Come mitigare lo sporcamento di specchi e pannelli solari

I test di ENEA sui rivestimenti autopulenti per mitigare lo sporcamento degli specchi solari a concentrazione sono a buon punto. Alcune soluzioni potrebbero valere anche per il fotovoltaico.

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Sabbia, polvere, pollini, smog e altre particelle, provenienti sia da luoghi vicini che lontani, come il Sahara, possono incidere negativamente sulla produzione di energia elettrica, come capita per i grandi impianti solari a concentrazione situati in aree desertiche e semi-aride.

Il fenomeno è duplice. Si manifesta sia sotto forma di una riduzione dell’irraggiamento solare a causa delle particelle sospese nel cielo, che fanno da schermo alla luce del Sole (La sabbia del Sahara e il suo impatto sul fotovoltaico europeo), sia sotto forma di sporcamento diretto dei componenti, per esempio gli specchi solari a concentrazione o i moduli fotovoltaici, una volta che queste polveri scendono dalle quote più alte a livello terra, trasportate dalla pioggia.

Sono in corso sperimentazioni che potrebbero contribuire a risolvere a costi contenuti il problema del calo di producibilità dell’elettrica solare legato allo sporcamento dei componenti degli impianti, in funzione della specificità del componente e del tipo di sporcamento.

Nel caso degli specchi riflettenti degli impianti solari a concentrazione, la cui manutenzione con lavaggi periodici è una voce di costo da ridurre per rendere competitiva la tecnologia, la ricerca sta avanzando con numerosi brevetti.

Nel caso dei moduli fotovoltaici, il problema della loro pulizia è finora stato meno rilevante specialmente per gli impianti di piccola taglia situati alle nostre latitudini, ma potrebbe assumere maggiore importanza in futuro. Ne abbiamo parlato con due ricercatrici dell’Enea.

Fenomenologia dello sporcamento

Lo sporcamento è un fenomeno complesso che dipende da fattori antropici e climatici e, pertanto, è fortemente legato al sito geografico e al tipo di sporco.

Può essere dovuto alla sabbia del deserto o semplicemente alle incrostazioni organiche causate dai volatili, ha detto a QualEnergia.it Anna Castaldo, ricercatrice dell’ente.

Lo sporcamento degli specchi causato dalla sabbia avviene perché la pioggia sabbiosa, quando tocca il pannello ricoperto da un antiriflesso, invece di scivolare a terra, tende per le stesse caratteristiche chimico-fisiche della sabbia e del vetro antiriflesso ad “aderire” all’ultimo strato del pannello esposto.

Quando poi l’acqua piovana evapora, lascia sul modulo una patina di polvere o sabbia che compromette l’efficacia dello strato antiriflesso, oltre ad assorbire la componente di luce necessaria al funzionamento del pannello fotovoltaico.

Sul vetro tende poi a formarsi sempre dell’umidità, cioè della condensa, che continua con ciclo giornaliero a “legare” la polvere al pannello, anche quando l’acqua piovana caduta è ormai evaporata, formando incrostazioni.

C’è sporco e sporco

L’effetto dello sporco sulla trasmittanza diffusa è differente dall’effetto sulla riflettanza speculare. Prendiamo, per esempio, due cose che tutti consociamo: i vetri delle finestre e gli specchi di casa, e immaginiamo di sporcarli entrambi con le mani unte di olio.

Dal vetro della finestra sporca la luce visibile passa lo stesso; quindi, la proprietà di trasparenza alla luce è salvaguardata. Se, invece, provo a specchiarmi in uno specchio unto la mia immagine non sarà riflessa. Cosa succede se al posto di un olio si mette un materiale opaco, come la carta? La luce visibile non passa più, o ne passa di meno, e quindi la funzione della finestra trasparente è compromessa, così come quella riflettente dello specchio.

Questo è quanto accaduto di recente con gli eventi di scirocco che hanno sporcato i moduli FV anche in zone non desertiche a causa di piogge di polvere sahariana. Poiché è poco probabile che si riesca a evitare il minore irraggiamento impedendo al vento di portare sabbia dall’Africa, più facile è cercare di mitigare la fase successiva, ossia lo sporcamento.

Mitigazione dello sporcamento

La mitigazione dello sporcamento su componenti quali specchi solari, pannelli fotovoltaici o tubi ricevitori degli impianti termodinamici, è legata alla variabili accennate: funzione del componente, proprietà chimico-fisiche dei materiali superficiali e tipo di sporco che vi si deposita.

Per intenderci, un conto è la sabbia del deserto, un altro sono i pollini veicolati dal particolato atmosferico delle aree urbane. Un conto è lo sporcamento di uno specchio solare che deve riflettere tutta la radiazione solare, altro è un pannello FV che deve assorbire la luce di un ristretto intervallo di lunghezze d’onda, ci ha detto la ricercatrice.

Il cosa e il dove legati allo sporcamento definiscono le coordinate del problema e forniscono allo stesso tempo gli indizi per una sua soluzione.

Nel caso dei moduli FV, il problema dello sporcamento non è stato mai affrontato in modo sistematico in quanto anche i pannelli sporchi sono in grado di produrre elettricità, poiché funzionano con una porzione di spettro solare che riesce ad attraversare alcuni tipi di sporco.

