A poeira que se acumula nos painanãis solares éum grande problema, mas a lavagem dos painanãis consome grandes quantidades de a¡gua. Os engenheiros do MIT desenvolveram agora um manãtodo de limpeza sem águapara remover poeira em instalações solares em regiaµes com limitação de a¡gua, melhorando a eficiência geral. Créditos: Imagem: Cortesia dos pesquisadores 

Espera-se que a energia solar alcance 10% da geração global de energia atéo ano de 2030, e muito disso provavelmente estara¡ localizado em áreas desanãrticas, onde a luz solar éabundante. Mas o acaºmulo de poeira em painanãis solares ou espelhos já éum problema significativo ospode reduzir a produção de painanãis fotovoltaicos em até30% em apenas um maªs osportanto, a limpeza regular éessencial para essas instalações.

Mas a limpeza de painanãis solares atualmente éestimada em cerca de 10 bilhaµes de galaµes de águapor ano oso suficiente para fornecer águapota¡vel para até2 milhões de pessoas. As tentativas de limpeza sem águasão trabalhosas e tendem a causar arranhaµes irreversa­veis nassuperfÍcies, o que também reduz a eficiência. Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT desenvolveu uma maneira de limpar automaticamente os painanãis solares, ou os espelhos das usinas solares tanãrmicas, em um sistema sem águae sem contato que poderia reduzir significativamente o problema da poeira, dizem eles.

O novo sistema utiliza repulsão eletrosta¡tica para fazer com que aspartículas de poeira se soltem e praticamente saltem dasuperfÍcie do painel, sem a necessidade de águaou escovas. Para ativar o sistema, um simples eletrodo passa logo acima dasuperfÍcie do painel solar, conferindo uma carga elanãtrica a spartículas de poeira, que são repelidas por uma carga aplicada no pra³prio painel. O sistema pode ser operado automaticamente usando um motor elanãtrico simples e trilhos de guia ao longo da lateral do painel. A pesquisa édescrita hoje na revista Science Advances , em um artigo do estudante de pós-graduação do MIT Sreedath Panat e do professor de engenharia meca¢nica Kripa Varanasi.

Apesar dos esforços conjuntos em todo o mundo para desenvolver painanãis 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 painanãis ocorre abruptamente no ini­cio do processo de acaºmulo de poeira e pode facilmente chegar a 30% de redução após apenas um maªs 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 bilhaµes e US$ 5,5 bilhaµes.

“Ha¡ muito trabalho em andamento em materiais solares”, diz Varanasi. “Eles estãoultrapassando os limites, tentando ganhar alguns por cento aqui e ali para melhorar a eficiência, e aqui vocêtem algo que pode obliterar tudo isso imediatamente.”

Muitas das maiores instalações de energia solar do mundo, incluindo as da China, andia, Emirados arabes Unidos e EUA, estãolocalizadas em regiaµes desanãrticas. A águausada para limpar esses painanãis solares usando jatos de águapressurizados deve ser transportada a  distância e deve ser muito pura para evitar deixar depa³sitos nassuperfÍcies. A lavagem a seco a s vezes éusada, mas émenos eficaz na limpeza dassuperfÍcies e pode causar arranhaµes permanentes que também reduzem a transmissão de luz.

A limpeza com águarepresenta 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 ha­drica da indústria solar éincompreensa­vel”, diz Varanasi, e aumentara¡ a  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 sustenta¡vel.”

Outros grupos tentaram desenvolver soluções baseadas em eletrosta¡tica, mas elas contaram com uma camada chamada tela eletrodina¢mica, usando eletrodos interdigitados. Essas telas podem ter defeitos que permitem a entrada de umidade e causam falhas, diz Varanasi. Embora possam ser aºteis em um lugar como Marte, diz ele, onde a umidade não éum problema, mesmo em ambientes desanãrticos na Terra isso pode ser um problema sanãrio.

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 elanãtrico que transmite uma carga a spartículas de poeira a  medida que avana§a. Uma carga oposta aplicada a uma camada condutora transparente de apenas alguns nana´metros de espessura depositada na cobertura de vidro do painel solar repele aspartículas 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 pa³ de laboratório especialmente preparadas com uma variedade de tamanhos departículas, 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 águasobre aspartículas, 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%, vocêpode remover quase todas aspartículas dasuperfÍcie, mas a  medida que a umidade diminui, fica mais difa­cil.”

Varanasi diz que “a boa nota­cia éque quando vocêchega 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 manha£, levando a  formação de orvalho, para que a limpeza possa ser programada de acordo.

“Além disso, ao contra¡rio de alguns dos trabalhos anteriores em telas eletrodina¢micas, que na verdade não funcionam em umidade alta ou moderada, nosso sistema pode funcionar em umidade de até95%, 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 elanãtrico, talvez usando uma pequena parte da saa­da do pra³prio painel, acionaria um sistema de correia para mover o eletrodo de uma extremidade do painel para a outra, fazendo com que toda a poeira caa­sse. 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 pea§as ma³veis.

Ao eliminar a dependaªncia da águatransportada, ao eliminar o acaºmulo de poeira que pode conter compostos corrosivos e ao reduzir os custos operacionais gerais, esses sistemas tem o potencial de melhorar significativamente a eficiência e a confiabilidade gerais das instalações solares, diz Varanasi.

A pesquisa foi apoiada pela empresa italiana de energia Eni. SpA atravanãs da MIT Energy Initiative.