ARTIGO — Limpeza Fotovoltaica Baseado em Repulsão Eletrostática

O acúmulo de poeira nos painéis solares é um grande empecilho, já que bloqueia uma ampla parte da luz solar, prejudicando a geração de energia. Por meio disso, Cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) desenvolveram um protótipo de sistema de limpeza de módulo solar em escala de laboratório que usa repulsão eletrostática para fazer com que partículas de poeira se soltem e praticamente saltem da superfície dos painéis.

As partículas de poeira, apesar de consistirem principalmente de sílica isolante, são repelidas eletrostaticamente dos eletrodos devido à indução de carga assistida pela umidade adsorvida.

Eles descreveram o sistema em “Remoção de poeira eletrostática usando indução de carga assistida por umidade adsorvida para operação sustentável de painéis solares “, publicado recentemente na Science Advances. É um dispositivo capaz de “carregar ativamente” partículas de poeira e transmitir uma forte força Coulombiana para repulsão de poeira.

Como Funciona o Sistema de Limpeza por Repulsão Eletrostática

“Nossa abordagem supera as limitações anteriores que ocorrem devido à dependência de uma força dieletroforética/triboelétrica relativamente fraca e de curto alcance e elimina o problema do curto-circuito elétrico”, explicaram os cientistas.

O sistema waterless é operado automaticamente por um motor elétrico, acionado por um eletrodo colocado na superfície do módulo. A carga elétrica que ele libera repele as partículas de poeira dos painéis.

O eletrodo inferior consiste em uma placa de vidro revestida com uma camada transparente e condutora de 5nm de óxido de zinco dopado com alumínio (AZO), por deposição de camada atômica (ALD).

Além disso, é móvel para evitar sombras e se move ao longo do painel durante a limpeza com um mecanismo de motor de passo de guia linear.

O sistema pode funcionar com uma tensão de cerca de 12V. Os pesquisadores afirmam que ele pode recuperar 95% da energia perdida após a limpeza para partículas de tamanhos maiores que cerca de 30μm.

Testes Realizados

Embora “poeira” seja um termo que abranja uma grande variedade de material particulado, as partículas típicas de poeira do deserto que sujam os painéis solares são partículas minerais.

“Usamos o Arizona Test Dust (Intermediate and Miscellaneous Test Dust Fractions da Powder Technology Inc.), também conhecido como pó de sílica cristalina, cuja composição química emula a de partículas típicas de poeira mineral do deserto em nossos experimentos”, disseram os pesquisadores.

Primeiro, estimamos a carga das partículas de poeira e, em seguida, definimos a condição para a remoção das partículas em tensão aplicada”.

Em seguida, variamos a umidade relativa para estudar o efeito da variação na adsorção de umidade na remoção de poeira eletrostática”.

Por último, projetamos um sistema eletrostático de remoção de poeira para um painel solar em escala de laboratório, transformando a superfície superior do painel em um eletrodo transparente”.

Cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Um dos pesquisadores, Sreedath Panati, disse que o grupo realizou experimentos com diferentes níveis de umidade, de 5% a 95%. “Enquanto a umidade do ambiente estiver acima de 30%, quase todas as partículas da superfície podem ser removidas, mas à medida que a umidade diminui, fica mais difícil”, disse Panati.

As simulações mostraram que o consumo de eletricidade do dispositivo é insignificante.

Como não há fluxo de corrente entre os eletrodos superior e inferior, não há consumo de energia elétrica.

O único modo de consumo de energia é associado à translação do eletrodo em movimento. Além disso, mais reduções de custo são obtidas ao reduzir ainda mais a espessura do revestimento do eletrodo.

Influência da Poeira na Geração

Um estudo acelerado em laboratório simulou condições de sujeira severas em um painel solar em escala de laboratório, sendo descoberto que a saída de energia diminui exponencialmente com a cobertura de poeira.

Em ambientes agressivos com taxas de acúmulo de poeira próximas a 1 g/m² por dia, leva apenas cerca de um mês para ocorrer o acúmulo de 3 mg/cm². Já para 5 mg/cm² de poeira, corresponde a quase 50% de perda de potência.

Também pode haver rápida perda de eficiência em regiões onde as tempestades de poeira são frequentes. Assim, os painéis solares são geralmente limpos regularmente (até várias vezes por mês), dependendo da gravidade das condições de sujidade.

Os dados de potência de saída conforme a cobertura de poeira é possível obter através da imagem abaixo.

Método de Limpeza Convencional

O método mais comum de limpeza é o uso de jatos e sprays de água pressurizada. Como a água é escassa nas regiões desérticas, ela precisa ser transportada de outros lugares antes de ser pulverizada nos painéis solares.

A limpeza à base de água contribui com até 10% do custo de operação e manutenção dos parques solares com base na frequência de limpeza. Estudos relatam que tanto as usinas fotovoltaicas quanto as de energia solar concentrada consomem cerca de 1 a 5 milhões de galões de água por 100 MW por ano.

A limpeza eletrostática do painel solar tem sido proposta como uma alternativa interessante que pode potencialmente eliminar o consumo de água e os danos causados ​​pela lavagem de contato devido à ausência de componentes mecânicos que friccionam o painel.

As telas eletrodinâmicas (EDS) são os sistemas de remoção de poeira eletrostática mais populares.

Principais Desafios em se Utilizar a Limpeza por Repulsão Eletrostática

Embora os sistemas EDS sejam promissores e tenham sido implementados com sucesso em ambientes extremamente secos, como painéis solares em rovers de Marte, existem vários desafios para implementação em painéis solares na Terra.

Um dos principais desafios é a intrusão de umidade ao longo do tempo no filme dielétrico que isola os eletrodos devido à sua porosidade finita. O acúmulo de umidade pode eventualmente levar a curto-circuito elétrico dos eletrodos e falha do sistema.

Além disso, arranjos de microeletrodos interdigitados embutidos em EDS são caros para implementação comercial devido aos custos associados à microfabricação. No caso de eletrodos de cobre interdigitados, também existem limitações decorrentes do sombreamento significativo da superfície.

Conclusão – Limpeza por Repulsão Eletrostática

Portanto, o uso dessa nova tecnologia seria apenas em casos exclusivos, em que é necessário realizar diversas limpezas ao longo do ano, como nos desertos, em que demandaria um consumo excessivo de água limpa.

Como no Brasil as instalações normalmente têm uma limpeza mais bem definida, como 1x a cada 3 meses, 1x a cada 6 meses ou 1x a cada ano, o uso de limpeza por repulsão eletrostática seria praticamente inviável, por conta do alto valor investido no equipamento.

Sendo assim, apenas a limpeza padrão do sistema fotovoltaico já é suficiente, mas fica a ideia para limpezas em áreas desérticas.

Fontes

Science Advances. Electrostatic dust removal using adsorbed moisture–assisted charge induction for sustainable operation of solar panels. Disponível em: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm0078

PV Magazine. Nuevo sistema de limpieza fotovoltaica basado en la repulsión electrostática. Disponível em: https://www.pv-magazine-latam.com/2022/03/15/nuevo-sistema-de-limpieza-fotovoltaica-basado-en-la-repulsion-electrostatica/

Guilherme Peters Junior

Engenheiro Eletricista e Analista de Marketing na Solar Inove.