Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Máster Máster en Sistemas de Energía Eléctrica Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos Autor: Carlos Aguilar Aragón Tutor: Miguel Ángel González Cagigal Dpto. Ingeniería Eléctrica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2024 iii Trabajo Fin de Máster Máster en Sistemas de Energía Eléctrica Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos Autor: Carlos Aguilar Aragón Tutor: Miguel Ángel González Cagigal Profesor Ayudante Doctor Dpto. Ingeniería Eléctrica Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2024 v Trabajo Fin de Máster: Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos Autor: Carlos Aguilar Aragón Tutor: Miguel Ángel González Cagigal El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2024 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mis maestros ix Agradecimientos En primer lugar me gustaría dar las gracias a mi tutor Miguel Ángel, por su aportación a mi formación durante el desarrollo de este proyecto. Agradecer también a mi familia y amigos por todo el apoyo durante este tiempo, por la confianza que depositaron en mí y la motivación que me han transmitido. 6.2 Coste del sistema 51 6.3 Estudio de funcionamiento del sistema 55 6.3.1 Influencia del polvo 55 6.3.2 Efecto sobre la temperatura del módulo fotovoltaico 57 Conclusiones 59 Referencias 63 xvii xix ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1-1 Proporción de energía solar fotovoltaica en la generación anual 2 Tabla 1-2 Adiciones de energía solar fotovoltaica (GW) 2 Tabla 4-1 Ventajas y desventajas de la limpieza de paneles con pértiga 29 Tabla 4-2 Ventajas y desventajas de la limpieza con agua a presión 31 Tabla 4-3 Ventajas y desventajas de la limpieza con rodilllos autopropulsados 33 Tabla 4-4 Ventajas y desventajas de los sistemas de limpieza mecanizados-automáticos 35 Tabla 4-5 Ventajas y desventajas de sistemas de limpieza con aire comprimdo 35 Tabla 4-6 Ventajas y desventajas de los sistemas de limpieza robotizados 36 Tabla 4-7 Comparativa de las tecnologías de limpieza 37 Tabla 5-1 Potencia total de los componentes del sistema 45 Tabla 5-2 Precios de los elementos del sistema 46 Tabla 5-3 Características del robot inteligente limpiador de paneles solares 47 Tabla 5-4 Características del robot de limpieza de paneles solares 48 Tabla 6-1 Componentes del sistema de limpieza por pulverización 50 Tabla 6-2 Cantidad de componentes necesarios 50 Tabla 6-3 Precio de los componentes del sistema de limpieza 55 Tabla 6-4 Temperatura del panel en función de su inclinación y limpieza 58 xxi ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1-1 Potencia mundial instalada de energía fotovoltaica y adiciones anuales 1 Figura 1-2 Potencia mundial instalada y contribución de cada país 4 Figura 1-3 Potencial fotovoltaico europeo 4 Figura 1-4 Evolución del precio del vatio pico instalado de energía solar fotovoltaica 5 Figura 1-5 Energía solar fotovoltaica producida en España en 2023 6 Figura 1-6 Comparativa de generación entre las distintas fuentes renovables en España, año 2023 6 Figura 2-1 Celda fotovoltaica 11 Figura 2-2 Circuito equivalente de una celda fotovoltaica 12 Figura 2-3 Panel solar 12 Figura 2-4 Estructura interna de las distintas tecnologías de fabricación 13 Figura 2-5 Esquema de células en función de su tecnología de fabricación y eficiencia 14 Figura 2-6 Influencia de la irradiancia (gráfica V-I panel fotovoltaico) 15 Figura 2-7 Influencia de la irradiancia (gráficas V-I y P-V superpuestas) 15 Figura 2-8 Influencia de la temperatura (gráfica V-I panel fotovoltaico) 16 Figura 2-9 Influencia de la temperatura (gráficas V-I y P-V superpuestas) 16 Figura 3-1 String de paneles conectados en serie 17 Figura 3-2 Gráfica I-V cuando no hay sombra en ninguna célula 18 Figura 3-3 String de paneles conectados en serie (uno de ellos parcialmente sombreado) 18 Figura 3-4 Gráfica I-V cuando hay sombra parcial en una de las celdas en serie 18 Figura 3-5 Paneles con diodos de bypass 19 Figura 3-6 Evolución de la intensidad conforme aumenta el sombreado suave 20 Figura 3-7 Evolución de la tensión conforme aumenta el sombreado duro 20 Figura 3-8 Tipos de inversores fotovoltaicos y sus conexiones 21 Figura 3-9 Esquema Inversor Central 22 Figura 3-10 Esquema Inversor Multi-string 24 Figura 3-11 Esquema Inversor String 25 Figura 3-12 Perdidas en función del ángulo de inclinación 26 Figura 3-13 Pérdidas en función del tipo de suciedad 27 Figura 4-1 Limpieza de paneles por pértiga 29 Figura 4-2 Limpieza de paneles con agua a presión con brazo móvil 30 Figura 4-3 Limpieza con agua a presión realizada por operario 31 Figura 4-4 Limpieza con vapor de agua 32 Figura 4-5 Limpieza mediante rodillo autopropulsado 32 Figura 4-6 Limpieza con sistemas mecanizados-automáticos 34 Figura 4-7 Sistema de limpieza robotizado 36 Figura 5-1 Dimensiones del sistema oruga de traccón 39 Figura 5-2 Disposición de las ruedas del sistema de traccion 40 Figura 5-3 Elementos que componen el chasis del robot 41 Figura 5-4 Sistema tensor 41 Figura 5-5 Sistema amortiguador 42 Figura 5-6 Componentes del sistema de limpieza 43 Figura 5-7 Botonera 44 Figura 5-8 Caja eléctrica 44 Figura 5-9 Disposicion de los elementos del sistema de control y potencia 45 Figura 5-10 Robot inteligente limpiador de paneles solares 47 Figura 5-11 Robot de limpieza de paneles solares 48 Figura 6-1 Distribucion de los componentes 50 Figura 6-2 Tanque de 30 L 51 Figura 6-3 Bomba de agua de diafragma 52 Figura 6-4 Filtro Whatman 52 Figura 6-5 Boquillas pulverizadoras 53 Figura 6-6 Tubos de goma (izquierda) y tubos de acero (derecha) 53 Figura 6-7 Placa base Arduino 54 Figura 6-8 Esquema de componentes a controlar por el sistema Arduino 54 Figura 6-9 Corriente de salida del panel sucio (roja) vs limpio (negra) en función del grado de inclinación del panel 56 Figura 6-10 Potencia de salida del panel sucio (roja) vs limpio (negra) en función del grado de inclinación del panel 57 Figura 6-11 Temperatura de salida del panel sucio (roja) vs limpio (negra) en función del grado de inclinación del panel 58 xxiii xxv Notación IVA Impuesto al Valor Añadido W Vatios GW Gigavatio MW Megavatio MWh Megavatio hora TWh Teravatio hora V Voltio A Amperio Ic Intensidad Id Intensidad del diodo Rs Resistencia serie Rc Resistencia paralelo CdTe Telurio de cadmio a-Si Silicio amorfo CIGS Células solares de Copper Indium Gallium Selenide GaAs Arseniuro de galio Icc Intensidad de cortocircuito Vca Tension de circuito abiero Np Número de paneles en paralelo Ns Número de paneles en serie AC Corriente alterna DC Corriente continua PV Fotovoltaico BT Baja Tensión L Litros m Metros cm Centímetros mm Miímetros m/min Metros por minuto rpm Revoluciones por minuto Kg Kiligramos Ah Amperios hora h Hora < Menor que Contexto 6 6 Figura 1-5 Energía solar fotovoltaica producida en España en 2023 En el 2023 la generación renovable supuso más de un 50 % de la generación total, y en concreto la fotovoltaica aportó un 14 %, unos 37.472 GWh de energía producida, como puede verse en la Figura 1-6, [26]. Figura 1-6 Comparativa de generación entre las distintas fuentes renovables en España, año 2023 1.3.1 Antecedentes de la investigación En los últimos años ha adquirido una especial importancia la integración de energías renovables en el sistema eléctrico mundial. Una de las más relevantes es la energía solar fotovoltaica y en este trabajo se expone una de las problemáticas más influyentes a la hora de generar electricidad con este tipo de tecnología. Dicha problemática es la suciedad depositada en los paneles, que puede reducir considerablemente el rendimiento de las instalaciones. No obstante también se hablará de las tecnologías y métodos de limpieza actuales para solventar esas pérdidas. 7 7 Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos A continuación se presentan algunos de los antecedentes relacionados con el tema a tratar, algunos relacionados con el rendimiento de los paneles ante la acumulación de suciedad y otros que comentan las distintas metodologías de limpieza de paneles fotovoltaicos. De acuerdo con [1], la radiación solar que llega a las células solares tiene gran influencia en la potencia suministrada por el módulo fotovoltaico. Hay muchos factores que determinan la potencia optima del panel, sin embargo el entorno es uno de los más influyentes. Los autores revisan y evalúan las contribuciones claves para poder comprender este fenómeno, tratando dos categorías clave: el sombreado suave, como la contaminación atmosférica y el sombreado duro, provocado por sólidos como el polvo que bloquean la luz solar. La corriente suministrada por el módulo depende de si algunas células están sombreadas, provocando variaciones de tensión e intensidad y disminuyendo la potencia de salida del panel. También se menciona muy brevemente algunos métodos de limpieza, haciendo referencia a dos grupos genéricos: limpieza manual y automática o móvil. En el artículo [2] se trata un tema similar, se aborda el tema de como disminuir las pérdidas que los paneles pueden sufrir por consecuencia de acumulación de suciedad. Siendo esta suciedad la culpable de reducir la eficiencia de un panel solar entre un 5 % y un 40 % en España. Si