INFLUENCIA DE LA PRECIPITACIÓN EN LA DEPOSICIÓN DE MATERIAL PARTICULADO SOBRE PANELES FOTOVOLTAICOS INSTALADOS EN

ROSARIO, ARGENTINA Y SU CARACTERIZACIÓN CON MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA

M. Vega1,2, L. Tosello1,2, M. Freire3, M. I. Micheletti3. R.D. Picentini1,2,4

1 Laboratorio de Eficiencia Energética, Sustentabilidad y Cambio Climático, Instituto de Mecánica Aplicada y Estructuras (LESyC – IMAE), Facultad de Ciencias Exactas, Ingeniería y Agrimensura,

Universidad Nacional de Rosario (FCEIA- UNR)2Innovación y Calidad Ambiental, Secretaría de Servicios Públicos y Medio Ambiente, Municipalidad de Rosario, Riobamba y Berutti- 2000 Rosario, Argentina. Tel. 54-341 4808538/39- 4821671 – Fax

54- 341 4808540, web: www.imae.fceia.unr.edu.ar, e-mail: marcelo.vega@eie-fceia.unr.edu.ar3Instituto de Física Rosario (CONICET - UNR)

RESUMEN: Existen múltiples factores que inciden sobre la eficiencia de generación de energía eléctrica fotovoltaica solar. En el presente trabajo, analizamos el material particulado que se deposita sobre los paneles fotovoltaicos. Presentamos resultados de: a) concentración superficial de aerosoles influenciada por la precipitación y el viento y b) análisis del tipo de aerosol, de sus dimensiones y su composición química. En el primer caso, la concentración superficial varía entre 0.11 y 9.23 miligramos/m2 en un periodo de aproximadamente dos meses, con oscilaciones debidas a la precipitación. El efecto del viento sobre los aerosoles es notorio en los paneles extremos del sistema fotovoltaico. En el segundo caso, O, Si y Fe son los elementos presentes en mayor proporción en las muestras recogidas. Otros elementos están presentes, tales como: C, Na, Mg, Al, K, Ca. Además, las dimensiones aerosoles tienen un valor medio de 2.81 micrones y se concentran principalmente en el rango de 0,5 - 5 micrones.

Palabras clave: panel fotovoltaico, aerosoles, caracterización, deposición, precipitación.

1. INTRODUCCION La importancia de la energía solar fotovoltaica (FV) como fuente de energía renovable ha sido destacada por Razykov et al (2011), quienes indican que el mercado fotovoltaico está creciendo a una tasa anual del 35 al 40 %. También, es de señalar el avance que se ha registrado en los últimos años en la reducción del impacto ambiental de una planta solar de este tipo, empleando paneles reciclables, lo que permite disminuir hasta alrededor de 1 año el momento en el que la energía gastada en la producción de celdas solares es igual a la energía producida por dichas celdas (en inglés: energy payback time). Además, los estudios realizados sobre la minimización del impacto ambiental de plantas FV de energía solar, que ha sido analizados por Piacentini et al (2013).

En común que sobre los sistemas de aprovechamiento solar fotovoltaico, se depositen aerosoles, (también llamado material particulado), con dimensiones del orden de las décimas a decenas de micrones (Micheletti el al, 2013).

En el ítem 2, presentamos el Sistema solar de paneles fotovoltaicos generador de electricidad para su envío a la Red. En el ítem 3, realizamos una descripción del equipo microscópico electrónico con técnica EDX y en el ítem 4 los resultados relativos a: i) la deposición superficial de aerosoles sobre paneles FV, ii) su composición química e iii) su distribución en tamaño. En el ítem 5 detallamos las conclusiones obtenidas en el presente trabajo.

2. SISTEMA FOTOVOLTAICO INSTALADO EN ROSARIO, ARGENTINA Un sistema fotovoltaico constituido de 8 paneles Sun-world, de 1 m x 1.675 m de superficie captora y 240 Wp de potencia cada uno, ha sido instalado recientemente en el amplio sector de la Planta de Compostaje (la más grande de América del Sur) de la ciudad de Rosario, Argentina (Figura 1). Este sistema forma parte del Proyecto de Generación en paralelo conectado a la red de la Empresa Provincial de la Energía. Dicha instalación correspondió a la primera experiencia en edificios

Tema 8 - Evaluación energética, instrumentación y materiales usados en energías renovables, modelización y simulación

públicos de la ciudad de Rosario. Los mismos fueron colocados en el marco de un convenio entre la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y el Municipio de Rosario a través de un Proyecto FONARSEC.

