Conoce los efectos de la suciedad en los módulos fotovoltaicos

Este artículo tiene como objetivo evaluar los efectos de la acumulación de suciedad en la superficie de los módulos fotovoltaicos, analizando cómo esto contribuye directamente a la reducción de la generación de energía. Abordaremos una pregunta frecuente en el mercado: la frecuencia con la que deben limpiarse los módulos fotovoltaicos.

También analizaremos un estudio de caso desarrollado por el Laboratorio de Energía y Sistemas Fotovoltaicos de la UNICAMP (Universidad Estatal de Campinas) y publicado en el Congreso Brasileño de Electrónica de Potencia [1]. La suciedad presente en la superficie de los módulos fotovoltaicos impacta directamente en la generación de energía.

La suciedad provoca una reducción de la radiación solar absorbida por las células que componen el módulo fotovoltaico, lo que en casos extremos puede provocar sombreado parcial, Puntos calientes y, en consecuencia, estrés térmico en las células que puede contribuir al desarrollo de microfisuras en las células.

Ante tantos impactos negativos de los módulos sucios, es necesario limpiarlos con una frecuencia razonable para que el sistema no vea reducida su vida útil y para que los propietarios del sistema tengan un retorno de la inversión garantizado.

La tasa de deposición de suciedad en las instalaciones fotovoltaicas varía según los elementos que componen el entorno, como el tipo de suelo, la humedad relativa, la incidencia del viento y la lluvia, la vegetación y fauna cercanas, además de la proximidad de regiones con alta tráfico de vehículos o zonas industrializadas.

Considerando todo este espectro de condiciones, resulta un gran reto encontrar una fórmula que cubra todo tipo de instalaciones para evaluar el impacto de la suciedad y determinar la frecuencia adecuada de limpieza. La principal evidencia de que los módulos fotovoltaicos deben someterse a un proceso de limpieza es la reducción en la generación de energía.

Este problema se puede detectar mediante la monitorización del módulo o la cadena, ya sea con equipos MLPE (electrónica de potencia a nivel de módulo) o inversores convencionales. Si se detecta una caída en la generación, es necesaria una limpieza. En las plantas solares, a pesar de la monitorización, la limpieza periódica de los módulos es un elemento obligatorio en el proceso de operación y mantenimiento durante toda la vida útil del sistema.

El primer paso al observar una reducción notable en la generación de energía es verificar la limpieza de los módulos. La suciedad es uno de los principales factores que impactan negativamente en la generación, como ya hemos mencionado. Para destacar la necesidad de monitorear la generación de energía con fines de limpieza, se presentan a continuación dos casos prácticos que demuestran los efectos de la acumulación de suciedad en los módulos fotovoltaicos.

Estudio de caso I

El primer estudio de caso se realizó en un sistema fotovoltaico instalado cerca del Centro de Integración Social de Guanabara – UNICAMP. Este sistema consta de una cadena de 1 módulos de 12 Wp. El sistema se vio afectado por fuertes lluvias y vientos, lo que provocó una intensa acumulación de suciedad en la superficie de los módulos.

Para verificar los efectos de la suciedad acumulada, se utilizó un trazador de curva IV para tomar medidas en los módulos y la cadena. Para facilitar el estudio, los módulos se numeraron como se muestra en la Figura 1.

Inicialmente, todos los módulos se midieron en condiciones de alta deposición de suciedad en la superficie. El módulo 4 presentó el peor desempeño, con una entrega de potencia de 152,9 W en STC, con una desviación del 19,5% con relación a su potencia nominal. Su bajo rendimiento se puede atribuir al hecho de que tiene un patrón de suciedad diferente a otros.

Este mismo módulo, luego de ser adecuadamente limpiado, presentó una potencia STC de 170,84 W (variación de 10,1%), presentando un incremento de 12,09 W con relación a la condición anterior, convirtiéndose curiosamente en el módulo de mejor desempeño entre los 12 módulos de la cadena. En las Figuras 3 y 4 es posible analizar las curvas IV y PV de un mismo módulo en las dos situaciones estudiadas.