se supone una planta de 100.000 MWh donde se abastece a hogares familiares, estas pérdidas, por no limpiar y cuidar los paneles fotovoltaicos, implicarían unos 5.000 MWh como mínimo que no podrían suministrarse. Por otro lado se enfoca en el desarrollo de un robot de limpieza y comprobar si es óptimo para la limpieza automatizada del panel. Para concluir se tienen en cuenta los diferentes fenómenos para mantener y limpiar las plantas fotovoltaicas, como pueden ser las partículas en suspensión, lluvia, humedad, el entorno, altitud, estaciones, viento entre otras cosas. De la misma manera en [3] se evalúan las pérdidas causadas por acumulación de suciedad en la superficie de los paneles fotovoltaicos durante una semana. Los resultados que se obtienen muestran que las pérdidas promedio diarias durante el tiempo que duró el estudio, unos ocho meses, estaban en torno al 4 % y en algunos casos se llegó a registrar picos del 15 %. También se observó una relación inversamente proporcional entre las precipitaciones y las pérdidas de energía. Según [4], el agotamiento de la mayoría de las reservas de petróleo y el inminente cambio climático están impulsando la adopción de la energía solar fotovoltaica como alternativa sostenible, renovable y respetuosa con el medio ambiente. La investigación en curso sobre materiales aún no ha logrado aumentar significativamente la eficiencia de conversión de los módulos fotovoltaicos comerciales. La ubicación geográfica (latitud e insolación solar disponible) y el diseño de la instalación (inclinación, orientación y altitud) para maximizar la exposición solar determinan el rendimiento óptimo de los sistemas fotovoltaicos. Sin embargo, una vez que estos parámetros se han abordado adecuadamente, hay otros factores dependientes que intervienen en la determinación del rendimiento del sistema. El polvo es el factor menos reconocido que influye significativamente en el rendimiento de las instalaciones fotovoltaicas. En este artículo se hace una valoración del estado actual de la investigación sobre el impacto del polvo en el rendimiento de los sistemas fotovoltaicos y se identifican los retos para futuras investigaciones pertinentes. En este artículo se analiza un marco para comprender los diversos factores que rigen el asentamiento y la asimilación del polvo, así como las posibles medidas de mitigación. En [5] se expone el estudio de la influencia de la acumulación de partículas de polvo en la generación de potencia de módulos fotovoltaicos. Dentro de los puntos importantes de este trabajo se incluye el cálculo de las pérdidas de potencia eléctrica nominal y el rendimiento, evaluando también el tiempo adecuado entre limpiezas de los módulos. La composición interna consta de cuatro capítulos donde se recopilan investigaciones, la justificación de la importancia del tema en cuestión, así como conceptos teóricos donde fundamentar y consolidar el estudio. Por otro lado los últimos capítulos se describió el método y el procedimiento para finalmente analizar los resultados obtenidos en la investigación. En esta tesis, al analizar la influencia del incremento de acumulación de partículas de polvo en las pérdidas de potencia nominal, se concluyó que al aumentar las partículas de polvo con dimensiones entre 0,3 Contexto 8 8 μm y 2,5 μm dicha potencia disminuyó. Por tanto se calculó que un tiempo adecuado de limpieza de paneles es cada 3 meses. Por otro lado se encuentran trabajos donde no solo se estudia el efecto de la suciedad sino que se hace un análisis de los sistemas de limpieza, aunque no es el objetivo principal de los trabajos. En [6] se trata el desarrollo de un dispositivo para la limpieza de paneles fotovoltaicos de manera autónoma. Sin embargo también se expone la problemática de como la suciedad reduce significativamente la potencia entregada por el panel. Esta suciedad la clasifica en diferentes clases y menciona que actualmente se recurre a técnicas manuales muy rudimentarias. Por ello, el objetivo es modelar una máquina que sea capaz de eliminar la suciedad de las placas sin la manipulación manual. El dispositivo consta de un sistema de tracción que le permite moverse por los paneles a pesar de su inclinación. Por lo que este robot es un sistema novedoso de limpieza con el que se puede eliminar cualquier tipo de suciedad optimizando tiempo y recursos. Además integra un sistema de control con el que realiza su trabajo sin intervención humana. Asimismo, en [7] se analizan las pérdidas de energía por suciedad en las plantas fotovoltaicas, cuando esta se depositas sobre los módulos. Por otro lado se realiza un estudio económico sobre los métodos y las rutinas de limpieza que se emplean en la actualidad. Se incide especialmente en los factores ambientales, remarcando los más importantes como son: la concentración de partículas en el aire, el viento y las precipitaciones. Posteriormente se analizan las tecnologías de limpieza existentes, manuales y automatizadas. En ese análisis se tendrá en cuenta el punto de vista económico y técnico, y se obtendrá un algoritmo de cálculo del periodo óptimo de limpieza, esperando a q el factor de perdidas por suciedad llegue a un valor. Por último se ven una serie de casos donde se encontrarán escenarios con pérdidas mayores al 10 % y un nivel de suciedad visual superior a un 5 %. Según [8], se analiza el ensuciamiento de los módulos instalados en campo, donde se observa el efecto que tienen los diferentes factores de instalación y emplazamiento en cuanto a suciedad depositada en los módulos. En los últimos apartados se discuten las diferentes medidas adoptadas por la industria para reducir el efecto de la suciedad y la abrasión. El análisis de las diferentes tecnologías de limpieza de los paneles fotovoltaicos es sumamente relevante en este proyecto y en [9] y [10] se evalúan las tecnologías actuales para la limpieza de sistemas fotovoltaicos y propone alternativas adecuadas en función de los tipos de sistema. Se trata de una investigación descriptiva que se desarrolla en tres fases. Los resultados del análisis coinciden en la relevancia de la frecuencia de limpieza y el mantenimiento necesario. Concluye diciendo que los sistemas de limpieza están enfocados en conseguir una ejecución eficaz y eficiente, y sobre todo reducir los efectos negativos y degradativos de la suciedad y la contaminación en los paneles. Asimismo, en [11] se realiza un estudio previo de cómo afecta la limpieza de los paneles solares a la eficiencia de los mismos. Considera que cuando se realiza un análisis financiero de implantación de algún sistema fotovoltaico, se suelen estimar unas pérdidas de rendimiento, que se atribuyen a ala suciedad acumulada, de entre un 3 % y un 5 %. Si además se tiene en cuenta una vida útil de al menos 25 años, esto conlleva a unas perdidas económicas importantes. En realidad las pérdidas suelen ser mayores de entre el 5 % y el 8 %. Por tanto la limpieza de los paneles es fundamental para disminuir esas pérdidas, por lo que la autora recopila los métodos de limpieza que se utilizan. En [12] se tiene como objetivo reconocer tanto la contribución potencial de las tecnologías solares térmicas al desarrollo de una producción industrial sostenible, como la necesidad de un esfuerzo coordinado para abordar los retos tecnológicos a los que todavía se enfrentan estas tecnologías cuando se aplican en la industria. Se centra en los temas de investigación de suciedad y corrosión en entornos industriales, reflectores mejorados y procesos innovadores de limpieza automatizada. La limpieza es un aspecto importante porque aumenta el rendimiento del sistema. Además, los procesos innovadores de limpieza automatizada pueden reducir el trabajo y los costes. En este informe, se resumen los conceptos existentes y nuevos para las tecnologías de limpieza automatizada de paneles y espejos. 