MóduloPotenciaNominal

(W)

Tensión acircuito

abierto (V)

Corriente decorto circuito

(A)

Tensión depotencia

máxima (V)

Corriente depotencia

máxima (A)

Eficiencia (%)

BRP6360064-235 235 38.71 8.35 30.4 7.73 14.2Tabla 1: Parámetros eléctricos de los módulos FV utilizados en el generador.

El sistema de generación fotovoltaica conectado a red monofásica consta de paneles fotovoltaicos de silicio policristalino, marca Brandoni Solare BRP6360064-235, que pueden generar una potencia pico de 1880 Wpico. Las características técnicas de los mismos están detalladas en la Tabla 1. Además, consta de un inversor para conexión a red y tableros de conexión, protección y maniobras, tanto en corriente continua (CC) como en corriente alterna (CA).

Figura 1: Sistema de 8 paneles fotovoltaicos instalados en la Planta de Compostaje y Tratamiento de Residuos Bella Vista, ubicada en avenida Las Palmeras al 4800, en la zona oeste de la ciudad de

Rosario, Argentina. Fuente: www.rosario.gov.ar.

La Tabla 2 presenta los parámetros eléctricos del sistema.

Número de módulos en serie

PotenciaNominal

(W)

Tensión acircuito

abierto (V)

Corriente decorto circuito

(A)

Tensión depotencia

máxima (V)

Corriente depotencia

máxima (A)8 1880 309.68 8.35 243.2 7.73

Tabla 2. Parámetros eléctricos del sistema, dimensionados para el generador FV.

Para la conversión e inyección a red de la energía eléctrica producida por el Sistema FV,utilizamos un inversor de uso solar, marca Aros, modelo Sirio 1500. Sus especificaciones técnicas se presentan en la Tabla 3.

Parámetros de entrada en CC

Marca y Modelo

Tensión nominal de entrada en CC

(V)

Tensión máxima decircuito abierto delgenerador FV en

CC (V)

Rango delMPPT (V)

Rango deoperación del

MPPT (V)

Corriente máxima deentrada a cada MPPT

en CC (A)

AROS 1500 360 450 200- 405 100- 450 8.9

Parámetros de entrada en CAMarca y Modelo

PotenciaNominal desalida (W)

Máximapotencia desalida (W)

Rangooperacional de

tensión (V)

Frecuencia deoperación (Hz)

THDi Factor depotencia

AROS SIRIO 1500

1500 1650 230 50 <3% >0.99

Tabla 3. Especificaciones técnicas del inversor (según fabricante).

En la Figura 2, izquierda presentamos el inversor, junto a los tableros de CC y CA y en la Figura 2, derecha un detalle de la pantalla del inversor.

Figura 2. Izquierda: Inversor con Tableros CC y CA; Derecha: detalle de la pantalla del inversor.

3. MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO CON TÉCNICA EDXPara analizar partículas microscópicas, anteriormente se empleaban y aún al presente se emplean, microscopios ópticos, pero cada vez van tomando mayor predominancia los microscopios electrónicos de barrido o SEM (Scanning Electron Microscope), los cuales, en lugar de luz, utilizan un haz de electrones para formar una imagen. En el presente trabajo empleamos el SEM Quanta con tecnología de radiación X, denominada EDX, perteneciente al Instituto de Física Rosario (CONICET –Universidad Nacional de Rosario) y administrado por el Centro Científico Tecnológico de CONICET en Rosario. Es una herramienta que permite visualizar muestras de dimensiones muy pequeñas (en los rangos de los micrómetros y aún centenas de nanómetros), de modo de obtener información morfológica, química y estructural de los sistemas en estudio. En la Figura 3 observamos detalles del mismo en el compartimento de muestras (izquierda) y análisis con el software correspondiente (derecha).

Figura 3. Microscopio SEM Quanta, con técnica EDX del Instituto de Física Rosario (CONICET – UNRosario).

4. RESULTADOS OBTENIDOS

4.1 DEPOSICIÓN SUPERFICIAL DE AEROSOLES SOBRE PANELES FOTOVOLTAICOS Para la evaluación de la concentración de deposición de aerosoles en los paneles fotovoltaicos, ubicamos captores pasivos de muestras de material particulado que se deposita sobre dichos captores, de la misma forma que en el panel. Procedimos a la extracción semanal de estos captores para cada panel individual, completando así una serie de ocho semanas consecutivas. Los resultados correspondientes están detallados en la Tabla 4.