Cabe destacar que el sombreado parcial causado por la concentración de suciedad en algunas partes del módulo provocó un desplazamiento del punto de máxima potencia. Este efecto tiene consecuencias negativas para el sistema, ya que limita la generación de los demás módulos conectados, obligándolos a operar en condiciones de corriente y tensión inferiores a sus respectivos máximos.

Utilizando este mismo conjunto de módulos, se realizó una segmentación de dos cadenas: una sucia (módulos 2 a 1) y otra limpia (6 a 7), según la numeración de la Figura 12. Para analizar la diferencia en la generación de OPC entre ambas cadenas, se obtuvieron las siguientes curvas de IV y PV. La cadena sucia presentó una potencia OPC máxima de 1 W, mientras que la cadena limpia desarrolló una potencia máxima de 577,1 W.

La diferencia de 27,3 W pone de manifiesto la necesidad real de realizar una limpieza en situaciones donde existe una discrepancia muy grande con respecto a la generación esperada. Un mantenimiento oportuno del sistema puede ser esencial para que la generación satisfaga la demanda prevista por el propietario del sistema y, en consecuencia, evite problemas y dolores de cabeza a la empresa que suministró el sistema fotovoltaico.

Estudio de caso II

En este segundo caso de estudio se analizará una instalación que experimentó una fuerte caída de generación. La figura 7 muestra la situación sucia de los módulos fotovoltaicos.

Una forma de identificar que los módulos necesitan limpieza es monitorear la generación a través del sistema de supervisión del inversor. La Figura 8 muestra las situaciones antes y después de la limpieza realizada el día 13/05. La generación media saltó de 300 kWh diarios a unos 350 kWh después de la limpieza.

La generación de un sistema fotovoltaico depende, sobre todo, de la irradiancia y temperatura de funcionamiento de los módulos. La presencia de suciedad está directamente relacionada con la reducción de la irradiancia que reciben los módulos. La suciedad también puede, cuando se deposita en forma concentrada en algunos puntos, provocar un sobrecalentamiento de las células.

Conclusión

Este artículo presentó dos casos donde el efecto de la suciedad en el rendimiento de los módulos fotovoltaicos es evidente. En el primer caso, verificamos una situación de alta suciedad. Uno de los módulos presentaba una alta concentración de suciedad y su curva IV se vio alterada por el desplazamiento del punto de máxima potencia, lo que puede afectar la generación de los demás módulos conectados en serie.

En casos extremos, la concentración de suciedad puede provocar el sobrecalentamiento de las células fotovoltaicas, lo que afecta el rendimiento de la generación y puede reducir la vida útil del módulo o provocar incendios en situaciones extremas. En el segundo caso analizado, se detectó un sistema con un nivel considerable de suciedad. Tras la limpieza, la generación diaria del sistema aumentó notablemente.

Los casos analizados involucraron dos pequeños sistemas fotovoltaicos. La limpieza periódica de los módulos fotovoltaicos es necesaria en sistemas fotovoltaicos de cualquier tamaño. En las plantas de energía solar, la limpieza debe formar parte de la rutina de operación y mantenimiento. La determinación de la frecuencia de limpieza debe considerar la reducción en la generación de energía, lo cual puede verificarse mediante el monitoreo de la generación.

Referencia

[ 1 ] EY Sakô, J. Lucas de Souza Silva, D. d. Bastos Mesquita, R. Espino Campos, HS Moreira y M. Gradella Villalva, “Conceptos y estudio de caso de pérdidas por desajuste en módulos fotovoltaicos”, 2019.ª Conferencia Brasileña de Electrónica de Potencia del IEEE y 15.ª Conferencia Sureña de Electrónica de Potencia del IEEE (COBEP/SPEC), Santos, Brasil, 5, págs. 2019-1, doi: 6/COBEP/SPEC10.1109