9 9 Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos Según [13], una vez realizado el estudio bibliográfico se llega a la conclusión de que la única manera de medir el efecto de la suciedad en los paneles solares es caracterizando la suciedad mediante su densidad y el tamaño de las partículas. No obstante en el proyecto se tiene como objetivo caracterizar la suciedad de la instalación de una forma óptima y poder aplicar labores de limpieza y mantenimiento. A la conclusión que se llega es que lo realmente importante es conocer las pérdidas del panel, no importa la suciedad como tal. Asi teniendo en cuenta los costes de limpieza y las ganancias que se obtienen mejorando la producción se calcula cuáles son los momentos idóneos para realizar dicha limpieza. Por lo que el objeto de este trabajo es estimar las pérdidas de los módulos a los cuales se les ha aplicado diferentes métodos de limpieza. Asimismo, en [14] se explica que el rendimiento de los módulos fotovoltaicos se ve influido significativamente por factores ambientales, en particular la suciedad, que puede verse incrementada por la presencia de rocío. Este estudio tiene por objeto investigar los cambios morfológicos causados por el rocío en el polvo y propone un novedoso sistema automatizado de limpieza con agua para eliminar el polvo inducido por el rocío depositado en los módulos fotovoltaicos. Los experimentos se llevaron a cabo en las condiciones climáticas de Islamabad, Pakistán, utilizando módulos fotovoltaicos de poliéster. Los resultados revelaron que las pérdidas por suciedad en ángulos de inclinación de 23°, 33° y 43° fueron del 16,20 %, 14,12 % y 11,64 %, respectivamente. Proponen un nuevo sistema de limpieza que utiliza boquillas de abanico plano para rociar agua, y la potencia recuperada tras veinte días de limpieza efectiva fue del 12,07 %, 11,40 % y 9,92 % con ángulos de inclinación de 23°, 33° y 43°, respectivamente. Durante el proceso de limpieza, se necesitó una media de 7,325 L de agua para limpiar una superficie de 1,48 m2 del módulo solar fotovoltaico. Además, este procedimiento de limpieza tiene un efecto refrigerante en los módulos fotovoltaicos, que se traduce en una reducción de la temperatura de la superficie frontal de 0,82 °C, 0,52 °C y 0,45 °C en ángulos de inclinación de 23°, 33° y 43°, respectivamente. La temperatura de la superficie posterior también se redujo en 1,2 °C, 0,74 °C y 0,3 °C con los ángulos de inclinación correspondientes. Además, una evaluación económica del sistema de limpieza automática propuesto indica su viabilidad para sistemas fotovoltaicos de tamaño doméstico y comercial. En los artículos [15] y [16] se explica como la acumulación del polvo en los paneles es un factor sumamente influyente en la eficiencia de la generación fotovoltaica. Se habla sobre algunos estudios que demuestran que cuando la superficie que recibe la radiación solar acumula polvo y suciedad, se reduce significativamente la capacidad de generación del panel. En el desarrollo de los artículos se aplican conceptos de diseño asistido, mecánica, electrónica y programación, desde un enfoque mecatrónico. También se presenta un análisis de la capacidad del prototipo, teniendo en cuenta costes y tiempo que tarda en limpiar distintas placas fotovoltaicas. Asimismo en [17] se habla sobre la explotación de los recursos renovables a medida que la eficiencia energética se pone de moda. La optimización de los diseños y la economía verde lideran los retos de la ingeniería actual. Todo lo mencionado anteriormente caracteriza el sistema integrado de limpieza de paneles solares fotovoltaicos que se expone en este trabajo. El proyecto surge del auge de los paneles solares ante las perspectivas ambientales, así como de la importante pérdida de generación de los paneles por culpa del recubrimiento del polvo. Los puntos tratados en este proyecto son el estudio de los elementos que componen el sistema, incluyendo bocetos, evolución del diseño, elección de los materiales, rentabilidad de costes , amortización, evaluación física y económica del producto. A su vez se lleva a cabo un estudio de la huella de carbono y se tiene en cuenta un desarrollo entorno a la economía circular. En resumen el desarrollo de este sistema aumenta el rendimiento de los paneles solares y propone una solución de huella de carbono reducida, aportando una propuesta de reducción de impacto ambiental y un incremento de la eficiencia, dando como resultado una rentabilidad económica. Por otro lado en [18] se presenta el estudio y diseño de un sistema automático de limpieza y tratamiento de paneles fotovoltaicos. Se incluyen los cálculos realizados para el diseño del sistema incluyendo simulaciones de esfuerzos y deformaciones. El mecanismo lo controla un Arduino conectado mediante Contexto 10 10 una interfaz gráfica, lo que proporciona comodidad y simplicidad al usuario cuando realiza las pruebas. También incluye, además del diseño, la fabricación de un prototipo para la realización de pruebas experimentales y así aportar a la investigación un estudio más completo del sistema. Dentro de los sistemas automatizados para la limpieza de paneles fotovoltaicos, en los artículos [19] y [20] se explica lo importante que es que un sistema de panales presente una limpieza adecuada para que la suciedad no bloquee la incidencia de la radiación solar y asi operar de manera eficiente, por lo que una la limpieza recurrente de los paneles es una necesidad. El objetivo de este trabajo es analizar el mercado y las patentes del uso de robots que realizan estas tareas de limpieza de paneles. Para ello se realiza un estudio sobre los artículos correspondientes y se observa la gran cantidad de soluciones para la limpieza de paneles, cada una con sus ventajas e inconvenientes. También se recopila información sobre la tecnología robótica que hay entorno a la limpieza de paneles. Asimismo, en [21] se expone el contexto ya mencionado en artículos anteriores donde se concluye que la suciedad es un factor determinante en la producción de energía. Por lo tanto mantenimiento y limpieza de los paneles solares es crucial para evitar futuros evitar futuros problemas y garantizar una producción eficiente de energía eléctrica. Debido a esto, diferentes investigadores y empresas siguen buscando nuevas formas de limpiar los módulos fotovoltaicos. solares de forma automatizada. Esta revisión se centra en el análisis y la comparación de varios robots móviles utilizados para la limpieza automatizada de paneles solares. sus características, ventajas y limitaciones. El objetivo es identificar las tecnologías más prometedoras y las posibles para fomentar una mayor adopción de estas tecnologías. 1.4 Objetivo Este proyecto tiene como objetivo principal la comparación entre sistemas de limpieza de paneles fotovoltaicos. A través de un estudio exhaustivo, se pretende proporcionar una comprensión integral de cómo la acumulación de suciedad afecta el rendimiento de los sistemas fotovoltaicos y cuál es la mejor tecnología de limpieza para mitigar este problema. Los objetivos específicos del trabajo son los siguientes. Primero se hablará sobre los principios de la producción de energía solar fotovoltaica y se explicará el funcionamiento de un panel. Posteriormente se verá cómo afecta la suciedad a la eficiencia y la producción de energía de los paneles. Se revisarán las tecnologías actuales de limpieza haciendo una revisión de las mismas. También se presentará un nuevo modelo de limpieza basado en pulverizadores de agua con un sistema de recuperación y filtrado de agua, describiendo detalladamente el diseño y el funcionamiento del sistema. Por último un análisis económico del nuevo sistema y comparándolo con un robot de limpieza autónomo. Este proyecto tiene como meta no solo contribuir al conocimiento académico sobre el impacto de la suciedad en los paneles fotovoltaicos, sino también ofrecer soluciones prácticas y económicamente viables para la industria, promoviendo el uso eficiente y sostenible de la energía solar. 2. PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA PRODUCCIÓN DE ENERGÍA FOTOVOLTAICA 2.1 Funcionamiento de un panel fotovoltaico a investigación y el desarrollo en el ámbito de la energía renovable para la generación de electricidad se encuentran entre los campos más activos a nivel global. Se ha logrado aprovechar diversas formas de energía ambiental, el movimiento de las olas, el flujo del viento, pero sobre todo, la irradiación proveniente del sol. La energía solar destaca como una de las principales fuentes renovables, sin embargo, aún queda mucho por hacer para maximizar su rendimiento y aprovechar plenamente el potencial energético que nos brinda el sol día a día. La tecnología más extendida en la actualidad para convertir la energía solar en electricidad se basa en células fotovoltaicas, dispositivos semiconductores, principalmente de silicio. Estas células aprovechan el efecto fotovoltaico, que es una adaptación del efecto fotoeléctrico, para transformar parcialmente la energía lumínica en energía eléctrica. Cada célula fotovoltaica, representada en la Figura 2-1 [34], se comporta como un diodo, donde la parte expuesta a la radiación solar se considera la zona N, mientras que la parte en la sombra corresponde a la zona P. Los terminales de conexión de la célula se encuentran en cada una de estas áreas del diodo. Figura 2-1 Celda fotovoltaica El circuito representado en la Figura 2-2 [35], contiene el circuito equivalente de una celda ideal, compuesta por una fuente de corriente (Ic) que varía directamente en proporción a la irradiación solar. La corriente (Id) representa la corriente asociada al diodo equivalente en la celda. La influencia de las L Principios básicos de la producción de energía fotovoltaica 12 12 pérdidas de potencia en la celda se representa a través de la resistencia serie (Rs) y la resistencia paralelo (Rp). Rs es la suma de todas las resistencias en serie asociadas, lo que ejerce un impacto significativo en el rendimiento de la celda cuando opera en la región de fuente de voltaje. Por otro lado, Rp está relacionada con la corriente de fuga del diodo, lo que influye especialmente cuando la celda opera en la región de fuente de corriente. Figura 2-2 Circuito equivalente de una celda fotovoltaica El panel solar, Figura 2-3 [36], también conocido como módulo fotovoltaico, consiste en un conjunto de células solares interconectadas eléctricamente, encapsuladas y montadas sobre una estructura de soporte o marco. Su función es convertir la energía solar en electricidad. En su salida de conexión, proporciona una tensión continua y se diseña para generar valores específicos de tensión, dependiendo de los requisitos de la aplicación en particular. Figura 2-3 Panel solar Los paneles solares varían según la tecnología de fabricación de las células, lo que afecta su capacidad para captar y convertir la energía lumínica en electricidad. Los principales tipos, representados en la Figura 2-4 [37], son: 13 13 Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos 1. Monocristalino: Las células solares monocristalinas se fabrican cortando una pieza de silicio que crece a partir de un solo cristal uniforme. Estos paneles son reconocidos por ser altamente eficientes, pero también son más costosos en comparación con otros tipos de paneles solares. Su producción requiere silicio de alta pureza y un proceso de fabricación más complicado. A pesar de su mayor costo, los paneles monocristalinos son populares debido a su alta eficiencia y rendimiento confiable en una variedad de condiciones de iluminación. Estos paneles tienen un rendimiento directo que oscila entre el 15 % y el 18 %. 