Nº PanelTiempo de

exposición (días)

Masa de aerosol depositado

sobre panel (mg)

Concentración superficial de

material depositado (mg/m2)

Fecha de limpieza

de los paneles

1 7 0,9 0.5 20/05/20152 14 1,3 0.8 27/05/20153 21 0,1 0.1 03/06/20154 28 0,2 0.1 10/06/20155 35 5,9 3.7 17/06/20156 42 9,2 5.8 24/06/20157 49 3,6 2.2 01/07/20158 56 0,8 0.5 08/07/2015

Tabla 4. Tiempo de exposición, material depositado semanalmente (en masa y concentración superficial) sobre cada panel y fecha de su limpieza.

En la Figura 4 observamos el panel número 1 limpio, correspondiente a la primera semana de observación y luego cubierto con aerosoles. Además, tres captores con muestras de aerosoles, para ser analizadas con el microscopio SEM y Técnica EDX.

Figura 4. Superior e inferior izquierda: Toma de muestras para el análisis con microscopio electrónico (SEM). Superior derecha: Panel 1 recién limpiado y resto con deposición de aerosoles.

Inferior derecha: Paneles con deposición de aerosoles. En la Figura 5 presentamos la concentración de aerosoles depositados, en función del tiempo (semana). Observamos una acumulación en las primeras dos semanas, con una pérdida de material depositado en las semanas 3 y 4. En las semanas 5 y 6 se vuelve a observar una deposición en aumento y una disminución del material depositado en las semanas 7 y 8.

Figura 4. Deposición de aerosoles en función del tiempo (en mg/m2 cada semana).

Analizaremos la influencia de las precipitaciones ocurridas en el periodo en estudio (13 de Mayo-8 de Julio 2015). Los datos obtenidos de precipitación fueron aportados por una estación meteorológica automática PEGASUS, instalada en la cercanía de los paneles (ver Figura 6).

Figura 5. Estación meteorológica automática PEGASUS, perteneciente al Instituto de Física Rosario (CONICET –UNRosario) y cedida en préstamo a la Municipalidad de Rosario.

Observamos en Figura 7 la influencia de las precipitaciones en periodos intersemanales. En las semanas 5 y 6 donde se produjeron lluvias escasas, las deposiciones de aerosoles fueron de mayor valor, frente a las ocurridas en periodos con precipitaciones de mayor cuantía, como en semanas 3 y 7. Dada la particularidad de que una Planta de Compostaje y Tratamiento de Residuos esté ubicada en las cercanías del Sistema fotovoltaico, en la Tabla 5 presentamos el número de horas promedio semanal de actividad. Esta planta tiene la capacidad de procesar hasta 250 m3 de residuos domiciliarios por

día, por lo que es considerada una de las más grandes de Sudamérica. Dicha actividad significa un gran aporte de material particulado que puede depositarse en los paneles en estudio.

Figura 6. Deposición de aerosoles [mg/m2 cada semana] y Precipitación semanal [mm cada semana] en función del tiempo.

Observamos que la menor cantidad de horas de funcionamiento corresponde a las semanas 2 y 8, lo cual contribuye a la merma de deposición de aerosoles en los paneles fotovoltaicos.

Semana 1 2 3 4 5 6 7 8Horas funcionamiento 49 36 46 43 48 42 45 37

Tabla 3. Horas de funcionamiento de la Planta de Compostaje de Rosario, Argentina, por semana.

En la Figura 8 presentamos la evolución con el paso de los días, de la acumulación de aerosoles en semanas sin precipitación importante (semanas 1, 2,5 y 6), representada mediante una función de tipo cúbica. Esta función puede ser empleada para determinar cuándo deberá realizarse la limpieza de los paneles, en el caso de que no se produzcan lluvias periódicas (semanales).

Figura 7. Modelización (curva teórica) de la acumulación de aerosoles en días con relativa poca precipitación. [mg/m2.semana]

Para ello, en un estudio posterior correlacionaremos la potencia producida por el sistema, con diferentes concentraciones de material depositado, para establecer cuál es el valor de esta deposición, que produce una dada reducción de la potencia FV (por ejemplo un 2%).

4.2 CARACTERIZACION DE LOS ELEMENTOS PRESENTES EN EL MATERIAL PARTICULADO

El análisis con microscopio electrónico de barrido (SEM) y técnica EDX de los aerosoles, permite determinar la composición química de este material particulado de tamaño microscópico. En las

Figura 9. Izquierda. Espectro de radiación X de los elementos detectados en la muestra 1, en función de la energía `[medida en KeV, donde 1 eV = 1.60217657e-19 joules]; Derecha: Imagen de la

muestra 1, donde el contorno rojo indica la zona en estudio. Se pueden observar aerosoles de tamaños micrométricos.

