores superiores del AOI (25% a las 12h y 50% a
las 8h, [30]).
54
Figura 43. Pérdidas en función de la densidad de polvo depositada y el AOI. Fuente: [29].
Figura 44. Potencia de un panel en función del momento del día (AOI): panel limpio (azul),
después de dos meses (marrón), después de un año (rojo). Fuente: [30].
55
Figura 45. Irradiación captada según el momento del día (AOI): línea discontinua (piranómetro
limpio), líneas continuas (paneles sucios). Fuente: [31].
Finalmente, comentar que, en los casos de paneles fijos, las pérdidas por AOI señaladas
dependen, en pequeña medida, de su ángulo de inclinación, siendo mínimas cuando
éste equivale a la latitud y aumentando conforme se aleja. En cualquier caso no se trata
de algo relevante a la hora de elegir la inclinación de un panel como veremos en las
conclusiones del capítulo 2.2.6.
CONCLUSIONES
Tras el análisis de la literatura científica, damos plena validez a la dependencia de las
pérdidas debidas a la suciedad con el AOI de la manera que sugieren las curvas de la
figura 40. Los fenómenos de proyección de sombras y radiación difusa explican la forma
de éstas curvas, que alcanzan su máximo para valores de 75º, punto en que las pérdidas
por suciedad valen el doble respecto a su valor mínimo a 0º de incidencia. Finalmente,
destacar que ese fenómeno de radiación difusa elimina o reduce en gran medida la
dependencia con el AOI en días nublados.
Por tanto, el AOI es un factor determinante de cara a las pérdidas por suciedad. Sus
consecuencias afectan básicamente a aquellas instalaciones que coloquen paneles fijos.
Éstas se agravarán conforme nos alejamos del ecuador y mayor sea la latitud en
términos absolutos y conforme el ángulo de inclinación se aleje de esa latitud. Ambas
razones se deben a que sobrevendrá una mayor variación del AOI a lo largo del año. A
nivel cuantitativo, calculo que las pérdidas se pueden incrementar entre un 20% y un
35% respecto a los valores a una incidencia perpendicular (a 0º).
Así, por un lado tenemos la evidente solución de mantener limpios los paneles. La otra
opción consistiría en la instalación de seguidores, lo cual reduciría casi por completo esta
problemática al ajustar el AOI a 0º aproximadamente en todo momento.
56
2.2.6. Inclinación del panel
Con respecto a la influencia del ángulo de inclinación de los módulos solares (β) se ha
encontrado cierta unanimidad por parte de la comunidad científica, ya que hay múltiples
estudios al aire libre que reflejan que mientras mayor es esta inclinación menos cantidad
de polvo se adhiere al panel. Esto se debe a dos motivos principales. Primeramente al
efecto de la gravedad: la inclinación dificulta la adhesión de las partículas y favorece el
potencial desprendimiento de una ya adherida. Adicionalmente, con la inclinación se
reduce el área de la proyección del panel sobre el plano horizontal, que es el área
efectiva (Aef) de cara a la deposición por gravedad (mecanismo principal).
𝐴𝑒𝑓 = 𝐴𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 · cos 𝛽
A continuación la tabla 12 sintetiza el contenido respecto a este tema de los estudios
examinados. Lo principal es que ratifican la tesis inicial planteada según la cual mayor
ángulo conlleva menos polvo adherido. Además, se observa en [19] y [23], y en otros
estudios en menor medida, el hecho de que los saltos de pérdidas son mayores tanto de
0º al siguiente ángulo como de 90º al ángulo precedente, probablemente debido a la
ausencia de fuerzas de desprendimiento en el panel horizontal y de fuerzas de adhesión
para el panel vertical.
Estudio Parámetro
medido Resultados
Cumple con la tesis inicial
Observaciones
[1] Pérdidas de
transmisividad Figura 46 SI
[7] Densidad
superficial de polvo
Tabla 13 SI*
*Se cumple la tendencia observada, aunque de forma errante para la parte baja de los paneles.
[10] Pérdidas de
transmisividad promedio
Tabla 14 SI
[19] Pérdidas de
potencia Figura 47 SI
El salto de pérdidas de 0º a 5º es mucho mayor que en el resto de intervalos.
57
Estudio Parámetro
medido Resultados
Cumple con la tesis inicial
Observaciones
[20]
Pérdidas de transmisividad
y densidad superficial de
polvo
Figuras 48 y 49
SI
Demuestra que el ángulo de inclinación no tiene ningún efecto sobre el tipo de capa que se forma y su hipotética influencia en las pérdidas.
[22] Pérdidas de
transmisividad Figura 50 NO
La transmisividad permanece prácticamente constante.
[23] Densidad
superficial de polvo
Figura 51 SI
Los saltos de pérdidas de 90º a 75º y de 0º a 15º son más pronunciados que en el resto de intervalos.
[32] Pérdidas de
potencia Figura 52 SI
Tabla 12. Compilación de estudios con respecto a la influencia del ángulo de inclinación del
panel. Fuente: elaboración propia.
Figura 46. Pérdidas en función de la inclinación del panel y el tiempo transcurrido. Fuente: [1].
58
Ángulo de inclinación (º)
Promedio de la suciedad acumulada (mg cm-2)
Parte baja Parte intermedia Parte alta
0 3.6 3.0 3.5
15 2.4 2.1 2.4
30 2.7 1.8 1.3
45 1.1 1.5 1.3
60 1.3 1.2 1.0
90 0.3 0.2 0.2
Tabla 13. Densidad de polvo depositado tras un mes en función de la inclinación y la zona del
panel. Fuente: [7].
Material de la cubierta
Pérdidas de transmisividad (%)
0º 45º 90º
Vidrio 15.06 9.88 3.23
PVC 16.65 12.78 8.38
Acrílico 17.10 11.08 6.47
Tabla 14. Pérdidas promedio para un ciclo de limpieza semanal en función de la inclinación del
panel y el material de la cubierta. Fuente: [10].
Figura 47. Pérdidas tras dos meses en función de la inclinación del panel. Fuente: [19].
59
Figura 48. Pérdidas en función de la inclinación del panel y el tiempo transcurrido. Fuente: [20].
Figura 49. Acumulación de polvo en función de la inclinación del panel y el tiempo transcurrido.
Fuente: [20].
60
Figura 50. Transmisividad en función de la inclinación del panel: después de 10 días (azul),
después de 20 días (rojo), después de 33 días (verde). Fuente: [22].
Figura 51. Densidad de polvo depositado en función de la dirección del viento e inclinación del
panel. Fuente: [23].
Figura 52. Eficacia del panel en función de la inclinación del panel y el tiempo transcurrido: 90º
(magenta), 45º (amarillo), 0º (turquesa). Fuente: [32].
61
Hay otros estudios que durante su investigación de otros fenómenos también
obtuvieron resultados que ratifican la tesis inicial propuesta en este apartado como por
ejemplo [8] y [24], el cual afirma que durante el año que realizaron sus investigaciones
obtuvieron unas pérdidas máximas del 4% para el panel vertical y del 37% para el panel
horizontal.
Finalmente, se esboza en varias publicaciones, como por ejemplo en [21], la idea de que,
debido a la gravedad, las partículas gruesas se depositan con mayor dificultad conforme
el ángulo de inclinación aumenta. De este modo la granulometría para altos ángulos de
inclinación contendría mayor proporción de partículas pequeñas, algo más perjudiciales
según lo visto en el capítulo 2.2.7.
Por un lado, en [20] podemos leer que “se ha observado la acumulación tanto de
partículas finas como gruesas en varias de las muestras colocadas a un ángulo de
inclinación β ≤ 40º, mientras que para β ≥ 50º solamente se han observado partículas
finas”. Sin embargo, la figura 53 de este mismo estudio que relaciona las pérdidas con
la cantidad de polvo no refleja ninguna diferencia en el ratio de pérdidas / cantidad de
polvo depositado en función del ángulo de inclinación.
Por otra parte, la tabla 15 presenta un análisis realizado a partir de los valores reflejados
en el estudio [23]. De esta forma se ha elaborado el ratio de pérdidas / cantidad de polvo
depositado, y la evolución es incluso levemente contraria a la que cabría esperar.
Por tanto podemos concluir que, según lo observado por [20], las hipótesis de [21]
pueden ajustarse a la realidad en mayor o menor medida; haría falta más investigación
para esclarecerlo. Sin embargo, sus propios resultados de pérdidas así como los
exhibidos en [23] demuestran que este posible fenómeno no se traduce en resultados
tangibles y por tanto su efecto es despreciable.
Figura 53. Pérdidas en función de la acumulación de polvo para distintos ángulos de inclinación
del panel. Fuente: [20].
62
Ángulo de inclinación (º)
Ratio pérdidas / densidad de suciedad (%/g m-2)
15 28
30 27
45 28
60 27
75 25
90 24
Tabla 15. Ratio pérdidas/densidad de polvo acumulado en función de la inclinación del panel.
Fuente: elaboración propia con datos de [23].
CONCLUSIONES
Se han presentado y analizado numerosas evidencias que corroboran el hecho de que
conforme mayor es la inclinación del panel menos cantidad de polvo se acumula. La
curva de polvo depositado o pérdidas asociadas a él respecto al ángulo de inclinación
apunta a una cierta linealidad conforme varía este último, si bien se aprecia en muchas
gráficas que hay un salto más pronunciado en el paso de 0º al siguiente ángulo y del
penúltimo ángulo a 90º.
Destaca también la relevancia cuantitativa. Observando las gráficas del capítulo y
evaluando el rango de inclinaciones habitual al que se instala un panel, se aprecia que a
45º las pérdidas por suciedad se reducen entre el 40% y el 60% del valor que toman a
0º. También se observa que, para una posición completamente vertical, la acumulación
de polvo o pérdidas de transmisividad son muy bajas sin que importe la localización o
los días que se sitúe la célula al exterior.
A pesar de los resultados, lo idóneo no es instalar un panel de forma vertical. Como
vimos en la sección 1.3.1.1, el principal criterio de diseño a la hora de establecer el
ángulo de inclinación de un panel fijo es maximizar la irradiancia que le llegará. Sin
embargo, esta información será muy útil en varios aspectos:
1) Puede resultar recomendable evitar colocar paneles completamente
horizontales. Incluso si el idóneo para captar la radiación está en 0º (lugares algo
por encima del ecuador), es interesante comprobar el comportamiento a varios
grados de inclinación (5º) para decidir, ya que en horizontal se anula el efecto de
la gravedad y puede acumularse demasiada suciedad.
2) En instalaciones con seguidores será recomendable colocar los paneles en
vertical (en caso de que no puedan ser colocados en horizontal boca abajo)
durante las horas en que no haya luz para minimizar la acumulación de polvo.
3) En caso de tener dos alternativas estudiadas similares, es un motivo a favor del
mayor ángulo de inclinación.
4) Nos ayuda a realizar estimaciones de pérdidas por suciedad.