2. Policristalino: Una célula de silicio policristalino está formada por múltiples granos de silicio cristalino. Estas células tienen una apariencia menos uniforme que las células monocristalinas y se asemejan a pedazos de vidrio roto. Son los paneles solares más comunes en el mercado debido a que son menos costosos que los paneles monocristalinos. Sin embargo, son menos eficientes, con un rendimiento directo de aproximadamente entre el 12 % y el 14 %. Aunque históricamente han sido menos eficientes que los monocristalinos, la brecha de eficiencia se ha ido reduciendo en los últimos años con mejoras en la tecnología de fabricación y diseño. 3. Amorfo: Estos paneles solían tener un rendimiento directo menor al 10 %. Sin embargo, su fabricación ha disminuido considerablemente debido a que el precio de todos los paneles ha caído, lo que hace que ya no sea necesario sacrificar rendimiento por precio. Figura 2-4 Estructura interna de las distintas tecnologías de fabricación Las células solares de lámina delgada se fabrican apilando capas delgadas de material semiconductor en varias superficies, típicamente sobre vidrio. El término "lámina delgada" hace referencia a la cantidad de material semiconductor utilizado, que generalmente se encuentra en el rango de décimas a varias micras de espesor. A pesar de lo que se podría pensar, la mayoría de los paneles de película delgada no son flexibles. Sin embargo, los paneles solares de película delgada son reconocidos por ofrecer costos de fabricación más bajos en comparación con otras tecnologías, y están ganando popularidad en la industria solar. Existen cuatro materiales comunes que se utilizan para fabricar células solares de película delgada, recogidas en la Figura 2-5, [38]: 1. Telurio de cadmio (CdTe) 2. Silicio amorfo (a-Si) 3. Células solares de Copper Indium Gallium Selenide (CIGS) 4. Arseniuro de galio (GaAs) Principios básicos de la producción de energía fotovoltaica 14 14 Figura 2-5 Esquema de células en función de su tecnología de fabricación y eficiencia 2.2 Influencia de la irradiancia y la temperatura La combinación de varias células solares interconectadas forma un panel o módulo fotovoltaico. Dado que la potencia generada por una sola célula de tamaño estándar es bastante baja, generalmente entre uno y tres vatios aproximadamente, se requiere la agrupación de múltiples células para satisfacer las necesidades de potencia del sistema fotovoltaico. La conexión en serie de las células permitirá aumentar la tensión final en los extremos de la célula equivalente, mientras que la conexión en paralelo permitirá aumentar la intensidad total del conjunto. De esta forma los parámetros de V-I finales del panel dependerán del tipo de combinación escogido de forma que se puede saber la intensidad de cortocircuito y la tensión a circuito abierto de un módulo según las ecuaciones 2-1 y 2-2. Icc módulo = Icc célula ∙ Np 2-1 Vca modulo = Vca célula ∙ Ns 2-2 Para dimensionar correctamente una instalación solar fotovoltaica, es crucial conocer los parámetros fundamentales que caracterizan el funcionamiento de los módulos fotovoltaicos. Estos parámetros suelen estar definidos en las hojas de especificaciones proporcionadas por los distintos fabricantes: Tensión en circuito abierto (Vca): Es la máxima tensión que puede entregar el panel cuando está conectado en vacío, es decir, cuando no hay corriente fluyendo a través de él. Corriente de cortocircuito (Icc): Es la máxima corriente que puede entregar el panel cuando no está conectado a ninguna carga y sus bornes están cortocircuitados, es decir, cuando la resistencia de carga es nula. En las células solares la tensión y la corriente dependen directamente de la cantidad de iluminación que recibe. La corriente de cortocircuito de la célula es directamente proporcional a la irradiancia, como se muestra en la figura siguiente, y disminuye a medida que la irradiancia disminuye. Por otro lado, la tensión de circuito abierto varía poco con la irradiancia, aunque también disminuye. Sin embargo, se puede considerar constante. 15 15 Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos La intensidad de cortocircuito, Icc, varía con la irradiancia, siendo esta variación lineal acorde a la expresión de la ecuación 2-3 y en la Figura 2-6 [40]. Por otrolado la potencia tambien se ve afectada por la disminución de irradiancia, como puede verse en la Figura 2-7 [40]. 2-3 Donde: ISC(G): intensidad de cortocircuito para una irradiación G (A) ISC(CEM): intensidad de cortocircuito en condiciones estándar de medida (A) G: irrandiancia (W/m2) Figura 2-6 Influencia de la irradiancia (gráfica V-I panel fotovoltaico) Figura 2-7 Influencia de la irradiancia (gráficas V-I y P-V superpuestas) Efecto de la suciedad en los paneles 22 22 - Pérdidas debido al desajuste entre los módulos. Dado que muchos módulos están en serie, la tensión de los módulos en un mismo string puede variar. No se alcanza una división de tensión perfecta. - Limitada flexibilidad de operación debido a la necesidad de una tensión mínima en el bus DC para conectarse al nivel de tensión AC de la red. Esto puede resultar en no alcanzar el punto de máxima potencia. - Un único convertidor DC/AC de gran potencia. En caso de falla, la planta queda inoperativa. Los problemas que conlleva este tipo de conexión de cara a las sombras provocadas por la suciedad son los siguientes. Si la suciedad es débil y la sombra que crea es suave, aunque sea en un solo panel, va a provocar una disminución de intensidad en todo ese string. Por otro lado si la sombra es fuerte, dura, y es necesario que entren en funcionamiento los diodos de bypass, la tensión en un string será menor que en el otro y haría que consumieran potencia, aunque para ello están los diodos colocados en cada string para evitar eso. Sin embargo estos diodos sacarían de funcionamiento todo el string por lo que la potencia se vería reducida considerablemente Figura 3-9 Esquema Inversor Central 23 23 Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos Inversor Multi-string. Figura 3-10. Características: - Cada string tiene asociado un convertidor DC/DC. El secundario de cada DC/DC se conecta a un bus DC común para evacuar la potencia a través de un único convertidor DC/AC. - El convertidor DC/DC asegura que cada string opere a MPP. Se encarga de controlar la tensión del lado del string para MPPT. Máxima eficiencia. - El convertidor DC/DC tiene un amplio rango de operación que garantiza MPP del string para cualquier condición de temperatura e irradiación. - El convertidor DC/DC desacopla la tensión del string de la tensión del bus DC común. Esto permite mayor flexibilidad para la conexión en serie de módulos de PV en cada string. - No tienen que alcanzar niveles de tensión tan altos como las topologías anteriores. - El convertidor DC/AC se encarga de controlar la tensión del bus DC y evacuar la potencia de todos los strings. Los problemas que conlleva este tipo de conexión de cara a las sombras provocadas por la suciedad son los siguientes. Si la suciedad es débil y la sombra que crea es suave, aunque sea en un solo panel, va a provocar una disminución de intensidad en todo ese string al igual que ocurría con el inversor central. Sin embargo, si la sombra es fuerte, dura, y es necesario que entren en funcionamiento los diodos de bypass, la tensión en un string será menor que en el otro pero al estar los strings aislados unos de otros no habría consumo de potencia y no se perdería todo un string de paneles, lo que ocurrirá es que ese string reducirá su tensión y por tanto la potencia que aporte será menor. La ventaja clara, como se ha mencionado anteriormente es la independencia de cada string gracias a los convertidores DC/DC, ya que mantienen la misma tensión en la barra que comparten sin importar cual sea la tensión que tenga cada string. Efecto de la suciedad en los paneles 24 24 Figura 3-10 Esquema Inversor Multi-string • Inversor String. Figura 3-11. Características: - Es una versión más compacta del inversor central. Cuenta con un convertidor DC/AC por cada string. - Se realiza la conexión en serie de varios módulos fotovoltaicos (string) para alcanzar niveles elevados