É assim que os painéis solares podem ser mantidos limpos – sem usar água

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  • Espera-se que a energia solar atinja 10% da geração global de energia até 2030.
  • Mas o acúmulo de poeira nos painéis solares pode reduzir a produção em 30%, enquanto limpá-los consome cerca de 10 bilhões de galões de água por ano.
  • Os engenheiros do MIT desenvolveram um método de limpeza sem água para remover poeira em instalações solares em regiões com limitação de água.
  • O novo sistema usa repulsão eletrostática para fazer com que as partículas de poeira se soltem e praticamente saltem da superfície do painel.

Espera-se que a energia solar alcance 10% da geração global de energia até o ano de 2030, e muito disso provavelmente estará localizado em áreas desérticas, onde a luz solar é abundante. Mas o acúmulo de poeira em painéis solares ou espelhos já é um problema significativo – pode reduzir a produção de painéis fotovoltaicos em até 30% em apenas um mês – portanto, a limpeza regular é essencial para essas instalações.

Mas a limpeza de painéis solares atualmente é estimada em cerca de 10 bilhões de galões de água por ano – o suficiente para fornecer água potável para até 2 milhões de pessoas. As tentativas de limpeza sem água são trabalhosas e tendem a causar arranhões irreversíveis nas superfícies, o que também reduz a eficiência. Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT desenvolveu uma maneira de limpar automaticamente os painéis solares, ou os espelhos das usinas solares térmicas, em um sistema sem água e sem contato que poderia reduzir significativamente o problema da poeira, dizem eles.

O novo sistema utiliza repulsão eletrostática para fazer com que as partículas de poeira se soltem e praticamente saltem da superfície do painel, sem a necessidade de água ou escovas. Para ativar o sistema, um simples eletrodo passa logo acima da superfície do painel solar, conferindo uma carga elétrica às partículas de poeira, que são repelidas por uma carga aplicada no próprio painel. O sistema pode ser operado automaticamente usando um motor elétrico simples e trilhos de guia ao longo da lateral do painel. A pesquisa é descrita na revista Science Advances, em um artigo do estudante de pós-graduação do MIT Sreedath Panat e do professor de engenharia mecânica Kripa Varanasi.

Apesar dos esforços conjuntos em todo o mundo para desenvolver painéis solares cada vez mais eficientes, diz Varanasi, “um problema mundano como a poeira pode realmente afetar seriamente a coisa toda”. Testes de laboratório conduzidos por Panat e Varanasi mostraram que a queda da produção de energia dos painéis ocorre abruptamente no início do processo de acúmulo de poeira e pode facilmente chegar a 30% de redução após apenas um mês sem limpeza. Mesmo uma redução de 1% na energia, para uma instalação solar de 150 megawatts, eles calcularam, poderia resultar em uma perda de US$ 200.000 em receita anual. Os pesquisadores dizem que, globalmente, uma redução de 3 a 4% na produção de energia das usinas solares equivaleria a uma perda entre US$ 3,3 bilhões e US$ 5,5 bilhões.

“Há muito trabalho em andamento em materiais solares”, diz Varanasi. “Eles estão ultrapassando os limites, tentando ganhar alguns por cento aqui e ali para melhorar a eficiência, e aqui você tem algo que pode obliterar tudo isso imediatamente.”

Muitas das maiores instalações de energia solar do mundo, incluindo as da China, Índia, Emirados Árabes Unidos e EUA, estão localizadas em regiões desérticas. A água usada para limpar esses painéis solares usando jatos de água pressurizados deve ser transportada à distância e deve ser muito pura para evitar deixar depósitos nas superfícies. A lavagem a seco às vezes é usada, mas é menos eficaz na limpeza das superfícies e pode causar arranhões permanentes que também reduzem a transmissão de luz.

O novo sistema usa repulsão eletrostática para fazer com que as partículas de poeira se soltem e praticamente saltem da superfície do painel. Imagem: MIT News Office/ David L. Chandler

A limpeza com água representa cerca de 10% dos custos operacionais das instalações solares. O novo sistema pode potencialmente reduzir esses custos e melhorar a produção geral de energia, permitindo limpezas automatizadas mais frequentes, dizem os pesquisadores.

“A pegada hídrica da indústria solar é incompreensível”, diz Varanasi, e aumentará à medida que essas instalações continuarem a se expandir em todo o mundo. “Então, a indústria tem que ser muito cuidadosa e ponderada sobre como tornar isso uma solução sustentável.”

Outros grupos tentaram desenvolver soluções baseadas em eletrostática, mas elas contaram com uma camada chamada tela eletrodinâmica, usando eletrodos interdigitados. Essas telas podem ter defeitos que permitem a entrada de umidade e causam falhas, diz Varanasi. Embora possam ser úteis em um lugar como Marte, diz ele, onde a umidade não é um problema, mesmo em ambientes desérticos na Terra isso pode ser um problema sério.

O novo sistema desenvolvido por eles requer apenas um eletrodo, que pode ser uma simples barra de metal, para passar sobre o painel, produzindo um campo elétrico que transmite uma carga às partículas de poeira à medida que avança. Uma carga oposta aplicada a uma camada condutora transparente de apenas alguns nanômetros de espessura depositada na cobertura de vidro do painel solar repele as partículas e, calculando a voltagem certa a ser aplicada, os pesquisadores conseguiram encontrar uma faixa de voltagem suficiente para superar a atração da gravidade e as forças de adesão, e fazem com que a poeira se levante.

Usando amostras de pó de laboratório especialmente preparadas com uma variedade de tamanhos de partículas, os experimentos provaram que o processo funciona efetivamente em uma instalação de teste em escala de laboratório, diz Panat. Os testes mostraram que a umidade do ar fornecia uma fina camada de água sobre as partículas, o que acabou sendo crucial para fazer o efeito funcionar. “Realizamos experimentos com umidades variadas de 5% a 95%”, diz Panat. “Desde que a umidade do ambiente seja superior a 30%, você pode remover quase todas as partículas da superfície, mas à medida que a umidade diminui, fica mais difícil.”

Varanasi diz que “a boa notícia é que quando você chega a 30% de umidade, a maioria dos desertos realmente cai nesse regime”. E mesmo aqueles que são tipicamente mais secos do que isso tendem a ter maior umidade nas primeiras horas da manhã, levando à formação de orvalho, para que a limpeza possa ser programada de acordo.

“Além disso, ao contrário de alguns dos trabalhos anteriores em telas eletrodinâmicas, que na verdade não funcionam em umidade alta ou moderada, nosso sistema pode funcionar em umidade de até 95%, indefinidamente”, diz Panat.

Na prática, em escala, cada painel solar pode ser equipado com grades de cada lado, com um eletrodo atravessando o painel. Um pequeno motor elétrico, talvez usando uma pequena parte da saída do próprio painel, acionaria um sistema de correia para mover o eletrodo de uma extremidade do painel para a outra, fazendo com que toda a poeira caísse. Todo o processo pode ser automatizado ou controlado remotamente. Alternativamente, tiras finas de material transparente condutor podem ser dispostas permanentemente acima do painel, eliminando a necessidade de peças móveis.

Ao eliminar a dependência da água transportada, ao eliminar o acúmulo de poeira que pode conter compostos corrosivos e ao reduzir os custos operacionais gerais, esses sistemas têm o potencial de melhorar significativamente a eficiência e a confiabilidade gerais das instalações solares, diz Varanasi.

Fonte: World Economic Forum

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