63
2.2.7. Tamaño de partícula
En primer lugar y como ya apuntamos en la introducción, el tamaño de las partículas de
polvo que se adhieren a los paneles solares no suele exceder los 50 μm. De hecho, la
mayoría de las partículas están por debajo de los 25 μm. Los análisis granulométricos de
[6], [7] (ver figura 54) y [5] apoyan esta tesis. Este último observó que el diámetro medio
de las partículas recogidas para sus trabajos era de 8.5 μm
Figura 54. Composición granulométrica de las muestras obtenidas. Fuente: [7].
Con respecto a la dependencia con el tamaño de la partícula hay una serie de informes
que expresan la misma conclusión: mientras menor sea el tamaño de las partículas
depositadas mayores serán las pérdidas (para una cantidad constante densidad de polvo
depositado). Esto se debe a que, geométricamente, si distribuimos una misma masa en
múltiples partículas pequeñas sombreará el panel de forma más efectiva que en forma
de una sola partícula grande (ver figura 55).
Figura 55. Esquema del sombreamiento de partículas pequeñas y grandes para una misma
masa. Como se observa, el primero es mucho más efectivo. Fuente: elaboración propia.
A pesar de lo irrefutable de este argumento o quizá precisamente por ello, solamente
se ha localizado una investigación que analice de forma exhaustiva este fenómeno y
compare las pérdidas debidas a idénticas densidades de polvo de distintos tamaños. Se
64
trata de [4] y, precisamente, a ella recurren el resto de publicaciones cuando han de
justificar con evidencias esta idea.
[4] dejó patente en sus experimentos de laboratorio (figura 56) que, para menores
diámetros de partícula, las pérdidas son mucho más severas. Es cierto que compara
polvos de distintos materiales, sin embargo esto no restringe para nada la validez de lo
expuesto ya que, como se explica en el capítulo 2.2.13, la influencia del material es
irrelevante. Además, utilizó tres valores distintos de tamaño de partícula de un mismo
material y las curvas referentes a los otros dos materiales presentan tendencias y
magnitudes similares.
Figura 56. Pérdidas en función del polvo acumulado para distintos tamaños y tipos de
partícula. Fuente [4].
Sin embargo, los resultados del informe [33] contradicen todo lo planteado. Se trata de
una serie de experimentos de laboratorio en los que intentaban arrojar luz sobre la
influencia de distintos materiales. De esta forma se pueden extraer conclusiones
indirectas sobre la dependencia con el tamaño de partícula, ya que, como quedó
recogido en la propia publicación (ver tabla 16), la muestra preparada de cada material
contiene partículas de un rango concreto.
La figura 57, junto a la citada tabla 16, muestran cómo, según el ratio de pérdidas por
g/m2 depositado, el material más perjudicial sería la arcilla (red soil), seguida del polvo
de caliza y finalmente iría la ceniza. De esta forma, el material de partículas más gruesas
sería el que mayores pérdidas genera, yendo en contra de los resultados anteriores e
incluso de la lógica, ya que en ningún caso el tipo de material (ver capítulo 2.2.13)
justificaría estas cifras.
El ratio de la tabla procede de la regresión lineal hecha a los puntos obtenidos. No
obstante, y como comentan los autores, el tipo de regresión que encaja mejor con los
valores experimentales es la exponencial. Además, como el ávido lector habrá podido
65
apreciar, esta tendencia exponencial es contraria a la ampliamente documentada en
una gran cantidad de publicaciones, aunque ese es otro tema que será tratado en el
capítulo 2.3.1.
Material Diámetro de
partícula (μm) Ratio pérdidas / densidad de
suciedad (%/g m-2)
Ceniza D < 10 0.06
Polvo de caliza D < 60 0.10
Tierra roja D < 150 0.24
Tabla 16. Ratio pérdidas/densidad de polvo depositado y diámetro de partícula para los
distintos materiales investigados. Fuente: [33].
Figura 57. Pérdidas en función del polvo acumulado y del tipo de partícula. Fuente: [33].
Se han identificado igualmente otras publicaciones que hacen referencias de diversa
índole relacionadas con el tamaño de partícula.
En primer lugar, [1] comenta en su estudio que, al examinar en el microscopio después
de la lluvia las muestras que no fueron protegidas, hallaron únicamente partículas entre
2 y 10 μm y nada de polen. Es por ello que, según [1], las células solares nunca
recuperaban completamente el 100% de su efectividad después de la lluvia. Por el
contrario, en las muestras protegidas había polen (60 μm) así como polvo de mayor
tamaño. De esta forma plantean que la lluvia pierde efectividad a la hora de arrastrar
partículas pequeñas. Esto tiene lógica con el hecho de que el desprendimiento de una
partícula por gravedad, ayudado por la lluvia es proporcional a su D2 (ver sección
2.2.1.1).
Por otra parte, y como ya se vio con detalle en el capítulo 2.2.4, el tamaño de la partícula
es determinante de cara a las pérdidas espectrales, ya que, conforme los diámetros de
partícula bajan de 5 μm, las pérdidas empiezan a depender de la longitud de onda,
aumentando para valores bajos de ésta última dentro del espectro aprovechable.
66
Asimismo, [21] propuso una relación entre el tamaño de partícula y la inclinación del
panel que ha sido analizada en detalle en los párrafos previos a la conclusión del capítulo
2.2.6 sin encontrarse resultados cuantitativos significativos. Estos razonamientos se
basan en el funcionamiento de los mecanismos de deposición y desprendimiento de
partículas. Un elevado D favorece el mecanismo de deposición por gravedad, aunque
también el desprendimiento por gravedad que es decisivo también en la acción de la
lluvia. Las partículas gruesas también favorecen su desprendimiento por la acción del
viento, al ser las fuerzas de extracción proporcionales a D2 y las de adhesión a D.
Por último, la interrelación del tamaño de partícula con la velocidad del viento quedó
rigurosamente analizada en la sección 2.2.1.1.
CONCLUSIONES
Concluyo que las tesis presentadas en los cuatro primeros párrafos son coherentes y es
muy probable que representen la realidad del fenómeno, si bien es indispensable la
realización de nuevos estudios para corroborarlo y aclarar las contradicciones
presentadas por los resultados de [33]. El autor de este estudio fue contactado y nos
trasladó su dificultad para analizar esos resultados al haber dejado de dedicarse a este
tema tiempo atrás.
De esta forma y debido a un sombreamiento más efectivo, mientras menor sea el
tamaño de las partículas más perjudicial resultará la capa. Como muestra la figura 56
vista anteriormente, esta tendencia parece más marcada cuando nos movemos en
rangos de partículas pequeñas (D < 10 μm). Parte de ese carácter perjudicial también
reside en la comentada influencia respecto de la longitud de onda así como en la
dificultad para ser desalojadas del panel debido a la importancia del D en los
mecanismos de desprendimiento de partículas.
La magnitud cuantitativa de este factor está aún por determinar. Según los resultados
de laboratorio de [4], el tamaño de partícula podría tener cierta importancia. Sin
embargo, la granulometría de muestras de lugares reales es bastante homogénea y no
parece que su impacto pueda llegar a ser realmente relevante.
Además, el tamaño de las partículas es un fenómeno prácticamente imposible de
controlar ya que, además de mantener la limpieza de los paneles, solamente podremos
actuar en la localización de la instalación, decisión en la que habrá múltiples criterios
con mucha mayor relevancia.
2.2.8. Lluvia
Con respecto a la lluvia, en primer lugar presentaremos los informes que, a mi juicio,
gozan de mayor fiabilidad, ya que tomaron mediciones a diario tanto de pérdidas por
suciedad como de las lluvias registradas, permitiendo así un seguimiento constante que
resulta esencial.
Los experimentos recogidos en [9], llevado a cabo en Málaga, reflejan un potente efecto
limpiador de la lluvia (ver figura 58). Siempre que llueve, sin excepción, las pérdidas por
67
suciedad desaparecen, reseteando el ciclo de acumulación de suciedad. Esto sucede
incluso para precipitaciones muy exiguas (menores de 1 mm), difíciles incluso de
visualizar en la gráfica. De esta forma la lluvia fue capaz de mantener a raya las pérdidas
por suciedad excepto durante el periodo estival, en el que una sequía de alrededor de
dos meses disparó las pérdidas hasta el 23%. Esta circunstancia finalizó cuando, un buen
día, una lluvia ínfima las redujo al 2% en la única ocasión en la que no regresaron al 0%.
Figura 58. Seguimiento diario de los niveles de pérdidas (barras grises) y de lluvia (barras
negras). Fuente: [9].
Resultados prácticamente idénticos (ver figura 59) fueron obtenidos en California por
los autores del estudio [34]. Hemos de centrar la atención en las cruces rojas (pérdidas
por suciedad) y las barras verdes (lluvias): al igual que ocurría en la publicación anterior,
vemos que las pérdidas retornan casi al 0% después de lluvias. Destacar que en este caso
sólo quedan incluidas precipitaciones relativamente importantes (mayores de 4 mm),
aunque no hemos podido averiguar si es que excluyeron las lluvias menores o que no
tuvieron lugar (cosa poco probable).
68
Figura 59. Seguimiento diario de los niveles de potencia en función de la máxima (cruces rojas)
y de lluvia (barras verdes). Fuente: [34].
Por el contrario, la publicación [35] presenta una gráfica (figura 60) complicada de
interpretar y que no ofrece resultados claros. La mayor parte de las ocasiones, la lluvia
ayuda y devuelve las pérdidas al 0%; sin embargo hay otras en las que parece no tener
efecto o aumenta las pérdidas directamente. Además, el análisis queda dificultado por
dos motivos. El primero es que las pérdidas se mantienen constantes y próximas al 0%
durante largos periodos continuados. El segundo son los huecos en los valores de las
pérdidas, los cuales se deben a que “solamente incluyeron los días soleados”. Por tanto,
este informe sigue apuntando la tendencia general de que la lluvia limpia casi por
completo los paneles, aunque no con la contundencia de los anteriores. Asimismo
plantea la posibilidad de que bajo ciertas circunstancias pueda ser perjudicial.
Figura 60. Seguimiento diario de los niveles de ISC en función de la ISC máxima (puntos rojos o
negros según la cubierta sea de cristal liso o texturizado) y de lluvia (barras rojas). Fuente: [35].
69
Finalmente, los resultados de [19] (figura 61) proponen un escenario diferente. Se puede
comprobar que, a pesar de las fuertes lluvias del 2 de febrero que limpiaron
completamente los paneles, el resto de veces que llovió no queda reflejada ninguna
correlación ya que las pérdidas aumentaron, disminuyeron o se mantuvieron, según la
ocasión. En la publicación plantean la idea de que exista una intensidad mínima de lluvia
a partir de la cual ésta sea efectiva, y, por debajo de la cual, se agraven las pérdidas. De
hecho, el propio informe señala que las “lluvias menores de 1 mm sin viento
empeoraron los efectos de la suciedad”. Otros trabajos, como por ejemplo [31] y [36]
(ambos citados por el propio [19]), ya hablaban de esta posible existencia de un valor de
intensidad de lluvia por debajo del cual sus efectos son complicados de predecir. El
primero cifra ese punto de inflexión en torno a los 5 mm, que resultan coherentes con
los resultados de [19], mientras que el segundo comenta que “solamente lluvias por
encima de 20 mm limpiaron efectivamente los paneles solares”.