de tensión. En sistemas monofásicos, esta tensión suele situarse entre 375-525V. Para sistemas trifásicos conectados a redes de BT, se requiere alcanzar los 700V. - Se experimentan pérdidas debido al desajuste entre los módulos. Al haber muchos módulos en serie, la tensión de los módulos en un mismo string puede variar, lo que resulta en una división de tensión no ideal. - Se eliminan las pérdidas del diodo del string si se conectan varios en paralelo. - Cada string cuenta con un Seguimiento del Punto de Máxima Potencia (MPPT) individual. Esto mejora la eficiencia, especialmente en grandes plantas. - La flexibilidad operativa es limitada debido a la necesidad de mantener una tensión mínima en el bus DC para conectarse al nivel de tensión AC de la red. Esto puede resultar en una operación fuera del Punto de Máxima Potencia. - En caso de fallo de un convertidor DC/AC, el string asociado queda inoperativo, pero los demás pueden seguir operando. Los problemas de la suciedad asociados a este tipo de conexión son similares a los del Multi-string, la 25 25 Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos diferencia es que aquí están desacoplados los inversores de cada string. Figura 3-11 Esquema Inversor String 3.2 Factores que influyen en el rendimiento de los paneles Es esencial comprender que el rendimiento máximo de un panel solar está determinado por una variedad de factores, además de aquellos que ya hemos discutido, como el material y el proceso de fabricación de las células solares. Otros factores pueden clasificarse según sean modificables o no. Los factores modificables ofrecen flexibilidad en el diseño y dependen de requisitos variables. Una vez que se ha establecido una planta solar con numerosos paneles solares en un lugar específico, es decir, una vez que el proyecto de construcción de un parque fotovoltaico ha sido llevado a cabo, o incluso si un propietario de vivienda ha instalado paneles solares en su tejado, los factores que determinarán el rendimiento de la instalación se reducen principalmente a los factores medioambientales. Después de completar el proyecto, como propietarios de la instalación, solo podremos influir en el rendimiento futuro a través de acciones como la limpieza y el mantenimiento de los paneles solares, ya que el resto de los factores medioambientales variables son inherentes al diseño de la instalación. La acumulación de suciedad depende de los siguientes factores. - Ángulo de inclinación: Un estudio realizado en Arabia Saudí, [4], durante un período de 8 meses reveló una reducción del 32 % en la transmitancia debido al polvo. El estudio consistió en comparar dos paneles fotovoltaicos con una inclinación de 24,6º y orientados de la misma Efecto de la suciedad en los paneles 26 26 manera, colocados uno al lado del otro. Mientras uno de los paneles se limpiaba diariamente, el otro no se limpiaba en ningún momento durante esos ocho meses. Sin embargo, el estudio más representativo de esta época para investigar el efecto de la suciedad en el rendimiento de las placas solares debido al factor de inclinación fue un experimento que involucró siete placas planas. Estas se emparejaron de dos en dos en ángulos fijos de 0º, 30º, 60º y una última placa a 90º. En cada par de paneles, se limpió de manera habitual una de las dos placas, mientras que la otra se mantuvo sin alteraciones. Se comparó la cantidad de energía solar absorbida entre los paneles sucios y los limpios. Una de las observaciones realizadas fue una acumulación de polvo de 2,5 g/m2/día entre los meses de abril y junio. Según una investigación del mismo autor realizada en Kuwait, se estudió el efecto del polvo en la transmitancia de placas solares situadas en ángulos que variaban desde 0º hasta 60º. Se observó una pérdida de transmitancia que oscilaba entre el 64 % y el 17 %, respectivamente, a medida que aumentaba el ángulo de inclinación, como puede verse en la Figura 3-12, [4]. Figura 3-12 Perdidas en función del ángulo de inclinación - Temperatura y humedad: En relación con la temperatura ambiente y la humedad, se llevó a cabo un estudio que confirmó que durante las épocas de verano y primavera, la suciedad contribuía significativamente más (con un 20 % de pérdida de rendimiento en 6 meses) que en otoño e invierno. - Características del emplazamiento: Se llevó a cabo otro estudio que analizó cómo la ubicación geográfica afecta el rendimiento de los paneles solares, considerando factores como el clima, la humedad y la temperatura en la acumulación de suciedad. Este estudio se enfocó en los efectos de la acumulación de polvo durante varios meses en un entorno de desierto costero. Los resultados indicaron una disminución del 7 % en el rendimiento mensual de un panel solar fotovoltaico. 27 27 Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos - Tamaño de la suciedad depositada: El estudio realizado por El-Shobokshy y Hussein, [4], marca un hito al evaluar las propiedades físicas de la suciedad que se acumula en los paneles solares y comparar su rendimiento con las características de estas partículas. Se realizaron pruebas bajo las mismas condiciones de inclinación y radiación solar, utilizando diferentes tamaños de partículas de polvo y realizando limpiezas periódicas. El objetivo era identificar qué tipo de suciedad tenía el mayor impacto en el rendimiento del panel, ver Figura 3-13, [4]. Figura 3-13 Pérdidas en función del tipo de suciedad Efecto de la suciedad en los paneles 28 28 4. SISTEMAS DE LIMPIEZA ACTUALES 4.1 Sistemas de limpieza basado en pértigas y agua, con racionamiento Tipología: Rozamiento, agua y manual s un sistema comúnmente utilizado que se basa en la limpieza mecánica de vidrios con pértigas especiales. Este sistema emplea equipos de bombeo de agua y mangueras, que generalmente se encuentran ensamblados en un vehículo para facilitar su transporte. El agua es tratada mediante filtros de partículas y un descalcificador, cuyo propósito es evitar la acumulación de cal presente en el agua. El agua se aplica mediante pértigas de fibra de carbono y poliéster, como puede verse en la Figura 4-1 [27], con la densidad y grosor adecuados para limpiar los vidrios sin causar ralladuras. Sin embargo, es importante considerar las especificaciones de algunos fabricantes de módulos, ya que en algunos casos no se permite la limpieza a presión. La Tabla 4-1 [41], [43], muestra las ventajas e inconvenientes de esta tecnología. Figura 4-1 Limpieza de paneles por pértiga Tabla 4-1 Ventajas y desventajas de la limpieza de paneles con pértiga VENTAJAS DESVENTAJAS La exigencia del entrenamiento para su uso por parte del personal es poco Alto consumo de agua Los costos de inversión son relativamente bajos Los tiempos de recarga de agua y desplazamiento de equipo, afecta la productividad Es idóneo en sistemas pequeños Es operado por mínimo dos personas por lo que es difícil cubrir grandes superficies E Sistemas de limpieza actuales 30 30 4.2 Sistema de limpieza agua a presión Tipología: Sin rozamiento y agua Este sistema de limpieza se realiza mediante un vehículo dotado de una cuba de agua de 2.000 litros y un grupo motobomba. Figura 4-2 Limpieza de paneles con agua a presión con brazo móvil Este mismo mecanismo de limpieza podemos encontrarlo en diferentes versiones dependiendo si se usa para la limpieza de instalaciones fijas o móviles. En las instalaciones fijas un operario maneja la pistola y otro conduce el vehículo. Sin embargo, para reducir coste de personal hay versiones donde el conductor maneja tambien las pistolas de agua colocadas en el vehículo, esta versión es mas sofisticada ya que requiere un sistema automatizado para las pistolas, Figura 4-2 [44]. En las instalaciones que tengan estructuras grandes de seguimiento se aplican otros métodos. Por ejemplo, un operario subido a una plataforma elevadora, como en la Figura 4-3 [46], limpia de forma fácil y efectiva los paneles. Los mandos se encuentran en la cabina de la elevadora y el vehículo lleva un tanque de agua incorporado. En la Tabla 4-2 [43], se recopilan las ventajas y las desventajas de este proceso de limpieza. Los componentes básicos de esta tecnología de limpieza son: 1. Vehículo transporte. 2. Depósito/s de agua. 3. Motobomba. 4. Pistola/s de presión dispuestas en el vehículo o pistola con manguera manejable por otro operario. 