Tabla 4. Porcentaje de elementos en la muestra 1. Nota: la letra K final de la columna 1 y que se repite en cada elemento, detalla la capa atómica más interna del elemento.

Figuras 9 a 12 Izquierda observamos el espectro de radiación X con los componentes químicos detectados, que están presentes en las muestra analizadas de los distintos aerosoles investigados, tal como aparece en la pantalla de salida del microscopio SEM. En las Figuras 9 a 12, Derecha presentamos imágenes de aerosoles y la escala en micrómetros (µm). En las Tablas 6 a 9 detallamos los porcentajes de los elementos identificados en cada muestra, en proporción de masa (columna 2) y de átomos (columna 3). En particular, en las dos primeras muestras (Tablas 6 y 7) observamos que la contribución del oxígeno (O) es aproximadamente la mitad en masa y la del Silicio (Si) del orden y algo mayor al 20%. Estos elementos permiten avalar la hipótesis de que el aerosol correspondiente es

de material arcilloso de suelo. Los demás componentes (Na, Mg, Al, K, Ca) no superan en conjunto el 20%.

En la Figura Tabla 7, correspondiente a la muestra 2, si bien las proporciones de O y Si se mantienen, aparece una contribución cercana al 10% del Carbono, la cual puede indicar la presencia de material biológico.

Figura 10. Idem Figura 9, para la muestra 2.

Tabla 7. Porcentaje de elementos en la muestra 2.

El elemento Hierro (Fe) aparece detectado en alta proporción en masa (37.2 %) en la muestra 3 (Tabla 8), indicando el aporte significativo de este mineral a la muestra (algo más de 1/3).

Figura 11. Idem Figura 9, para la muestra 3.

Tabla 8. Porcentaje de elementos en la muestra 3.

Algo similar ocurre en la muestra 4, pero con el Carbono (C) en un valor cercano al 30 %, reemplazando al Fe, lo que da idea de un aerosol en su mayoría de compuestos orgánicos.

Figura 12. Idem Figura 9, para la muestra 4.

Tabla 9. Porcentaje de elementos en la muestra 4.

4.3 DISTRIBUCIÓN DE TAMAÑOS DEL MATERIAL PARTICULADOEn base a las mediciones realizadas con el microscopio electrónico SEM, realizamos un estudio de la distribución de tamaños efectivos (valores promedios) del material particulado. Los resultados de la frecuencia relativa porcentual de aparición en las muestras de aerosoles, en función del tamaño, están detallados en la Figura 13.

Figura 13. Frecuencia relativa porcentual de aparición de aerosoles en las muestras recolectadas sobre los paneles fotovoltaicos, en función del tamaño de dichos aerosoles. Nota: la figura interior es una ampliación de la gráfica en el rango de 0 a 10 micrones.

La distribución de tamaños de las distintas muestras, en sus valores medio y dispersión estándar, está detallada en la Tabla 10. Observamos que esta distribución se concentra en gran medida, en tamaños menores de 5 micrones, con un valor medio de 2.81, máximo de 73.1 y mínimo de 0.49 micrones.

Característica de los aerosoles

Dimensiones(micrones)

Valor medio 2.81

Valor máximo 73.1

Valor mínimo 0.49

Desviación estándar 5.45Tabla 10. Características relativas a tamaños del material particulado.

5. CONCLUSIONESDe los resultados obtenidos, podemos extraer las siguientes conclusiones: - Las precipitaciones influyen significativamente en la concentración de aerosoles depositados sobre paneles fotovoltaicos, pudiendo llegar a prácticamente su eliminación aún con intensidades relativamente bajas de lluvia (algunos milímetros por día). El viento también influye, tal como lo detalla el análisis descrito en el Apéndice. - La concentración superficial acumulada de aerosoles depositados en los paneles FV en semanas con nula o mínima lluvia, puede representarse mediante una función cúbica- Mediante microscopia electrónica y técnica EDX, es posible no solo determinar la forma y

distribución de tamaños de los aerosoles, sino también su composición química. En el caso del material particulado analizado, predominan el Oxígeno y el Silicio, con contribuciones apreciables en casos particulares, de Hierro (Fe) y Carbono (C).