Figura 61. Seguimiento diario de los niveles de pérdidas y de lluvia para varios ángulos de
inclinación. Fuente: [19].
La explicación de este carácter perjudicial de la lluvia parece que está relacionada con
que los experimentos de [19] fueron realizados en Mesa, Arizona, una zona árida con
clima desértico que pertenece a la zona de influencia del desierto de Sonora. En este
tipo de climas es habitual que la lluvia arrastre el polvo del ambiente, de modo que el
panel es alcanzado por gotas de barro que se adhieren con fuerza y perjudican su
producción eléctrica. Esto justificaría que el efecto nocivo se produzca principalmente
para lluvias de intensidad relativamente baja, puesto que para intensidades medias o
fuertes el agua fluye arrastrando la suciedad. Además, el fenómeno también depende
de la concentración de polvo del ambiente, lo cual da sentido al carácter impredecible
de estos resultados y su comportamiento errático. Apoyando esta idea también
70
aparecen [11] y [37]. Según el primero "la lluvia ayuda a la limpieza de la superficie del
panel si el agua fluye y cae; si se evapora estando aún en el panel provoca una mayor
adhesión de las partículas". El segundo documentó que las fuertes lluvias que siguieron
a las tormentas no consiguieron limpiar el panel (6-13% de pérdidas tras su paso) debido
a todo el polvo del ambiente que arrastraron; añade que “lluvias suaves habrían sido
mucho peores”.
A continuación examinamos otros informes que aportan información con respecto a la
lluvia aunque a través de mediciones menos exhaustivas.
[1] documenta en sus resultados, contenidos en la figura 62, los efectos benignos de la
lluvia. Las muestras protegidas de la lluvia (derecha) presentan mayores pérdidas,
especialmente en la medición tras 58 días, en la que cuadruplican las pérdidas de las
muestras expuestas a la intemperie.
Igualmente, y como ya fue mencionado en el capítulo 2.2.7, este estudio [1] apostilla
que, tras analizar al microscopio las muestras, se observó que en aquellas que habían
sido protegidas de la lluvia permanecía el polvo de todo tipo de tamaño mientras que
las que no fueron protegidas resultaron limpiadas por la lluvia, a excepción de las
partículas de polvo de 2 a 10 μm, que quedaron retenidas. De esta forma los autores
explican el por qué a veces los paneles no recuperan completamente el 100% de su
efectividad tras la lluvia.
Asimismo, [24] tomó una medida a finales de cada mes de las pérdidas por suciedad, lo
cual limita la validez de su experimento. También registró los niveles de lluvias. Estos
datos quedan ilustrados en la figura 63, de cuyo análisis no se puede extraer ninguna
conclusión definitiva.
Finalmente hemos analizado un antiguo informe de 1989: [10]. En él publican datos de
pérdidas de forma trimestral, así como los valores registrados de lluvia cada mes sin
observar ninguna relación. Sin embargo, estos datos carecen de verosimilitud debido a
la escasez de los mismos.
Figura 62. Pérdidas en función del tiempo transcurrido para varias inclinaciones: muestras
expuestas a la intemperie (izquierda) y muestras protegidas de la lluvia (derecha). Fuente: [1].
71
Figura 63. Comparación entre las pérdidas al final del mes (barras celestes) y las lluvias
mensuales correspondientes (nube). Fuente: [24].
CONCLUSIONES
[9], [34] y [35] demuestran la enorme capacidad de la lluvia como agente limpiador,
reduciendo casi a cero las pérdidas por suciedad incluso para precipitaciones muy
débiles. Sin embargo, es posible que, en algunos casos, en ambientes desérticos (altas
concentraciones de polvo en el ambiente), y para lluvias de intensidad reducida, su
efecto sea perjudicial. En estos casos, los paneles son alcanzados por gotas de barro que
se adhieren con mayor fuerza, de modo que si la lluvia no tiene la intensidad suficiente
como para arrastrarla la suciedad permanece, empeorando la situación.
Teniendo en cuenta la enorme importancia de la lluvia y de cara a obtener conclusiones
más exactas, serían convenientes nuevas investigaciones, las cuales han de ser
exhaustivas y recoger datos diarios de producción eléctrica, lluvia y concentración de
partículas.
Se trata de uno de los factores esenciales a la hora de cuantificar las pérdidas por
suciedad. Teniendo en cuenta que la lluvia implica cielos nublados (disminución de
irradiancia) y el carácter limpiador de episodios leves, lo ideal sería que las
precipitaciones no sean abundantes ni prolongadas en el tiempo, pero sí relativamente
frecuentes. Todo ello para ubicaciones no desérticas; en este último tipo de lugares
convendrían precipitaciones intensas lugar de leves. Así se evita la acumulación de días
seguidos sin que se limpie de forma natural el panel y se disparen las pérdidas, casos en
los que habría que recurrir a la limpieza de los mismos.
2.2.9. Tormentas de arena
Las tormentas de arena son un fenómeno meteorológico propio de zonas áridas o
semiáridas como los desiertos. Provocadas por fuertes rachas de viento, su estudio se
ha separado del viento debido a su naturaleza especial que requiere modos de actuación
72
separados, además de que su impacto se limita a determinadas localizaciones. Es
unánime en la literatura el carácter puramente perjudicial de este fenómeno, ya que
reduce la visibilidad y la irradiación que llega al panel, contribuye ampliamente a la
deposición de polvo y puede acarrear problemas de resistencia mecánica o erosión.
[13] aporta varios datos interesantes. Se trata de un exhaustivo informe al que ya
acudimos con anterioridad que estudia todo lo referente al polvo en desiertos en base
a dos años de toma de datos en el desierto del Néguev, Israel. Por un lado observaron
que las tormentas de arena tienen una importancia capital en la acumulación de polvo
a través de provocar un aumento intenso de la concentración de partículas en el
ambiente. Los datos muestran cómo las tormentas de arena puntuales condicionan
incluso las medias mensuales de acumulación de polvo o concentración en el ambiente,
llegando a provocar picos abruptos en las gráficas de éstos parámetros. También se
percataron de que la totalidad de tormentas de arena observadas se produjeron durante
el día, motivo por el cual la acumulación y concentración de polvo fueron superiores por
el día respecto a la noche.
La figura 64 presenta los resultados de concentración de polvo en el ambiente: a la
izquierda durante el día y a la derecha durante la noche. Los picos observados durante
el día, especialmente en los meses de noviembre de 1991 y febrero de 1992, así como
su casi completa desaparición durante la noche ponen de manifiesto todo lo expuesto
anteriormente. Las gráficas de acumulación de polvo refrendan la misma tendencia
aunque atenuada.
Figura 64. Seguimiento mensual de los niveles de concentración de partículas en el ambiente
durante el día (izquierda) y la noche (derecha). Fuente: [13].
[16] es otro estudio relevante que analiza publicaciones antiguas y comenta varias ideas.
Explica, en base publicaciones de los años 1941 y 1963 ([38] y [39]), cómo habitualmente
73
el perfil de partículas en una tormenta de arena se configura de forma que la gran
mayoría de ellas se mueven a una altura menor de 1.5 metros (ver figura 65).
Igualmente, menciona que las tormentas de arena favorecen la proporción de partículas
gruesas en el ambiente debido a los fuertes vientos (ver capítulo 2.2.1). Finalmente,
habla de que “es ampliamente conocido que los materiales duros sufren mucho más los
efectos de la erosión que los blandos”, dentro de un contexto de buscar la durabilidad
de los paneles solares y minimizar la posible erosión debida a las tormentas de arena.
Retomaremos esta circunstancia en la sección 2.2.10.1.
Figura 65. Esquema de una tormenta de arena. Según [38], el grueso de la tormenta se mueve
por debajo de 1.5 m. Fuente: [38].
A nivel cuantitativo nos encontramos con [37], una publicación reciente que aporta
datos muy interesantes. Tras las tres tormentas de arena que tuvieron lugar en Chipre,
lugar del estudio, registraron bajadas de la producción de los paneles de entre el 6% y
el 13%, dependiendo del caso, respecto a justo antes del fenómeno. Además, comentan
que “en estos tres casos las tormentas de arena fueron seguidas de fuertes lluvias que
ayudaron a limpiar parcialmente el panel”, de modo que las cifras pueden ser aún
peores. Si además nos encontrásemos en zonas desérticas mucho más severas, no es
descabellado pensar que la tormenta de arena, a su paso, disminuya la producción en el
rango del 15-25%, o incluso más en casos muy concretos.
[37] proporciona otro apunte de importancia: durante la tormenta de arena registrada
en primavera la radiación se redujo a 340 W/m2 desde los 840 W/m2 medidos el día de
antes con el cielo despejado.
En último lugar, [40] alude a que durante el periodo de medio año de diciembre a mayo
se acumularon el 89% de las tormentas de arena del año, ejemplificando un hecho
relatado en numerosos estudios e ilustrado en la tabla 17: las tormentas de arena son
fácilmente predecibles ya que en cada lugar hay una época, que suele oscilar entre dos
y seis meses, en la que se concentran la mayoría o todos estos episodios. Al ser un
fenómeno puramente meteorológico solamente será cuestión de revisar los datos de
cada ubicación.
74
Estudio Año Lugar Observaciones
[20] 2001 Minia (Egipto) Las tormentas de arena se suelen producir en los meses de abril y mayo.
[40] 2008 Desierto del
Néguev (Israel)
Se acumuló el 89% del total de polvo anual entre diciembre y mayo.
[41] 2003 Abu Dabi (EAU) Normalmente se producen 7 tormentas de arena al año, dándose 3 de ellas en marzo.
[42] 1985 Kuwait (Kuwait) La mayor deposición se produce durante los meses de junio y julio.
Tabla 17. Observaciones respecto a la naturaleza predecible de las tormentas de arena.
Fuente: elaboración propia.
CONCLUSIONES
Tras lo visto en el capítulo podemos concluir que las tormentas de arena son un factor
de gran relevancia para regiones en que se producen: áridas o semiáridas. Generadas
por fuertes rachas de viento, a su paso y de forma repentina ocasionan altísimos niveles
de polvo acumulado, disparando las pérdidas por suciedad que perfectamente pueden
aumentar entre un 5% y un 25% de golpe.
Una vez analizado el modus operandi de las tormentas de arena será más fácil combatir
sus efectos. Una medida a considerar consiste en colocar los paneles boca abajo durante
las mismas para minimizar sus consecuencias. El precio a pagar es la electricidad que se
deja de producir, especialmente si se confirma la predominancia de las tormentas de
arena durante el día. Sin embargo, la brevedad de estos episodios unido a que mientras
se producen disminuye ostensiblemente la radiación que alcanza el panel ([37]), hace
prever que las pérdidas serán asumibles. Otro coste sería la instalación de seguidores o
algún mecanismo para colocar los paneles boca abajo, lo cual también sería conveniente
hacer durante la noche. Por tanto, un estudio de viabilidad económica de estas medidas
puede dar resultados positivos.