5. Elevador en el caso de contar con él. 31 31 Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos Figura 4-3 Limpieza con agua a presión realizada por operario Tabla 4-2 Ventajas y desventajas de la limpieza con agua a presión VENTAJAS DESVENTAJAS Permite realizar el mantenimiento a instalaciones de grandes dimensiones Hay un consumo de agua importante en comparación con otros sistemas de limpieza Es rápido y eficiente ya que cubre gran superficie El operario que realice las labores de limpieza tiene que estar formado teórica y prácticamente Al llevar una gran cantidad de agua se ahorra tiempo ya que puede limpiar muchos metros de instalación Alto consumo de combustible Otra variante de este tipo de limpieza es utilizar agua en forma de vapor, ver Figura 4-4 [28]. Con esta medida se reduce la cantidad de agua utilizada, pero presenta el inconveniente de tener que calentar el agua para convertirla en vapor aumentando el coste. Sistemas de limpieza actuales 38 38 39 39 Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos 5. EQUIPO AUTOMATIZADO DE LIMPIEZA DE PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS a automatización de tareas se ha convertido en un pilar fundamental en la actualidad, transformando industrias y revolucionando la manera en que realizamos trabajos cotidianos. Desde la manufactura avanzada hasta la domótica, la automatización no solo optimiza los procesos, sino que también reduce costos, aumenta la eficiencia y minimiza el margen de error humano. Esta tendencia no es exclusiva de las fábricas o los hogares inteligentes, sectores clave como la energía renovable también están aplicando estas tecnologías para maximizar su rendimiento. Ejemplo de ello son los dispositivos autónomos con sistemas de tracción capaces de hacer frente a los ángulos de inclinación de las placas solares. Este novedoso sistema incluye un sistema de limpieza capaz de eliminar la suciedad optimizando recursos gracias a un sistema de control que realiza el trabajo sin necesidad de intervención humana. La información de este capitulo ha sido resumida del articulo [6]. El desarrollo de este dispositivo consta de tres puntos principales: la tracción, el sistema de limpieza y el sistema de control. 5.1 Tracción El diseño incorporará un sistema de tracción de tipo oruga, ya que este ofrece una fuerza tractora superior en comparación con otras alternativas. Además, proporciona una mayor adherencia que un sistema de ruedas convencional. La tracción tipo oruga se presenta como la opción más adecuada para operar en diversas superficies, ya sea en condiciones húmedas o con obstáculos intermedios. Las dimensiones empleadas en la disposición de los diferentes elementos que componen la tracción de una de las orugas se pueden observar en la Figura 5-1, [6]. Figura 5-1 Dimensiones del sistema oruga de traccón L Equipo automatizado de limpieza de paneles solares fotovoltaicos 40 40 Dentro de la estructura de ruedas y poleas consta de un elemento motriz dentado, el cual se encarga, con ayuda de un motor, de generar el par suficiente para que el sistema se mueva. Por otro lado el elemento seguidor, con un tamaño diferente para obtener una fuerza de tracción mayor. Finalmente las ruedas de presión se encargan de mantener la tensión en la correa además de proporcionar una gran superficie de contacto del dispositivo con el panel y además mantienen el peso de todo el mecanismo, Estos componentes se ven reflejados en la Figura 5-2, [6]. El sistema oruga aplicado tiene una forma trapezoidal que garantiza el correcto desempeño del dispositivo ante irregularidades en el terreno y las pérdidas de adherencia, además de los saltos entre los distintos paneles. Figura 5-2 Disposición de las ruedas del sistema de traccion El dispositivo tiene dos sistemas orugas, como el de la Figura 5-2, [6], en paralelo unidos por una pieza central compuesta por dos perfiles en forma de T. Dichos perfiles del chasis, Figura 5-3, [6], unen ambas tracciones y servirán para sostener los demás elementos del dispositivo. Por otro lado se añaden elementos como amortiguadores, Figura 5-5, [6], para mitigar las vibraciones ocasionadas por el movimiento giratorio de los rodillos de limpieza y asi no interferir en el sistema de tracción y evitar la perdida de adherencia. Además el sistema tensor, ver en la Figura 5-4, [6], forma parte del sistema de tracción y esta compuesto por un sistema de tornillo que ejerce presión sobre el eje de la rueda seguidora provocando que la correa que las une se tense. 41 41 Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos Figura 5-3 Elementos que componen el chasis del robot Figura 5-4 Sistema tensor Equipo automatizado de limpieza de paneles solares fotovoltaicos 42 42 Figura 5-5 Sistema amortiguador 5.2 Sistema de limpieza El sistema de limpieza de estos dispositivos autónomos presenta una problemática importante; el depósito de agua. Para que este dispositivo sea eficiente su sistema de limpieza y su uso de agua también deben serlo, y que la cantidad de agua necesaria para el proceso sea la mínima posible. El sistema consta de un chasis de aluminio donde se incorporan dos rodillos de diferentes características, cuyo esquema puede verse en la Figura 5-6, [6]. El rodillo principal, de mayor dimensión y compuesto por bandas largas de microfibra, siempre está activado y no necesita agua. Otra característica importante de este primer rodillo es que está unido al chasis principal mediante un sistema pivotante que permite el movimiento para adaptarse mejor a la superficie. A este rodillo principal le acompaña un segundo rodillo de menores dimensiones ya que está situado entre las dos orugas. A pesar de su menor tamaño también esta compuesto por bandas de microfibra, sin embargo, esta es más densa porque este rodillo si está en contacto con agua y necesita absorberla. Como se ha mencionado anteriormente el rodillo principal funciona en seco y el secundario con agua, por lo que el sistema de pulverización o rociado se encuentra entre ambos. Para que el dispositivo pueda rociar el agua se instala un deposito de 32 litros de capacidad y dos bombas de agua que forman parte del sistema de pulverización suministrando a las boquillas, que debido a su forma aumentan la presión del agua permitiendo desincrustar la suciedad más adherida. Por último al igual que en cualquier limpieza de cristales y ventanas es importante eliminar el agua restante, para ello el dispositivo incorpora una membrana similar a la de un limpiaparabrisas que finaliza la operación de limpieza arrastrando el agua y eliminando cualquier residuo que haya podido quedar. En la figura se presenta un esquema del sistema mencionado anteriormente y se advierte en la membrana de secado un sistema de muelles que mantienen la tensión en esta parte del sistema para 43 43 Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos adaptarse al contorno del panel y asegurar la presión necesaria para eliminar la suciedad. Figura 5-6 Componentes del sistema de limpieza Una vez descrito los componentes del sistema de limpieza se procede a explicar las etapas de dicho proceso. Al igual que en un sistema automático de lavado de coches hay distintas etapas para eliminar la suciedad. En este caso la primera etapa se puede denominar etapa de barrido, ya que en ella interviene el rodillo principal que trabaja sin agua. En esta etapa las fibras del rodillo y su movimiento giratorio eliminaran la suciedad menos incrustada, como el polvo depositado en el panel, reduciendo asi que entre en contacto con el agua y sea más difícil de eliminar. Una vez que las partículas de polvo han sido barridas el sistema de pulverización entra en juego y se entraría en la segunda etapa de limpieza. Si la primera se denominó etapa de barrido al no utilizar agua, a esta segunda etapa se le denomina etapa de fregado. El deposito de agua junto con las boquillas rocían agua al panel y el rodillo secundario elimina la suciedad más incrustada. Por último la etapa de secado con la membrana que, como se ha mencionado anteriormente, seca y elimina los últimos restos de suciedad. 5.3 Sistema de control y potencia Para que este dispositivo sea realmente autónomo es necesario un sistema de control y una fuente de alimentación para dar energía a los diferentes sistemas descritos con anterioridad. El cálculo de la potencia de la batería se hace en base a la potencia de los elementos que componen la máquina, datos extraídos del (trabajo del robot). Para el sistema de control el dispositivo cuenta con una botonera, Figura 5-7, [6], para el encendido y el apagado, asi como la seta de parada de emergencia y su correspondiente pantalla para visualizar el estado del dispositivo en cuanto a errores o avisos. Equipo automatizado de limpieza de paneles solares fotovoltaicos 44 44 Figura 5-7 Botonera La botonera está conectada con una caja eléctrica, Figura 5-8, [6], donde se encuentran un Arduino y un driver que contienen el código de control del dispositivo. Estos elementos controlan la información de cuatro sensores capacitivos colocados en las esquinas de la máquina para evitar que se salga de los límites del panel. Figura 5-8 Caja eléctrica Para el cálculo de la capacidad de la batería se ha tenido en cuenta una aproximación de la potencia de los motores que se utilizan en este tipo de dispositivos, potencias indicadas en la Tabla 5-1. 