- El presente estudio permitirá determinar, en base a posteriores investigaciones, el periodo adecuado para la realización de la limpieza de paneles solares, de modo de lograr que la reducción de potencia FV, generada mediante la incidencia de radiación solar, no supere un valor pre-establecido.

- Es de señalar que los resultados obtenidos sobre la deposición de aerosoles y sobre su caracterización en masa y composición química, son también de interés en otras áreas, tales como contaminación, salud, etc.

- Los estudios preliminares de distribución de tamaños se extenderán correlacionándose con la incidencia de diversos factores (fuentes de aerosoles, evolución de los mismos, incidencia de variables meteorológicas, etc.) en las distribuciones de tamaños halladas. Asimismo, se analizará si éstas tienen efecto en la eficiencia de los paneles solares.

REFERENCIAS Duffie, J. A., & Beckman, W. A. (1991). Solar Engineering of Thermal Processes. 2º Edition. New York: A

Wiley- Interscience Publication.Micheletti M I, Rubén D. Piacentini, Edgar Crinó, Marta M. Moglia, María Laura Vázquez, Graciela

M. Salum, Adriana Ipiña. Análisis de aerosoles atmosféricos en distintos sitios de Argentina, dentro y fuera de períodos de eventos de alta contaminación. Actas del Segundo Taller Argentino de Ciencias Ambientales, Editora Zeus, Ed. Zeus, 1, 231-262, Rosario, 2013 (ISBN 978-950-664-110-8).

Millan M. y Martín E. (1995). Available solar exergy in an absorption cooling process. En Solar Energy (Vol. 56, págs. 505-512).

Piacentini R. D., J. A. Schmidt, N. Budini, M. Vega, E. Giandoménico, N. Feldman and R. Buitrago. (2013).  Photovoltaic materials and solar power plant optimization design in relation to its environmental impact. En A. Méndez-Vilas (Ed.), “Materials and processes for energy: communicating current research and technological developments (págs. 103-113). FormatexResearch Center.

Piacentini, R. D., Vega, M., Lattuca, A., & Desantiago, G. (May de 2015). Urban Agriculture Magazine. Obtenido de Can Local Food Production Reduce Food Imports and Transport? The case of lettuce in Rosario, Argentina: http://www.ruaf.org/sites/default/files/UAM29.pdf

Razykov, et. al. (2011). Solar photovoltaic electricity: Current status and future prospects. (Elsevier, Ed.) Solar Energy , 1580- 1608.

ABSTRACT There are many factors that affect the efficiency of solar power generation with photovoltaic panels. In this paper, we analyzed the particulate matter deposited on the photovoltaic panels. We present results from: a) surface concentration of aerosols influenced by precipitation and wind, b) analysis of the type of aerosols, their size and chemical composition. In the first case, the surface concentration varies between 0.11 and 9.23 mg/m2 over a period of about two months, with

oscillations due to precipitation. The wind effect on aerosols is noticeable in the end panels of the photovoltaic system. In the second case, O, Si and Fe are the elements most present in the collected samples. Further elements are present (C and O), indicating that they are mainly derived from organic compounds. Also, the aerosols dimensions have a mean value of 2.58 microns and are concentrated mainly in the range 0.5- 5 microns.

Keywords: photovoltaic panel, aerosol, caracterization, deposition, precipitation_____________________________________________________________________________

Apéndice: INFLUENCIA DEL VIENTOSi observamos la caracterización del viento durante la semana del 1 Julio al 8 de Julio 2015, según Figura A1, podemos constatar una fuerte tendencia del viento proveniente del NE. Además, en la Figura A2, izquierda el diagrama de intensidades presenta una incidencia del 3.1% frente al 0.8% durante todo el periodo (Figura A2, derecha) para el rango de velocidades de 17- 21 knots (donde 1 Knot = 1.852 Km/hora), lo que avalaría la escasa deposición obtenida en la última semana de medición de la serie (admitiendo que el viento en ese periodo no pasó por fuentes importantes de aerosoles, como zonas rurales recién aradas, caminos rurales sin pavimentar, construcciones, etc). Otro factor a considerar es el efecto de borde sobre el panel del extremo, por ser el primero en la exposición a las ráfagas de viento sobre la estructura.

Figure A1: Rosa de los vientos del periodo 1 al 8 Julio 2015. Nota: 1 Knot = 1.852 Km/h.

Figura A2: Frecuencias de Vientos por Velocidad; Izquierda: Periodo 1 al 8 Julio 2015; Derecha: 13 Mayo al 8 Julio 2015.