Por contra, el estudio de la elevación de los paneles conforme a lo comentado en la
publicación [16] no es una buena idea. De esta forma podrían acumular menos polvo
durante las tormentas de arena, pero también entrañaría mayores cargas de viento y
exigiría mayor resistencia de las estructuras, lo cual tradicionalmente ha imposibilitado
estos diseños. Todo ello unido a lo antiquísimo de los informes base (1941 y 1963) acaba
cerrando esta opción.
Sin embargo el campo de actuación de mayor potencial está en el carácter localizado en
el tiempo de las tormentas de arena. Esto facilita mucho la paliación de sus
75
consecuencias, ya que concentrando las labores de prevención y limpieza en esa época
y actuando rápido tras la tormenta de arena se optimizarían los recursos. Quisiera
insistir en la importancia de hacer este tipo de previsión meteorológica del
emplazamiento, ya que es una forma muy sencilla de mejorar la eficiencia.
2.2.10. Recubrimientos
En el presente capítulo intentaremos definir cuantitativa y cualitativamente la
relevancia de los recubrimientos de las células fotovoltaicas en la deposición de polvo
sobre el panel solar. Es evidente que, de algún modo, intervendrán en el proceso de
deposición de polvo a través de las facilidades o dificultades que presenten de cara a la
adhesión de las partículas y su posterior desprendimiento.
Como indicamos en la introducción, la juventud de la tecnología solar así como el
relativo desconocimiento del fenómeno de la suciedad provoca que durante el análisis
de la literatura se hayan encontrado pocas referencias a la influencia de este elemento
y que éstas no sean especialmente exhaustivas. Todo ello unido a la enorme variedad,
en cuanto a recubrimientos, existente en el mercado hace que no podamos obtener aún
información completamente reveladora que compare esa gran variedad de modelos. Sin
embargo, se han observado una serie de tendencias interesantes que deberán de servir
como base de futuras investigaciones.
En primer lugar hay que diferenciar entre los dos elementos de ese recubrimiento que
serán examinados por separado. Como vimos en la introducción, llamaremos cubierta
frontal o protectora al elemento transparente laminar que se instala encima de las
células fotovoltaicas, habitualmente fabricado en vidrio o excepcionalmente en plástico
(polímeros). Los revestimientos serán las capas ultra finas que se aplican a esa cubierta
protectora con el fin de mejorar el comportamiento del panel de diversas formas.
2.2.10.1. Cubiertas protectoras
Primeramente citaremos la publicación [16], que, bajo un contexto de paneles que
trabajan en el desierto y han de hacer frente a numerosas tormentas de arena, dice
textualmente que: “es ampliamente conocido que los materiales duros sufren mucho
más los efectos de la erosión que los blandos”. De esta forma y persiguiendo una
durabilidad máxima de los módulos recomienda el uso de plásticos (elastómeros o
polímeros) o mica, materiales mucho más blandos que el vidrio.
Sin embargo, en cuanto a su estricta influencia de cara a la deposición de polvo hay tres
estudios cuyos experimentos apuntan en la dirección de que en una cubierta de plástico
se acumula más polvo que en una de vidrio.
La tabla 18 refleja los resultados de [6]. En ellos se visualiza variación promedio de un
parámetro ‘a’ a lo largo de las distintas mediciones. Este parámetro procede de un
modelo matemático de pérdidas y es el relacionado con el funcionamiento del panel.
Puesto que la única modificación era la acumulación progresiva de polvo, concluyen los
autores que su variación refleja las pérdidas por suciedad. Así pues, para los dos casos
76
de cubiertas de cristal, tanto la variación media de ‘a’ como la densidad acumulada de
polvo al final del experimento son similares entre sí e inferiores a los valores obtenidos
en el único caso de cubierta de plástico. Vemos cómo en cada caso la célula solar es de
un tipo distinto, sin embargo y según lo visto en el capítulo 2.2.4, su sola influencia en
el proceso no daría lugar a la magnitud de los resultados del parámetro ‘a’. Además, ello
no influye en la última columna de densidad de polvo acumulado.
Tipo de cubierta Tipo de tecnología
fotovoltaica Variación media de
‘a’ (%) Densidad de polvo acumulado (g cm-2)
Vidrio m-Si 4.74 1.18
Vidrio p-Si 4.94 1.24
Plástico ondulado a-Si 10.42 2.33
Tabla 18. Variación del parámetro ‘a’ y densidad de polvo acumulado en función del tipo de
cubierta. Fuente: [6].
Por otro lado, uno de los parámetros inspeccionados por [10] es el material de la
cubierta. Se trata de un estudio de 1989 y por eso los materiales que comparó fueron
PVC, vidrio y acrílico (material plástico característico por permanecer largo tiempo al
exterior sin deteriorarse). Los resultados, adjuntados en la tabla 19, reportan que el
mejor comportamiento lo ofrece el cristal; el acrílico tendría unas prestaciones
intermedias mientras que el PVC sería el peor. Para la media se han obviado los
resultados para el panel horizontal ya que la insuficiencia de los mecanismos de
desprendimiento desvirtúa el resultado. Además, se trata de una disposición solamente
utilizada en lugares muy concretos y cuyo uso podría no ser completamente
conveniente (ver capítulo 2.2.6).
Material de la cubierta
Pérdidas de transmisividad (%) Media
0º 45º 90º
Vidrio 15.06 9.88 3.23 6.56
PVC 16.65 12.78 8.38 10.58
Acrílico 17.10 11.08 6.47 8.78
Tabla 19. Pérdidas promedio para un ciclo de limpieza semanal en función del material de la
cubierta. Fuente: [10].
Finalmente y al igual que hizo [6], [43] sometió a estudio tres casos de tecnología
fotovoltaica diferente: dos de ellos cubiertos con un tipo de cubierta (cristal) y el tercero
con otra distinta (plástico epoxy). Y de la misma forma, los resultados (ver figura 66)
muestran mayores pérdidas para el caso de la cubierta de plástico. Sin embargo, no hay
77
explicación para el hecho de que haya cierta variación entre los dos casos de cubiertas
de cristal, aunque sea pequeña.
Figura 66. Pérdidas en el tiempo para módulos con cubiertas de distintos materiales: plástico
epoxy (círculos), cristal (cuadrados y triángulos según la tecnología fotovoltaica). Fuente: [43].
Adicionalmente, el estudio [35] comparó las pérdidas de una cubierta de cristal lisa con
respecto a cubiertas de cristal en cuya superficie se había dibujado una textura a base
de pirámides. Los dos patrones estudiados (pirámides dispuestas formando ángulos o
perpendicularmente) muestran resultados cuasi-idénticos, mientras que con respecto al
cristal liso ofrecen un comportamiento ligeramente mejor como se aprecia en la figura
67.
Figura 67. Seguimiento diario de los niveles de ISC en función de la ISC máxima (puntos rojos o
negros según la cubierta sea de cristal liso o texturizado) y de lluvia (barras rojas). Fuente: [35].
78
CONCLUSIONES
La gran mayoría de cubiertas protectoras son modelos a base de vidrio. También las hay
de polímeros, aunque son muy extrañas. Precisamente uno de los motivos para ello es
lo observado a lo largo de este capítulo: de cara a la deposición de polvo los informes
analizados apuntan un mejor comportamiento de las cubiertas de cristal, cuyas pérdidas
o suciedad acumulada representarían entre un 50% y un 75% de las que se originan con
cubiertas de plástico. Sin embargo, no hay que perder de vista los polímeros. Si se dan
mejoras tecnológicas, su mejor comportamiento ante la erosión podría conferirle
interés en algunas aplicaciones.
2.2.10.2. Revestimientos
Con respecto a los revestimientos se han localizado dos publicaciones significativas.
Por un lado, [22] (figura 68) observó que las capas de TiO2, a pesar de disminuir la
transmisividad per se (véase cómo inicialmente parten desde un punto de partida
diferente), tras 10 días habían reducido ligeramente los efectos perjudiciales del polvo
gracias al carácter de “auto-limpieza” que proporcionan. Esta tendencia le podrá
conferir en un futuro utilidad en casos de gran acumulación de polvo (desiertos).
Hablamos de futuro puesto que su efecto benigno no llegó a compensar los perjuicios
causados, por lo que su uso queda aún pendiente de un mayor desarrollo.
Por otro, [1] comparó el comportamiento de tres tipos de revestimientos especiales. La
tabla 20 refleja unos resultados enormemente positivos, ya que tras tres semanas de
exposición el revestimiento de auto-limpieza redujo las pérdidas por suciedad en un
50%.
Figura 68. Transmisividad en función del tiempo para distintos revestimientos: 40 nm de TiO2
(rojo), 60 nm de TiO2 (azul), sin revestimiento (verde). Fuente: [22].
79
Tipo de revestimiento Pérdidas de
transmisividad (%)
Vidrio normal (sin revestimiento) 2.63
Anti-reflectante 1.75
Auto-limpieza 1.30
Multicapa (anti-reflectante + auto-limpieza) 0.85
Tabla 20. Pérdidas de transmisividad después de tres semanas en función del revestimiento
aplicado. Fuente: [1].
CONCLUSIONES
La variedad es muy amplia, la tecnología joven y sólo se han localizado un par de
estudios de ejemplos concretos. Todo indica que, en un futuro muy próximo, se habrán
convertido en una parte más de cualquier panel. De hecho, aunque se trata de una
tecnología en desarrollo, los estudios revisados muestran que puede ser muy
provechosa ya en el presente. De cara a su evaluación será necesaria la elaboración de
estimaciones comparativas que valoren el rendimiento económico de las principales
alternativas.
2.2.11. Deposición irregular
Hemos encontrado varios documentos que comentan que, debido a los efectos de la
gravedad, se produce una deposición no uniforme de la suciedad en los paneles,
encontrándose concentraciones mayores conforme más abajo nos encontramos.
Presumiblemente y debido a la naturaleza del proceso, ésta tendencia se dará
principalmente en paneles con inclinaciones moderadas y será nulo en los casos
extremos (0 y 90º). El informe [22] comprobó esta teoría y evidenció unas pérdidas de
transmisividad un 1% mayores en la parte baja del panel respecto a la parte alta (ver
figura 69), siendo estos resultados el promedio de los casos a diferentes inclinaciones.
Asimismo, los datos de [7] reflejan parcialmente esta tendencia: para 30º se cumple
perfectamente aunque hay otras inclinaciones moderadas para las que no (ver tabla 21).
Finalmente, [32] también avala la hipótesis planteada: "el espesor de la capa de polvo
para el panel a 0º es uniforme, mientras que para el panel a 45º es mayor en la zona
baja".
80
Figura 69. Transmisividad en función del tiempo para distintas partes del panel: parte alta
(rojo) y parte baja (azul). Fuente: [22].