45 45 Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos Tabla 5-1 Potencia total de los componentes del sistema Potencia (W) Número de elementos Potencia total (W) Motor sistema de tracción 130 2 260 Motor rodillos 10 2 20 Bomba de agua 50 2 100 Resto de componentes 50 1 50 Suma total de potencia 430 Una vez estimada la potencia que necesita el dispositivo se procede a calcular la capacidad de la batería. Teniendo en cuenta que la tensión del sistema son 24 V en corriente continua, la corriente consumida seria unos 18 A. La autonomía de estos dispositivos, para que sean eficientes es de unas 3 horas, por tanto se necesita una batería de 54 Ah de capacidad. En la Figura 5-9, [6], se puede observar la disposición de los elementos mencionados anteriormente. Figura 5-9 Disposicion de los elementos del sistema de control y potencia Equipo automatizado de limpieza de paneles solares fotovoltaicos 46 46 5.4 Coste del sistema Finalmente, en este apartado, se expone el presupuesto. El análisis realizado para conocer el coste de un dispositivo de estas características se realiza en base a una idea genérica de cuanto cuestan dispositivos similares. Primeramente se expondrá un resumido desglose, en la Tabla 5-2, de las partes en las que se puede dividir dicho presupuesto y posteriormente se mencionarán distintos dispositivos actuales en el mercado. Tabla 5-2 Precios de los elementos del sistema Elementos Precio (€) Tornillería 120 Perfiles de aluminio 170 Precio horas de fabricación 250 Batería 280 Caja batería 30 Motores tracción 500 Motores rodillos 210 Depósito de agua 75 Bombas de agua 160 Goma de secado 40 Total 1835 Hay que tener en cuenta que el dispositivo expuesto es muy simple a nivel constructivo y de componentes de control. Los que se utilizan en plantas solares son dispositivos mucho mas complejos y su precio es entre dos y diez veces superior. A continuación se exponen algunos de los que se comercializan actualmente. 47 47 Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos - Robot inteligente limpiador de paneles solares El robot de la Figura 5-10, [31], de la marca LanYuXuan, con fábrica en China, tiene las siguientes características, ver Tabla 5-3, [31]. Tabla 5-3 Características del robot inteligente limpiador de paneles solares Tensión de trabajo 24 V Peso del equipo 40 kg Dimensiones 1240 ∙ 820 ∙ 250 mm Material del rodillo Nylon Capacidad de la batería 20 Ah Ancho de limpieza 1,1 m Horas de trabajo 3 - 4 h Figura 5-10 Robot inteligente limpiador de paneles solares Las características de este dispositivo son similares al desarrollado en apartados anteriores, las diferencias significativas es que este robot no lleva incorporado un deposito de agua, se le suministra a través de un depósito externo a través de una boquilla, por lo que tiene un alcance limitado. El precio de venta de este dispositivo es de unos 4700€. Equipo de limpieza de paneles solares fotovoltaicos basado en pulverización 54 54 Figura 6-7 Placa base Arduino No obstante, este dispositivo controla todo el sistema como puede verse en el esquema de la Figura 6- 8, [14]. Figura 6-8 Esquema de componentes a controlar por el sistema Arduino Si sumamos al precio el resto de los componentes como son los sensores y el controlador del motor de la bomba de agua el precio sube hasta los 35 € Para concluir este apartado de costes, en la Tabla 6-3, se ha recopilado la información más relevante. En ella aparecen los costes individuales de los componentes de manera ordenada y el total del coste 55 55 Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos del sistema completo. Tabla 6-3 Precio de los componentes del sistema de limpieza 6.3 Estudio de funcionamiento del sistema En este apartado se evaluará en base al studio realizado en [14] donde se explica los efectos que produce en el panel, y en su potencia generada, la limpieza con el sistema descrito anteriormente. 6.3.1 Influencia del polvo Como ya se ha mencionado, la irradiancia es necesaria para que un panel fotovoltaico funcione, pero el polvo que se deposita en él puede tener una influencia negativa en la producción de energía, ya que disminuye la irradiancia absorbida por el módulo solar. Por otro lado un factor relevante en este tema es el ángulo de inclinación del panel, en [14] se tienen en cuenta tres ángulos de inclinación, 23º, 33º y 43º. La corrriente generada, por los paneles con esos ángulos de inclinación, mejoró un 13,74 %, un 12,07 % y un 11,21 % respectivamente, como puede verse en la Figura 6-9, [14]. Estos resultados son coherentes ya que a mayor inclinación del panel menos polvo se acumula, y el margen de mejora disminuye. Aun así, después de usar el dispositivo de limpieza la corriente mejoró en promedio un 12,34 %. Componentes Precio (€) Cubeta de agua 50 Bomba de agua 25 Arduino, controlador y sensores 35 Filtro Whatman 8 Boquillas 8 Tubos de acero 8 Tubos de goma 4 Total 138 Equipo de limpieza de paneles solares fotovoltaicos basado en pulverización 56 56 Figura 6-9 Corriente de salida del panel sucio (roja) vs limpio (negra) en función del grado de inclinación del panel Si se analiza la potencia de salida del módulo, también se observan cambios significativos. Para los tres ángulos mencionados la potencia de salida aumentó, después de la limpieza, un 12,07 %, un 11,4 %, y un 9,92 % respectivamente, ver Figura 6-10, [14]. 57 57 Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos Figura 6-10 Potencia de salida del panel sucio (roja) vs limpio (negra) en función del grado de inclinación del panel 6.3.2 Efecto sobre la temperatura del módulo fotovoltaico La temperatura es un factor muy importante a la hora de producer energía con este tipo de tecnología, a mayor temperatura, menor producción de energía. En el estudio realizado en [14] se observa que la temperatura del panel aumentó un 63,57 % en la parte frontal y un 33,3 % en la parte posterior debido a la acumulación de suciedad. En este caso también se analizan los tres ángulos de inclinación, y se concluye que gracias a la limpieza realizada por el sistema de pulverización de agua. La temperatura de la parte frontal se redujo en 0,82℃ en el panel con 23º de inclinación, en 0,52 ºC en el de 33º y 0,45 ºC en el de 43º, como se muestra en la Figura 6-11, [14]. Esta disminución de temperatura mejora las caracteristicas térmicas de los módulos y ayuda a mejorar el rendimiento de los paneles. Por otro lado se observó también una disminución de la temperatura ed la parte posterior del módulo, en la Tabla 6-4, [14], se recopilan los valores de temperatura recogidos en cada caso. Equipo de limpieza de paneles solares fotovoltaicos basado en pulverización 58 58 Tabla 6-4 Temperatura del panel en función de su inclinación y limpieza Ángulo de inclinación Módulo fotovoltaico sucio Módulo fotovoltaico limpio Temperatura parte frontal (ºC) Temperatura parte posterior (ºC) Temperatura parte frontal (ºC) Temperatura parte posterior (ºC) 23º 34.51 37.2 33.71 36 33º 30.64 33.4 30.12 32.7 43º 32.9 36.4 32.45 36.1 Figura 6-11 Temperatura de salida del panel sucio (roja) vs limpio (negra) en función del grado de inclinación del panel 59 59 Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos CONCLUSIONES a energía solar fotovoltaica representa más del 6 % de la producción mundial de energía, con una capacidad instalada que superó los 1180 GW en 2022. Nueve países, incluyendo España, Grecia y Alemania, generan más del 10 % de su electricidad a partir de energía solar. A nivel mundial Asia lidera la instalación de nueva capacidad fotovoltaica, donde China es el principal actor global, con un crecimiento del 35,5 % en 2022 y una capacidad acumulada de 414,5 GW. Le sigue América y Europa. Diversos países han implementado políticas para fomentar el crecimiento de la energía solar. Noruega y Alemania han aumentado los subsidios y reducciones fiscales para instalaciones fotovoltaicas, mientras que Japón ha anunciado mandatos que obligarán a los nuevos edificios a tener paneles solares a partir de 2025. España es uno de los países con mayor potencial fotovoltaico de Europa, contribuyendo un 19,1 % de su demanda energética con energía solar. A lo largo de su historia, España ha tenido un papel destacado en la adopción de energías renovables, y aunque enfrentó crisis en el pasado, en 2023 la energía fotovoltaica produjo más del 14 % del total de energía del país. Todo esto apunta a que la capacidad fotovoltaica continúe creciendo globalmente, respaldada por políticas de incentivo y reducción de costos en la fabricación de paneles. En España, se espera que el crecimiento continúe con más de la mitad de su energía proveniente de fuentes renovables, con la fotovoltaica como protagonista. El uso de esta tecnología requiere paneles fotovoltaicos que convierten la energía solar en electricidad utilizando células fotovoltaicas. Estas células están compuestas principalmente de silicio y actúan como diodos que generan electricidad cuando son expuestas a la luz solar. En función de su rendimiento y construcción existen tres tipos de paneles solares, monocristalinos, policristalinos y amorfos, cuyos rendimientos son del 18 %, 14 % y 10 % respectivamente. Pero estos rendimientos no son siempre iguales, varían en función de otros factores como la irradiencia y la temperatura del módulo. La irradiancia es proporcional a la corriente enytregada por las céluclas solares, y la temperatura afecta a la tensión de circuito abierto del panel, a mayor temperatura menor tensión. La dependencia de los paneles a estos dos fenómenos los hace vulnerables a la suciedad. El impacto que genera esa suciedad acumulada en la superficie de los paneles solares, como polvo, hojas o excrementos de aves, puede reducir significativamente la potencia generada, en algunos casos hasta en un 32 %. Además, la acumulación de suciedad puede provocar "puntos calientes", que pueden dañar permanentemente el panel si no se corrigen. Además se ha visto que en función del tipo de suciedad provoca distinto tipo de sombreado, suave o