Ángulo de inclinación (º)
Promedio de la suciedad acumulada (mg cm-2)
Parte baja Parte intermedia Parte alta
0 3.6 3.0 3.5
15 2.4 2.1 2.4
30 2.7 1.8 1.3
45 1.1 1.5 1.3
60 1.3 1.2 1.0
90 0.3 0.2 0.2
Tabla 21. Promedio de la acumulación de polvo en función del ángulo de inclinación según las
distintas partes del panel. Fuente: [7].
Respecto a las causas de la deposición irregular, salvo la ya mencionada influencia de la
gravedad en el párrafo previo, no se han observado otras referencias, aunque es
probable que dependa de la localización debido al viento u otros factores. Sea como
fuere, la acumulación de suciedad de forma no uniforme es un fenómeno que puede
agravar las consecuencias. Como ya vimos en detalle en la sección 1.3.1.2, el
sombreamiento desigual del panel acarrea una serie de problemas que se resumen en
que las células se ven obligadas a operar lejos del punto óptimo. En los peores casos se
produce su calentamiento anormal, ya que la tensión es excesivamente baja o incluso
negativa (se invierte la polarización y actúa como una resistencia disipando energía),
dando lugar a los llamados puntos calientes.
81
El funcionamiento fuera del punto óptimo queda patente en la figura 70 procedente del
estudio [44]. En ella aparece una ampliación de la zona clave de las curvas I-V del módulo
limpio (exterior) y del módulo sucio (interior). Los puntos rojos representan el punto de
funcionamiento optimizado por el inversor para la agrupación en serie, pero como el
lector avezado apreciará, penaliza la producción del panel sucio, cuyo óptimo estaría en
el punto verde.
Las consecuencias negativas de este fenómeno serían, principalmente, las pérdidas de
producción eléctrica. Además, ese sobrecalentamiento implicaría pérdidas debidas a la
temperatura de operación del panel (ver sección 1.3.1.2) y reduciría su vida útil,
pudiendo llegar a provocar una avería inmediata. Como ya vimos, los módulos de hoy
día incorporan protecciones a base de diodos que limitan los impactos negativos, sin
embargo, esa protección conlleva una menor producción ya que anula todo un grupo de
celdas.
Hemos mencionado que el origen de este fenómeno está asociado a la irradiación
irregular que suele ser debida a sombras por elementos externos. También lo puede
provocar la existencia de elementos o células defectuosas, especialmente los casos más
graves (puntos calientes). Sin embargo, el sombreamiento irregular debido a una
acumulación no uniforme del polvo también puede ser el responsable como demuestra
el informe [44]. En él se detectó que una célula de la parte baja del panel trabajaba a
20ºC más que el resto (ver figura 71), anomalía que desapareció al limpiar el panel.
También descubrieron que el punto al que se ve obligado a trabajar el módulo sucio
produce una potencia un 33% menor en relación a su óptimo (ver figura 70, explicada
anteriormente).
Figura 70. Curvas I-V de un módulo limpio (exterior) y de uno sucio (interior). En rojo, el punto
de funcionamiento “óptimo” de la serie de paneles, elegido por el inversor. En verde, el
verdadero óptimo del panel sucio. Fuente: [44].
82
Figura 71. Temperaturas de las distintas zonas del panel. La acumulación irregular de suciedad
provoca que la celda inferior izquierda funcione a 20 ºC más. Fuente: [44].
CONCLUSIONES
Como demuestra el ejemplo de [44], la deposición irregular de la suciedad es un
problema que puede causar perjuicios considerables. Sin embargo, es muy necesario
profundizar en las investigaciones y establecer la relación cuantitativa entre el grado de
no uniformidad de la suciedad y las pérdidas asociadas en casos reales. Asimismo es de
vital importancia hallar si es significativa la frecuencia con que se producen esas
deposiciones irregulares o los daños en forma de puntos calientes, etcétera. Todo
apunta a que el origen de esta potencial deposición irregular es la combinación del
efecto de la gravedad unido a paneles moderadamente inclinados (alrededor de 30º),
dando como resultado una mayor densidad de suciedad en la parte baja de los paneles.
También es probable que tenga su papel la localización a través de factores como el
viento.
En todo caso, se trata de una cuestión a la que el mantenimiento de una central
fotovoltaica debería prestar atención, sobre todo si se repite con frecuencia esta
problemática. Una medida tan sencilla como limpiar con agua aquel panel
especialmente sucio permitiría eliminar casi por completo esta afección. Otro aspecto
que puede ayudar contra la supuesta deposición mayoritaria en la parte baja del panel
es jugar con la disposición apaisada (horizontal) o vertical del panel (no confundir con la
posición horizontal a 0º y la vertical a 90º). Como vemos en la figura 72, con las
conexiones que tiene el panel la disposición horizontal es mucho mejor puesto que el
mayor sombreamiento sólo afectaría a un grupo de células en serie que pueden ser
desactivadas con el diodo. En cualquier caso en esta decisión entran en juego multitud
de criterios de diseño y éste sería solamente uno más.
83
Figura 72. Esquema eléctrico interno de un panel fotovoltaico.
2.2.12. Color y opacidad de las partículas
Con respecto a la opacidad, el informe [6] expone tras un análisis que “no todas las
partículas encontradas son completamente opacas. De hecho, en una fracción
significativa ha sido detectado un cierto grado de transmisividad”. Atendiendo al color,
solamente se han encontrado menciones escuetas planteando la necesidad de estudiar
su posible influencia. Por tanto, resulta obvio que hacen falta estudios más exhaustivos
para determinar la posible influencia de ambos factores, sus consecuencias cuantitativas
y resolver si son temas que es conveniente despreciar o no.
En cualquier caso, intentaremos arrojar luz teniendo en cuenta lo explicado en la sección
1.3.1.1 y el esquema básico de lo que sucede cuando la luz alcanza una superficie (figura
73). A pesar de que, geométricamente, la deposición de múltiples partículas esféricas es
un proceso más complejo que el mostrado, lo que importa es la relación entre los tres
parámetros: transmisividad, reflectividad y absortividad.
Así, mientras mayor sea la transmisividad (más translúcidas) menos perjudiciales serán
las partículas, ya que permitirán que una mayor proporción de rayos alcancen el panel.
Véase que para las partículas opacas esa transmisividad sería nula.
En cuanto al color, la diferencia de una tonalidad a otra podría influir en la relación entre
absortividad y reflectividad, de forma que los colores más perjudiciales serían aquellos
con mayor absortividad, ya que los rayos reflejados pueden terminar alcanzando el
panel solar tras rebotar en la partícula mientras que un rayo absorbido no tendrá esa
opción. Además, la absorción de la luz solar provoca el calentamiento de esas partículas
que, a su vez, calentarán el panel. Por tanto, los colores oscuros serán los más
perjudiciales y los claros los más beneficiosos, especialmente los casos extremos: negro
y blanco, que absorben y reflejan toda la radiación respectivamente.
84
Figura 73. Esquema básico de la descomposición de un rayo de luz al alcanzar una superficie.
ρ → reflectividad
α → absortividad
τ → transmisividad
𝛼 + 𝜌 + 𝜏 = 1
Para partículas opacas, τ = 0 → α + ρ = 1
Sin embargo y como comentamos anteriormente, habría que ampliar el conocimiento
en este tema para escapar del terreno de la conjetura y obtener información
concluyente, si bien es cierto que su improbable relevancia cuantitativa no invita a
hacerlo.
2.2.13. Otros
Electrostática
El informe [45], de forma modesta, plantea la posibilidad de que la influencia de las
fuerzas electrostáticas en el proceso de deposición de polvo sea notable. Si bien parece
algo razonable, también parece lógico esas fuerzas electrostáticas dependerán a su vez
del material de los recubrimientos y del tamaño y composición de la partícula, de modo
que su posible efecto quedaría integrado en esos factores ya analizados en capítulos
anteriores. En cualquier caso sería interesante seguir esta línea de investigación para
aclarar las posibles relaciones existentes.
Composición química o mineralógica
Varias publicaciones hablan de la posible influencia de la composición química o
mineralógica del polvo acumulado. En [23] y [25] adjuntan sendos estudios de la
composición del polvo depositado, sin embargo, no es posible observar ninguna
tendencia. A pesar de que parece un factor sin influencia alguna, estudios más
exhaustivos que aíslen la composición como única variable serían necesarios para
confirmarlo.
85
Densidad de polvo ya acumulado
Resulta evidente que el propio polvo ya acumulado podrá influir en la deposición de
nuevas partículas, ya sea por motivos de adherencia, electrostáticos o geométricos.
Intuitivamente, parece que mientras más polvo haya depositado menos probable será
que una nueva partícula se adhiera. De hecho hay resultados que avalan esta hipótesis
geométrica al presentar gráficas en las que la deposición de polvo se atenúa levemente
conforme pasa el tiempo. Ejemplos de ello son las figuras 74 y, especialmente, 75.
Figura 74. Pérdidas en función de la inclinación del panel y el tiempo transcurrido. Fuente: [1].
Figura 75. Pérdidas en función de la inclinación del panel y el tiempo transcurrido. Fuente: [20].
Tipo de tecnología fotovoltaica
Se trata de un elemento que influye en las pérdidas por suciedad a través de su relación
con la longitud de onda, como ya vimos en el capítulo 2.2.4. De esta forma, mientras
86
mayores sean las longitudes de onda a las que trabaja un panel, menores serán las
pérdidas asociadas a la suciedad. No se han encontrado otros mecanismos de influencia
por parte de este elemento.
Tipo de partícula
Es cierto que la influencia del tipo de partícula englobaría la anteriormente citada de la
composición química, pero iría mucho más lejos porque cada tipo de suciedad (arcilla,
caliza, arena, ceniza, etc.) tiene en común otras propiedades como son el tamaño de
partícula, forma, dureza o el color.
Sólo se ha encontrado un informe que estudie en cierto detalle este tema: se trata del
ya mencionado [33], que compara los efectos de arcilla (red soil), ceniza (ash) y polvo de
caliza (limestone). Como se observa en la figura 76, el orden de mayor a menor perjuicio
ocasionado sería arcilla, polvo de caliza y ceniza. Sin embargo, el carácter aislado de este
informe junto con su credibilidad dudosa (contradice dos tendencias ampliamente
documentadas en la literatura científica), nos permite considerar este factor como
irrelevante, aunque pendiente de confirmación.
Figura 76. Pérdidas en función del polvo acumulado y del tipo de partícula. Fuente: [33].
A pesar de estos resultados de [33] que limitan el impacto de la ceniza, hay un tema
interesante citado en varios informes, que es la peligrosidad de las partículas resultantes
de la combustión, procedentes, principalmente, de fábricas o del escape de los coches.
Esto afectaría especialmente a las instalaciones próximas a zonas urbanas y estimo que
el peligro de este tipo de partículas puede residir, además de en su minúsculo tamaño
de partícula (ver capítulo 2.2.7), en su característico color negro que absorbe toda la
radiación del espectro visible, el cual conforma la mayor parte del espectro en que
trabajan los paneles solares.
87
2.3. Pérdidas
2.3.1. Relación entre polvo depositado y pérdidas
En el presente capítulo analizamos la relación existente entre el polvo depositado (ω) y
las pérdidas que ocasiona. El primero será medido a través de su densidad superficial
(mg/cm2 o g/m2). Las pérdidas, a su vez, serán medidas en forma de disminución de
potencia del panel o transmisividad de la cubierta frontal (%).
De cara a establecer una relación entre polvo depositado y pérdidas, hemos elaborado
las figuras 77 y 78, que aglutinan, en distintas escalas, todos los resultados referentes a
este tema publicados en los informes examinados.
Figura 77. Curvas que relacionan pérdidas y densidad de polvo depositado de diferentes
publicaciones (aumentada). Fuente: elaboración propia.
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15
Pé
rdid
as (
%)
Densidad de polvo depositado (g/m2)
[7]
[29]
[20]
[5]
[23]
[3]
[1]
[2]
88
Figura 78. Curvas que relacionan pérdidas y densidad de polvo depositado de diferentes
publicaciones (aumentada). Fuente: elaboración propia.
Cualitativamente sí que se observa la misma tendencia en casi todas las curvas: las
pérdidas se atenúan conforme aumenta la suciedad acumulada, ajustándose
aproximadamente a una exponencial inversa. Se trata de una evolución observada en
múltiples referencias de todas las publicaciones revisadas y en todo tipo de
experimentos, fueran estudios de campo o laboratorio, excepto en el ya mencionado
[33] así como en [5] y [2]. Esto se explica por el hecho de que, conforme aumentan las
partículas en el panel, el sombreamiento es de cada vez menos efectivo al superponerse
unas con otras.
Sin embargo, cuantitativamente se aprecia que los resultados son excesivamente
dispares. Es cierto que algunos informes miden las pérdidas de ISC en lugar de pérdidas
de transmisividad o potencia. Además, hay factores como el AOI o el tamaño de
partícula que pueden hacer variar las pérdidas para una misma densidad de polvo. Pero
todo ello sólo justificaría un desajuste mínimo de las curvas.
Hemos de destacar que la curva extraída del estudio [23] consiste en el siguiente ajuste
de orden cuatro que realizaron a partir de los datos obtenidos entre 1.5 y 9 g/m2:
∆𝜏 = 0.0381𝜔4 − 0.8626𝜔3 + 6.4143𝜔2 − 15.051𝜔 + 16.769
Δτ representa la pérdida de transmisividad en porcentaje y ω el polvo acumulado en
g/m2. Asimismo, varios informes plantean la posibilidad de simplificar mediante una
linealización para los valores más bajos de suciedad acumulada (hasta 1-1.5 g/m2). Los
0
10
20
30
40
50
60
70
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
Pé
rdid
as (
%)
Densidad de polvo depositado (g/m2)
[7]
[29]
[20]
[5]
[23]
[3]
[1]
[2]
89
resultados de [29], incluidos en las anteriores figuras 77 y 78 y mostrados en detalle en
la figura 79, se ajustan a una regresión lineal cuya ecuación sería:
∆𝜏 = 5.8𝜔
Nótese que sus resultados ajustan perfectamente los de [20] mostrados anteriormente.
Figura 79. Pérdidas en función de la densidad de polvo acumulado. En azul, la linealización: Δτ
= 5.8 ω. Fuente: [29].
Agrupando las curvas en función del orden de magnitud de las pérdidas obtenemos la
siguiente tabla 22:
Nivel de pérdidas Curvas Pérdidas (%) Polvo acumulado
(g/m2)
Alto [5]
10
20
30
0.3
0.8
1.3
Medio-alto [2]
10
20
30
2.0
3.2
4.5
Medio [23], [20], [29]
10
20
30
1.5 - 3
4 - 5
10
Bajo [1], [7], [3]
10
20
30
10 - 12
20 - 25
30 - 40
Tabla 22. Órdenes de magnitud de las pérdidas en función de la acumulación de polvo de las
distintas publicaciones. Fuente: elaboración propia.
90
Es evidente que esta disparidad de los resultados no permite establecer conclusiones
fehacientes y, por tanto, haría falta más información para acotar de forma más efectiva
esta dependencia. De hecho el resultado presentado por [5] resulta inverosímil y estimo
que el nivel de pérdidas que mejor ajusta la realidad del fenómeno es el medio.
2.3.2. Relación entre tiempo de exposición y pérdidas
También hay varios estudios que relacionan las pérdidas con el polvo depositado pero
de forma indirecta, a través del tiempo transcurrido con el panel a la intemperie. Una
mayoría significativa de ellos refleja un aumento aproximadamente lineal, que se cifra
en un 0.2-0.3%/día para lugares como Málaga, Arizona y California ([9], [36] y [34]
respectivamente, ver figura 80). Sin embargo, también hay ejemplos de una atenuación
marcada, como es la figura 81. De modo que haría falta un mayor volumen de estudios
para aclarar el fenómeno y su posible dependencia con otras circunstancias.
Figura 80. Seguimiento diario de los niveles de pérdidas (barras grises) y de lluvia (barras
negras). Fuente: [9].
Figura 81. Pérdidas en función de la inclinación del panel y el tiempo transcurrido. Fuente: [1].
91
2.3.3. Compilación de estudios de campo realizados en distintas
partes del mundo
A continuación, la tabla 23 presenta una compilación de todos los estudios de campo
observados que estudian los efectos de la suciedad en paneles fotovoltaicos (quedan
excluidos otros tipos). En ella recogemos las pérdidas observadas así como los
parámetros necesarios para contextualizarlas y poder hacer una evaluación rigurosa. De
esta forma podremos establecer, a grandes rasgos, un orden de magnitud de las
pérdidas por suciedad en función, principalmente, de la ubicación geográfica y su clima.
También nos permitirá valorar otros factores como el ángulo de inclinación del panel o
la época del año para afinar algo más en la estimación de cada caso.
Para comprender bien la tabla veamos, previamente, una serie de pautas y explicaciones
terminológicas:
Pérdidas totales: pérdidas promedio a lo largo del estudio, a no ser que se
especifique que es de un periodo concreto solamente.
Pérdidas mensuales: pérdidas totales de los meses.
Pérdidas puntuales: pérdidas registradas en una medición puntual. De forma que
las pérdidas las pérdidas puntuales máximas serían el valor máximo de todas las
mediciones realizadas en un periodo.
A no ser que se especifique lo contrario, al inicio de los estudios los paneles están
completamente limpios y no son limpiados durante el desarrollo de los mismos.
La terminología en relación al clima se basa en la figura 82 mostrada antes de la
tabla.
De cara a evaluar las pérdidas de un lugar, los estudios más representativos serán
aquellos cuya duración abarca ciclos anuales completos, al depender las pérdidas
fuertemente de la época del año.
92
Figura 82. Climas del mundo.
Estudio Año Localización Ambiente Clima
Nivel de lluvias
(días/año ≥ 1 mm)
Duración del estudio
Inclinación de los
paneles
Parámetro de
pérdidas medido
Conclusiones referentes a pérdidas por suciedad
[1] 2012 Lovaina (Bélgica)
Urbano Oceánico Alto
(126)
56 días (mar – abr)
Múltiple τ
Tras 35 días observan las siguientes pérdidas puntuales según la inclinación del panel, las cuales apenas aumentan hasta el final del experimento:
o 0º: 5% o 30º: 4% o 60º: 3% o 90º: 1.2%
[6] 2011 Hermosillo,
Sonora (México)
Urbano Desértico Bajo
(37) 20 días
Paneles con
seguidores P
Pérdidas puntuales medidas al final del experimento: o a-Si (cubierta de plástico): 14% o m-Si (cubierta de cristal): 8.5% o p-Si (cubierta de cristal): 5.2%
[9] 2011 Málaga
(España) Urbano Mediterráneo
Bajo
(43) 1 año 30º P
Pérdidas totales del 4.4%.
Las pérdidas mensuales apenas suponen un 2%, excepto durante los meses secos que superan el 15%.
Durante los casi tres meses que no se registró ninguna lluvia las pérdidas puntuales aumentaron linealmente día a día alcanzando el 22%.
[10] 1990
Jodhpur, desierto de
Thar
(India)
Desértico Desértico Muy bajo
(21) 20 meses
(may – dic) Múltiple τ
Pérdidas totales promedio de las muestras a lo largo del periodo según el ciclo de limpieza, la inclinación y la cubierta:
o Ciclo de limpieza diario: 0º 45º 90º
Vidrio 4.26% 2.94% 1.36% PVC 7.15% 5.16% 2.35% Acrílico 5.27% 3.98% 1.78%
o Ciclo de limpieza semanal: 0º 45º 90º
Vidrio 15.06% 9.88% 3.23% PVC - 12.78% 8.38% Acrílico 17.10% 11.08% 6.47%
Estudio Año Localización Ambiente Clima
Nivel de lluvias
(días/año ≥ 1 mm)
Duración del estudio
Inclinación de los
paneles
Parámetro de
pérdidas medido
Conclusiones referentes a pérdidas por suciedad
[19] 2011
Mesa, Arizona
(EE UU)
Urbano Desértico Muy bajo
(23)
3 meses
(ene – mar) Múltiple P
Pérdidas totales según el ángulo de inclinación: o 0º: 2.02% o 10º: 1.17% o 20º: 0.99% o 33º: 0.96% o 40º: 0.69%
Pérdidas puntuales máximas: o 0º: 4.5% o 23º: 3.8% o 33º: 3.3%
[20] 2001 Minia
(Egipto) Urbano Desértico
Muy bajo (0.3)
30 días Múltiple τ
Pérdidas puntuales según el ángulo de inclinación:
Tras 15 días Tras 30 días
o 0º 19% 27% o 10º 16.5% 24% o 20º 14% 20% o 30º 13% 18.5% o 40º 11% 16%
[22] 2012 Singapur
(Singapur) Urbano Ecuatorial
Muy alto
(178)
116 días (ago – nov)
Múltiple (0º, 10º, 20º, 30º, 40º, 50º, 60º, 70º,
80º y 90º)
τ
Pérdidas puntuales, promedio de las muestras a distintas inclinaciones:
o Inicio del experimento: 9% o Tras 33 días: 12.4% o Fin del experimento (tras 116 días): 13.5%
Estudio Año Localización Ambiente Clima
Nivel de lluvias
(días/año ≥ 1 mm)
Duración del estudio
Inclinación de los
paneles
Parámetro de
pérdidas medido
Conclusiones referentes a pérdidas por suciedad
[23] 2006 Helwan (Egipto)
Urbano Desértico Muy bajo
(2.5)
7 meses
(dic – jun) Múltiple τ
Pérdidas puntuales medidas al final del experimento: o 0º: 52.5% o 15º: 44.7% o 30º: 44.5% o 45º: 42.6% o 60º: 39.0% o 75º: 29.0% o 90º: 14.4%
[24] 2010 Kuwait
(Kuwait) Urbano Desértico
Muy bajo (19)
5 meses
(abr – ago)
Múltiple (0º, 15º, 30º, 45º,
60º y 90º)
P
Pérdidas puntuales a finales de cada mes, promedio entre las distintas inclinaciones:
o Abril: 12% o Mayo: 24% o Junio: 6.5% o Julio: 10.5% o Agosto: 10%
Las pérdidas puntuales máximas para paneles horizontales fueron del 37% mientras que para paneles verticales del 4%.