duro, que reducen tanto la tensión como la corriente a la salida de la célula solar. Otros factores relevantes, que influyen en la potencia generada por los módulos combinado con la suciedad, es el tipo de conexión que tienen los paneles entre sí. Además del ángulo de inclinación, condiciones ambientales y el tamaño de las partículas. L Conclusiones 60 60 Por lo que la conclusión que se saca en este aspecto es la importancia de la limpieza y el mantenimiento regular de los paneles solares para maximizar su rendimiento. De ahí que se analicen las distintas tecnologías que existen actualmente en el mercado. En este trabajo dichas tecnologías se dividen en dos grandes grupos, las manuales y las automáticas o mecanizadas. Si se habla de sistemas de limpieza manuales, se mencionan la limpieza mediante pértiga y también de agua a presión. Ambas tecnologías necesitan operarios para su desempeño y conllevan un gran consumo de agua. Por otro lado en los sistemas mecanizados como los rodillo autopropulsados, y los rodillos automáticos o sistema de agua a presión automática, son sistemas complejos que requieren un mantenimiento importante. Además en los que no son automáticos se necesita la presencia de un operario. Lo interesante de este trabajo es la comparativa entre dos sistemas de limpieza poco comunes o experimentales actualmente. Entre estos nuevos sistemas se encuentran el robot autónomo de limpieza de paneles y el sistema de limpieza automático basado en pulverización. En el apartado del robot autónomo se explica que la automatización es clave para mejorar la eficiencia y reducir costos en sectores como la energía solar. Dispositivos autónomos, con sistemas de tracción y limpieza avanzados, están optimizando el mantenimiento de paneles solares sin intervención humana. Para poder hacer una comparativa es importante explicar el diseño y funcionamiento de los sistemas internos. En el caso del robot automático, utiliza un sistema de tracción de tipo oruga, que ofrece mejor adherencia y tracción en diversas superficies. Esto es crucial para operar en terrenos irregulares y permite superar los ángulos de inclinación de los paneles solares. Además, el dispositivo tiene un sistema de limpieza dual, con un rodillo seco de microfibra para eliminar el polvo, y un segundo rodillo con agua para limpiar la suciedad más incrustada. También, incorpora un sistema de pulverización de agua eficiente y una membrana de secado para completar la limpieza. A esto hay que añadirle un sistema de control basado en un Arduino que regula los motores y sensores para evitar salirse de los paneles. Funciona con una batería de 54 Ah, que le proporciona una autonomía de aproximadamente tres horas de operación. Los costes estimados de fabricación del dispositivo son de 1835 €, pero en el mercado existen versiones más complejas, cuyo precio varía entre 4700 € y 7000 €, dependiendo de sus características y capacidad de limpieza. Por otro lado el sistema de pulverización consta de una barra de acero con boquillas que pulverizan agua para limpiar los paneles. El agua es reciclada a través de un filtro y almacenada en un tanque para su reutilización, lo que hace el sistema eficiente en el uso del agua. Un microcontrolador Arduino gestiona la limpieza de manera autónoma, registrando datos meteorológicos y de suciedad para activar el sistema cuando sea necesario. El sistema logra una mejora significativa en la eficiencia de los paneles. En términos de corriente generada, el aumento promedio es del 12,34 % tras la limpieza, dependiendo del ángulo de inclinación del panel. También se observó un aumento de la potencia de salida, con mejoras de entre 9,92 % y 12,07 %. La limpieza no solo mejora la producción de energía, sino que también reduce la temperatura de los paneles, un factor crucial para mantener su eficiencia. En promedio, la temperatura de los paneles disminuyó en 0,82 °C en la parte frontal y en 0,52 °C en la parte posterior, ayudando a optimizar el rendimiento térmico. El coste del sistema por módulo es relativamente bajo, alrededor de 138 €. Este incluye los componentes principales como las boquillas, la bomba de agua, los filtros y el Arduino. 61 61 Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos Como conclusión principal se realiza una comparativa entre estos dos sistemas de limpieza autónomos. A nivel de costes como se mencionó anteriormente el precio del robot básico es de 1835 €, aunque versiones más avanzadas en el mercado oscilan entre 4700 € y 7000 €. Si se compara con el sistema de pulverización cuyo coste total es de unos 140 € lo convierte en una solución mucho más económica. Este sistema es escalable y su coste por módulo es bajo, pero el mantenimiento y reemplazo de filtros y boquillas puede incrementar los gastos a largo plazo. Si se tiene en cuenta la eficiencia de los sistemas el sistema de rodillos con microfibra del robot es muy eficiente al limpiar partículas más grandes y adheridas, ofreciendo un ciclo de limpieza completo (barrido, fregado y secado). Sin embargo, su capacidad está limitada por la autonomía de la batería (tres horas) y el tamaño del depósito de agua (32 litros), lo que implica que requiere recargas frecuentes si se usa en grandes instalaciones. Por otro lado el sistema de pulverización además de limpiar el panel, también tiene un efecto refrigerante, reduciendo la temperatura de los paneles entre 0,45 ºC y 0,82 ºC, lo que mejora el rendimiento energético. La eficiencia de limpieza es alta (mejora en promedio un 12,34 % la corriente y entre un 9,92 % y un 12,07 % la potencia de salida), pero requiere un suministro constante de agua y un sistema de reciclaje eficaz para ser sostenible en grandes instalaciones. Otra de las cuestiones mas relevantes a la hora de comparar dos dispositivos como estos es su mantenimiento. En caso del robot el mantenimiento es más técnico, especialmente por sus piezas móviles como los rodillos y el sistema de tracción, que requieren revisiones periódicas. Sin embargo, su autonomía y capacidad de operar sin supervisión reducen la necesidad de intervención humana frecuente. Es adecuado para instalaciones mas grandes, pero el uso de agua podría ser una limitación en zonas con escasez de recursos hídricos. Sin embargo, el sistema de pulverización es más sostenible por su uso eficiente del agua y su sistema de reciclaje, lo que lo hace ideal para zonas con restricciones hídricas. El mantenimiento de filtros y boquillas es más sencillo y menos costoso en comparación con los componentes mecánicos del robot, pero su efectividad depende del suministro constante de agua limpia. Todo esto se concluye que el sistema de pulverización es considerablemente más económico (138 € frente a 1835 € del robot), lo que lo convierte en una opción más accesible para pequeñas instalaciones. El robot autónomo presenta una tecnología más avanzada en términos de movilidad y multifuncionalidad (limpieza con rodillos, tracción sobre orugas), mientras que el sistema de pulverización es más simple, pero eficaz, especialmente en climas cálidos donde el efecto refrigerante mejora el rendimiento de los paneles. Ambos sistemas ofrecen una mejora notable en la eficiencia de los paneles, aunque el sistema de pulverización incluye la ventaja adicional de enfriar los paneles. El robot autónomo ofrece una limpieza más profunda y versátil en diversas condiciones de terreno. El sistema de pulverización destaca por su bajo consumo de recursos y su capacidad de reciclar agua, haciéndolo ideal para zonas con escasez de agua, mientras que el robot autónomo depende de un depósito de agua y una mayor cantidad de energía para su operación. Por lo que la elección entre ambos sistemas depende del tamaño de la instalación, las condiciones climáticas, la disponibilidad de agua y el presupuesto. Para instalaciones pequeñas y zonas secas, el sistema de pulverización es una opción económica y eficiente, mientras que el robot autónomo es ideal para grandes parques solares donde se requiere una limpieza más intensiva y automatizada. Un posible avance en la resolución de este trabajo sería realizar un prototipo físico del sistema de pulverización y comprobar su eficacia, comprobar fallos, verificar presupuesto. Por otro lado se podría realizar un estudio de mercado, una vez evaluada su viablididad e integridad física, y asi comprobar si es un sistema de limpieza que interesa tanto a los grandes parques como a Conclusiones 62 62 los particulares. Dentro de estos últimos, incorporar en el sistema la posibilidad de comprobar el estado del panel y activar de forma remota, desde una aplicación móvil, la pulverización de agua. 63 63 Análisis comparativo entre distintos tipos de limpiadores de paneles fotovoltaicos REFERENCIAS [1] Maghami, M. R., Hizam, H., Gomes, C., Radzi, M. A., Rezadad, M. I., & Hajighorbani, S. (2016) “Power loss due to soiling on solar panel: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews” [2] Hernández Fernández, Á. (2023) “Desarrollo e implementación de robot andador tipo Jansen para limpieza automatizada de plantas fotovoltaicas” [3] Jacob, S. B., de Souza, C. N., Murcia, G. J., Branda, J. C., Garín, E., Carrica, D. O., & Tedoldi, S. S. 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