[25] 1998 Berna
(Suiza) Industrial Continental
Alto
(125) 4 años 30º P
Tras ese periodo limpiaron los módulos y descubrieron unas pérdidas puntuales de en torno al 10%.
[30] 2009 El Cairo (Egipto)
Desértico Desértico Muy bajo
(0) 1 año 25º P
Pérdidas puntuales aproximadas: o Tras dos meses: 25% o Tras un año: 35%
[31] 2011 Tudela
(España) Rural
Mediterráneo / Oceánico
Bajo
(50) 1 año Múltiple P
Pérdidas totales según el ángulo de inclinación y seguidores:
o 45º con seguidor acimutal: 2.8% o 0º con panel fijo: 6.8%
Estudio Año Localización Ambiente Clima
Nivel de lluvias
(días/año ≥ 1 mm)
Duración del estudio
Inclinación de los
paneles
Parámetro de
pérdidas medido
Conclusiones referentes a pérdidas por suciedad
[32] 2012 Taiyuan (China)
Urbano Semiárido Bajo
(45)
2 semanas (nov)
Múltiple P
Pérdidas puntuales medidas al final del experimento: o 0º: 32.6% o 45º: 15% o 90º: 7%
[34] 2012 California
(EE UU) Rural
Mediterráneo / Desértico
Bajo 4 meses
(jul – oct) 25º P
Las pérdidas puntuales aumentan de forma aproximadamente lineal a un ritmo del 9%/mes, o lo que es lo mismo, 0.3%/día, aunque la lluvia reinicia este proceso.
[35] 2008 Málaga
(España) Urbano Mediterráneo
Bajo
(43) 1 año 30º Isc
Pérdidas totales de en torno al 6%.
La mayoría de los meses presentan pérdidas mensuales entre el 2% y el 9% a excepción de agosto, donde alcanzan el 16%.
Las pérdidas puntuales máximas se acercan, pero sin llegar, al 20%.
[37] 2013 Limasol (Chipre)
Urbano Mediterráneo Bajo
(43) 1 año 31º P
Pérdidas puntuales: o Invierno: despreciables. o Primavera:
Tras la primera semana: 2.1% Tras la segunda semana: 3.0% Tras la tercera semana: 3.5%
o Verano: Tras la primera semana: 3.3% Tras nueve semanas alcanzan el 12% y
se estabilizan el restante mes de verano
[46] 2012 Ogbomoso
(Nigeria) Urbano
Tropical húmedo
Medio (83)
3 meses
(dic – feb), dos años seguidos
0º P
Pérdidas totales del 20%.
Estudio Año Localización Ambiente Clima
Nivel de lluvias
(días/año ≥ 1 mm)
Duración del estudio
Inclinación de los
paneles
Parámetro de
pérdidas medido
Conclusiones referentes a pérdidas por suciedad
[47] 2000
Davis, California
(EE UU)
Urbano Mediterráneo Bajo
(40) 2 años 18.4º ISC
Pérdidas totales del 7%.
Las pérdidas mensuales máximas alcanzan el 20%.
Tabla 23. Estudios de campo realizados a lo largo de todo el mundo. Fuente: elaboración propia.
98
99
3. Conclusiones
3.1. Síntesis
En este capítulo nos hemos centrado en seleccionar, estructurar, sintetizar y analizar el
conocimiento expuesto a lo largo de nuestro trabajo para elaborar una serie de tablas
que detallan con rigor el fenómeno investigado, las posibles actuaciones para
minimizarlo y estimaciones de pérdidas.
Tabla S1
Explica el funcionamiento de los distintos mecanismos de deposición y desprendimiento
de partículas.
Tabla S2
Explica y evalúa la influencia separada de cada factor y las posibles actuaciones que se
pueden llevar a cabo en cada caso.
Tabla S3
Recoge la existencia o no de interrelaciones entre los distintos factores estudiados a lo
largo del trabajo.
Tabla S4
El análisis de la anterior tabla 23, junto con todo el estudio en conjunto, me lleva a
proponer las siguientes categorías respecto al promedio anual de pérdidas derivadas de
la suciedad. Se trata de una clasificación en función del tipo de clima y ubicación de los
paneles. Hacemos varias suposiciones:
1) Paneles fijos colocados en los rangos habituales (0-45º).
2) Periodo de un año.
3) Los paneles están limpios al inicio del periodo y no se limpian durante el mismo.
4) La terminología en relación al clima se basa en la figura 83 mostrada a
continuación de la tabla.
Es muy importante tener en cuenta que los rangos propuestos serán los típicos y pueden
ser sobrepasados ya que hay muchos más factores involucrados. En función de ellos
podremos estar en la parte alta del rango, en la baja o sobrepasarlo inclusive.
100
MECANISMOS DE DEPOSICIÓN Y DESPRENDIMIENTO
Tipo de mecanismo Favorecido por… Perjudicado por…
Deposición
Por gravedad
Partículas grandes, ya que el proceso es proporcional a D2.
Elevada concentración de partículas en el ambiente.
La inclinación del panel (β). El área efectiva de acumulación por gravedad (Aef) es la proyección del panel en el plano horizontal: Aef = Apanel * cos β. Por tanto, mayor inclinación conlleva menor área efectiva. Además, la inclinación dificulta que la partícula se retenga en el panel.
Viento.
Por difusión (acción del
viento generalmente)
Viento.
Partículas pequeñas, ya que el proceso de difusión es inversamente proporcional a D.
Elevada concentración de partículas en el ambiente.
Desprendimiento
Por viento
Partículas grandes, ya que el proceso de desprendimiento es proporcional a D2 mientras que el de adhesión lo es a D.
Viento.
Por lluvia
Frecuentes lluvias aunque no necesariamente abundantes.
Inclinación del panel moderada.
Partículas grandes.
Panel horizontal.
Por gravedad Partículas grandes
Inclinación del panel
Tabla S1. Mecanismos de deposición y desprendimiento de partículas de un panel. Fuente:
elaboración propia.
Tabla S2. Factores que influyen en las pérdidas por suciedad: mecanismos de actuación, valoración cuantitativa y exposición y valoración de las actuaciones para reducir sus
perjuicios. Fuente: elaboración propia.
INFLUENCIA DE LOS FACTORES
Factor Mecanismos de actuación Grado cuantitativo de la influencia Dependencia
con la localización
Posibles medidas y margen de actuación en la influencia del factor
Velocidad del viento
Vientos intensos favorecen la deposición de polvo por el mecanismo de difusión pero penalizan el mecanismo gravitatorio. Asimismo, es posible que también aumenten la concentración de partículas en el ambiente.
No se ha podido establecer si afecta de forma positiva o negativa debido a los efectos contrapuestos señalados. Por tanto, tampoco ha sido posible cuantificar su influencia exacta. No parece probable que sea un factor crucial aunque sí de cierta importancia.
2* SI -
Orientación del viento
Vientos que inciden de forma directa depositan más partículas en el panel, aunque la presencia de lluvia revierte esta tendencia al favorecerse su efecto limpiador. Este efecto pierde fuerza conforme disminuye el β.
Las pérdidas totales pueden variar hasta un 0.5%, cifra que podría elevarse ligeramente en casos de altos β (nada habituales).
1 SI -
Humedad
Ayuda, supuestamente, en el proceso de deposición de polvo al aumentar la adherencia de las partículas.
No se ha observado ninguna correlación en los estudios examinados.
0 SI -
Concentración de partículas
Es evidente que una mayor concentración de partículas conllevará mayor deposición de suciedad.
La acumulación de polvo es lineal respecto a la concentración de partículas. El valor de la pendiente de esa recta depende de la velocidad del viento: menos intensidad favorece la acumulación.
4 SI -
Factor Mecanismos de actuación Grado cuantitativo de la influencia Dependencia
con la localización
Posibles medidas y margen de actuación en la influencia del factor
Longitud de onda
Las partículas depositadas disminuyen en mayor proporción la conversión en energía de los rayos de menor longitud de onda, de forma que los paneles que trabajen en esas franjas se verán más afectados.
Según la tecnología elegida y el nivel de suciedad, las pérdidas totales pueden variar hasta un 3%.
2 NO Elección de la tecnología del panel. 4
Ángulo de incidencia (AOI)
Conforme mayor es el AOI mayor es la sombra que proyecta una partícula, aumentando las pérdidas.
Las pérdidas totales pueden verse agravadas un 20-35% respecto a una incidencia de 0º (perpendicular).
3 SI** Instalación de seguidores. 4
Ángulo de inclinación del
panel (β)
Un mayor β favorece la acumulación de menos polvo debido al efecto gravitatorio y a que disminuye el área efectiva de cara a la deposición por gravedad.
Las pérdidas por suciedad son, aproximadamente, el doble a 0º que a 60º, habiendo una variación progresiva entre ambos puntos.
4 SI**
Estudiar la viabilidad de la colocación a pequeños ángulos (5º) en lugar de completamente horizontal en los casos correspondientes.
Instalación de seguidores o mecanismos para colocarlos boca abajo o al menos en vertical durante la noche.
2
Tamaño de las partículas (D)
Partículas de menor diámetro sombrean de forma más eficaz el panel para una misma densidad de polvo acumulada.
Según el D las pérdidas podrían llegar a triplicarse o cuadruplicarse (informes de laboratorio). Sin embargo, las muestras de partículas en lugares reales contienen todo tipo de tamaños y son similares; la influencia real de unas localizaciones a otras está aún por aclarar pero se intuye que, como mucho, será moderada.
2* SI -
Factor Mecanismos de actuación Grado cuantitativo de la influencia Dependencia
con la localización
Posibles medidas y margen de actuación en la influencia del factor
Lluvias
Arrastra la suciedad con ella limpiando los paneles. En casos muy excepcionales lluvias escasas podrían tener el efecto contrario.
El efecto limpiador de la lluvia es enorme. Habitualmente, e incluso tras lluvias escasas, se retorna prácticamente al 0% de pérdidas por suciedad. Sin embargo, en circunstancias concretas puede empeorar la situación.
4 SI Estudiar el patrón habitual de lluvias durante el año en el lugar para diseñar las pautas de limpieza.
2
Tormentas de arena
Muy perjudiciales por motivos evidentes.
Son determinantes al producir picos enormes de acumulación de polvo y pérdidas. Éstos reducirán la producción entre un 5% y un 25% (o incluso más en los peores casos) a su paso hasta su eventual limpieza.
4 SI
Instalación de seguidores o mecanismos para colocar boca abajo los paneles durante la tormenta.
Al ser muy localizadas en una época del año, estudiar ese patrón para prever la limpieza de la instalación, que debería ser acometida justo tras su paso.
2
Cubierta frontal El material puede influenciar la deposición de mayor o menor suciedad.
Las cubiertas de vidrio acumulan entre el 50% y el 75% de la suciedad que acumulan las de plásticos (polímeros).
3 NO Instalar cubiertas de vidrio. 0***
Revestimientos Revestimientos para minimizar la acumulación de suciedad
Hay estudios, según los cuales, los revestimientos podrían ayudar a mejorar las pérdidas hasta en un 50% respecto al panel liso, aunque se trata de un campo de investigación aún en desarrollo.
3**** NO Instalar los revestimientos adecuados.
4****
* Grado estimado sin basarnos en datos cuantitativos empíricos
** De manera indirecta
*** No se considera margen de maniobra en este factor ya que todos los paneles a día de hoy llevan cubierta frontal de vidrio
**** Especialmente de cara al futuro
Factor Mecanismos de actuación Grado cuantitativo de la influencia Dependencia
con la localización
Posibles medidas y margen de actuación en la influencia del factor
Deposición irregular
Debido al funcionamiento eléctrico del panel, los casos de distribución irregular de la suciedad pueden agravar las pérdidas.
No se ha podido cuantificar este fenómeno, aunque en casos importantes tendrá relevancia moderada. Tampoco se ha podido establecer con qué probabilidad se puede dar este fenómeno, aunque posiblemente sea muy excepcional.
1* SI
Disposición apaisada o vertical del panel en caso de existir un patrón habitual de forma que se acumula más polvo en las zonas bajas debido a la inclinación.
Limpiar las zonas especialmente afectadas en cuanto se detecte el fenómeno.
3
Tabla S3. Interacciones entre los distintos factores. Fuente: elaboración propia.
INTERACCIONES ENTRE FACTORES
Velocidad del viento
Orientación del Viento
Humedad Conc. Part.
Long. Onda
β AOI D Lluvia Tormentas de arena
Cubierta frontal
Revestimientos Dep.
irregular
Velocidad del viento
X X X X Velocidad del
viento
Orientación del viento
X Orientación del
viento
Humedad Humedad
Concentración de partículas
X X Concentración de partículas
Longitud de onda
X Longitud de
onda
Ángulo de inclinación (β)
X X X X Ángulo de
inclinación (β)
AOI AOI
Tamaño de las partículas (D)
X Tamaño de las partículas (D)
Lluvia Lluvia
Tormentas de arena
Tormentas de
arena
Cubierta frontal
Cubierta frontal
Revestimientos Revestimientos
Deposición irregular
Deposición
irregular
Velocidad del viento
Orientación del viento
Humedad Conc. Part.
Long. Onda
β AOI D Lluvia Tormentas de arena
Cubierta frontal
Revestimientos Dep.
irregular
106
VALORACIÓN FINAL
Clima Nivel de lluvia Características Pérdidas Otros
Oceánico
Ecuatorial Muy alto
Lluvias frecuentes a lo largo de todo el año
2-4%
Continental Alto Lluvias frecuentes a lo largo de todo el año
3-6%
Mediterráneo Bajo – Medio
Lluvias relativamente frecuentes durante todas las estaciones
salvo verano
5-10%
Las pérdidas se concentran en verano, estación en la que pueden alcanzan un
15-25%
Tropical Bajo – Medio Dos grandes estaciones a lo largo del año: seca
y húmeda 10-25%
Las pérdidas se concentran en la estación seca, donde
son parecidas a las desérticas
Desértico Muy bajo Zonas secas a lo largo
de todo el año 20-50%
Tabla S4. Estimación de las pérdidas en función de la localización. Fuente: elaboración propia.
107
Figura 83. Climas del mundo.
Figura 5. Mapa mundial de irradiación solar. Fuente: VAISALA.
108
3.2. Valoración final
En esta revisión activa de la literatura que se ha llevado a cabo hemos podido comprobar
la complejidad del fenómeno de deposición de suciedad en paneles y sus pérdidas
asociadas: se han localizado más de una decena de factores con influencia en mayor o
menor grado. Asimismo, se han localizado casi una veintena de estudios de campo que
aportan cifras experimentales cuya interpretación resulta complicada pero reveladora.
Las conclusiones de nuestra labor de investigación vienen recogidas en el anterior
capítulo 3.1 de síntesis de forma detallada y precisa. Las tablas aportadas permiten
contemplar el fenómeno estudiado en su conjunto desde una perspectiva global, muy
útil para contextualizar de forma adecuada la intervención de cada uno de los factores
en el problema global.
Primeramente se han identificado y explicado el funcionamiento de los mecanismos por
los cuales se depositan y se desprenden las partículas de polvo de los paneles, los cuales
quedan perfectamente resumidos en la tabla S1.
Asimismo, el exhaustivo y complejo análisis de los distintos factores involucrados en el
fenómeno que nos ocupa queda expuesto en la tabla S2, detallada pero a la vez concisa.
Estamos, por tanto, ante un escenario en el que la lluvia, la concentración de partículas,
los episodios de tormentas de arena y el ángulo de inclinación del panel son los factores
de mayor importancia en la acumulación de polvo. Especialmente la lluvia y las
tormentas de arena, ya que limpian o ensucian por completo el panel en cuestión de
horas. También hay otro factor destacado que es el ángulo de incidencia: su impacto es
considerable y, además, el margen de actuación sobre él es total, ya que la instalación
de seguidores eliminaría estas pérdidas. Por el otro lado, factores que se podrían pensar
importantes como el viento o la humedad han demostrado tener un impacto muy
limitado.
Evidentemente y como viene registrado en la tabla S2, la gran mayoría de factores
dependen en mayor o menor medida de la localización, de modo que una elección
adecuada sería una posible medida para minimizar los daños por suciedad. Sin embargo,
el hecho de que son muchísimos factores, unido a que existen otros criterios de mayor
prioridad (económicos, terrenos, irradiación), hace que, salvo en casos muy aislados, no
tenga sentido estudiar en detalle la localización en este sentido.
Igualmente se han recopilado las interrelaciones existentes entre los distintos factores
en la tabla S3 cuyo análisis en detalle queda recogido en el cuerpo del trabajo. Es cierto
que son numerosas (se han observado 13), sin embargo, la mayoría no son relevantes
por distintos motivos: tienen escasa influencia cuantitativa, están basadas en teorías no
investigadas, no están confirmadas de forma rigurosa o son casi imposibles de evaluar
109
de forma aislada. Solamente destacaría un par de interacciones. Por un lado, la
velocidad del viento y la concentración de partículas interactúan de modo que fuertes
vientos aumentan la concentración de partículas. Sin embargo, son vientos suaves los
que favorecen la deposición de esas partículas del ambiente. Por el otro, es probable
que el efecto de la lluvia mejore de forma significativa cuando el viento sopla de forma
directa a la superficie del panel. Sin embargo, su efecto benigno puede tornar en
perjudicial en lugares áridos donde la concentración de partículas es elevada: lluvias
ligeras arrastran las partículas depositándose gotas de barro.
Por último, la tabla S4 establece una serie de estimaciones aproximadas que permiten
predecir las pérdidas por suciedad de una central fotovoltaica dependiendo,
principalmente, de dónde esté instalada, estimación que se puede afinar valorando
otros parámetros. Este aspecto es fundamental a la hora de proyectar una central
fotovoltaica debido a la vida útil tan prolongada de este tipo de instalaciones (20-40
años) y su enorme coste.
Se ha observado también cómo los lugares con mayor irradiación del plantea suelen ser
también los que registran mayores pérdidas. Esto se debe principalmente al efecto de
la lluvia: una alta frecuencia de las mismas mantienen el panel limpio pero a cambio de
la existencia de muchos días nublados. Lugares con alta irradiación no tendrán lluvias
frecuentes y acumularán más suciedad. Como habíamos comentado, la irradiación
captada por el panel es un efecto predominante sobre las pérdidas por suciedad. Es por
ello que, incluso si no se lleva a cabo limpieza de los paneles, una planta en un lugar
desértico de Oriente Medio con un 35% de pérdidas producirá mucha más energía que
en un lugar de Centroeuropa en el que no lleguen al 5%.
Asimismo, confirmamos la sospecha planteada en la introducción: las pérdidas por
suciedad son habitualmente infravaloradas. Solamente son escasas en lugares lluviosos
con niveles de irradiación solar bajos o medios, donde raramente superarán el 5%. Para
zonas similares a la mediterránea (irradiación media y lluvias casi nulas durante el
verano). Sin embargo, en lugares con irradiaciones altas o muy altas las pérdidas son
siempre mayores del 10%: en los rangos de 10-25% y 20-50% oscilarían para climas
tropicales y desérticos respectivamente, números que chocan con los habituales
coeficientes aplicados que no superan el 5%. Estas elevadísimas cifras ganan
importancia si cabe teniendo en cuenta dos aspectos mencionados en la introducción:
el crecimiento exponencial e imparable del sector fotovoltaico y la incorporación de los
países de las zonas con mayor irradiación. Por todo ello han de ser tomadas muy en
serio, y obligan a que en un futuro, lo más próximo posible, las corporaciones que
proyecten centrales fotovoltaicos las consideren tanto en la planificación, con
estimaciones rigurosas, como en su desarrollo, con planes de limpieza ajustados al lugar
y que permitan actuar de inmediato frente a las tormentas de arena.
Precisamente, esa es otra de las ideas más relevantes a extraer de este trabajo: la gran
eficacia de unas adecuadas labores de prevención. Hay ubicaciones donde se dan climas
110
con épocas secas en las que se disparan las pérdidas (climas mediterráneo y tropical).
Asimismo, se ha comprobado que las tormentas de arena, otro factor decisivo relevante,
se concentran en una determinada época del año que depende del lugar. Por tanto,
concentrar las tareas de prevención y limpieza tanto en épocas secas como durante las
tormentas de arena se antoja fundamental.
Finalmente y a pesar de todo el conocimiento expuesto, no hay que perder de vista que
aún queda mucho por aprender y descubrir en esta materia. Como se puede leer en
diversos capítulos del cuerpo o en la tabla S2, no se han podido aclarar completamente
la influencia de factores como el viento, el tamaño de partícula o la deposición irregular.
También quedan pequeños aspectos pendientes de confirmar o aclarar en varios
factores más. Esta situación resume perfectamente mi labor de investigación, ya que la
escasez de publicaciones genera contradicciones y temas no tratados, que son fruto de
la complicadísima labor del científico en su aproximación a fenómenos relativamente
inexplorados y tan complejos. Sin embargo, es previsible que, en un futuro próximo, el
veloz desarrollo de esta tecnología aumente la producción de informes relativos a este
tema y se aclaren muchas dudas que aún persisten. De esta forma, es probable que
labores de investigación como la realizada en este trabajo queden obsoletas de forma
prematura, lo cual será una maravillosa señal.
111
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