Diverso è il discorso per gli specchi degli impianti a concentrazione, che vengono usualmente lavati talvolta con cadenza bisettimanale, con un dispendio economico sul quale la ricerca ha provato ad intervenire con diverse soluzioni.

Per gli specchi degli impianti a concentrazione la strategia di mitigazione individuata da Enea consiste nell’aggiunta di rivestimenti autopulenti, in grado di ridurre il consumo di acqua usata per lavarli e preservarne la riflettanza.

Prevenzione con rivestimenti idrofobici

Se il vetro avesse caratteristiche chimico-fisiche che invece di attrarre la sabbia la respingessero, come fanno le foglie, sarebbe possibile mitigare l’effetto dello sporcamento.

Finora la soluzione considerata per mitigare lo sporcamento nel fotovoltaico è stata mutuata dall’industria vetraria, dove sono commercializzati vetri fotocatalitici, dotati di un rivestimento in grado di degradare lo sporco organico, come pollini o sterco di uccelli.

Il problema è che la polvere sahariana è di matrice inorganica. Ecco perché, anche se i pannelli fossero fatti con vetri fotocatalitici, la sabbia resterebbe un problema.

L’Enea ha affrontato il problema dello sporcamento di specchi solari in aree desertiche e del loro lavaggio che richiede molta acqua. L’obiettivo è risparmiare acqua e ridurre i costi di generazione elettrica di questi impianti, dove la voce della pulizia del campo solare incide parecchio.

La soluzione migliore fin qui individuata consiste appunto nell’utilizzo di rivestimenti autopulenti di vario genere, applicabili sia nelle fasi produttive dello specchio che ex post. L’ente di ricerca ha brevettato uno di questi specifici rivestimenti idrofobici, studiandoli anche per l’impianto di tipo Solar Dish del suo centro ricerche Casaccia (un dettaglio è nella parte destra della foto in alto).

L’esperienza sulla modulazione della bagnabilità dei materiali di rivestimento e sulla salvaguardia delle proprietà ottiche degli specchi solari ha consentito ad Enea di ipotizzare qualche soluzione adatta anche ai moduli fotovoltaici.

Soluzioni da sperimentare sul fotovoltaico

“Abbiamo rivestimenti progettati per diversi tipi di sporcamento e architetture specchianti. Alcuni dei rivestimenti potrebbero essere sperimentati anche sui moduli fotovoltaici esposti alla sabbia sahariana”, ha detto Michela Lanchi, responsabile del Laboratorio Energia e Accumulo Termico, della Divisione Smart Sector Integration e generazione distribuita da rinnovabili di Enea.

“Il requisito di trasparenza nell’intero intervallo della radiazione elettromagnetica proveniente dal Sole richiesto agli specchi solari è più stringente che non per i pannelli fotovoltaici. Nella famiglia di materiali studiati si potrebbe scegliere quello più idoneo a salvaguardare le performance del pannello”, ha detto Lanchi, secondo cui sarebbe utile “una più puntuale osservazione degli effetti dello sporcamento sui pannelli FV alle nostre latitudini, per valutare la convenienza di un intervento”.

La soluzione brevettata da Enea, visto che contribuisce all’isolamento del materiale superficiale dagli agenti esterni, potrebbe rafforzare la impermeabilità del modulo, secondo Castaldo.

Per un retrofit semplice e di lunga durata

Una caratteristica positiva dei rivestimenti brevettati per gli specchi solari è che potrebbero essere testati anche nei campi fotovoltaici già esistenti. In Enea, per esempio, si sta sperimentando l’applicazione di questi rivestimenti autopulenti con soluzioni spray.

“Non vogliamo inventarci un nuovo processo che richieda a un operatore di dover rifare tutto oppure a un’azienda produttrice di dover modificare completamente la linea di produzione. Vorremmo consentire un intervento finale di upgrade del sistema, sostituendo l’ultimo strato esposto alle intemperie con uno lavabile con una quantità minore di acqua”, ha aggiunto Lanchi.

La durata del rivestimento, “dipenderà dal tipo di componente e dal sito geografico di esposizione, attestandosi per il rivestimento autopulente brevettato da Enea su una durata di almeno 10 anni”, ha detto Castaldo.

A quando l’arrivo sul mercato e a quali costi?

Per quanto riguarda i tempi di commercializzazione della soluzione brevettata per gli specchi solari, Enea ha già validato il materiale e il processo di deposizione su specchi e superfici di dimensioni reali.

“In questa fase stiamo prendendo contatti con le aziende del settore per verificare il loro eventuale interesse a poter successivamente avviare la produzione”, ha precisato la responsabile del progetto.

Per quanto riguarda i costi, questi dipenderanno dal tipo di materiale, dalla tecnica per la sua deposizione e dalla possibilità di integrare l’applicazione dello strato autopulente in linee produttive già esistenti, ha detto Castaldo.

La soluzione brevettata “a seconda dal prezzo della manodopera, ha un costo al mq del rivestimento autopulente tra i 20 e i 30 euro, che è di almeno un ordine di grandezza inferiore rispetto ai più sofisticati prodotti emersi dalla ricerca, che peraltro non hanno ancora raggiunto il mercato. Inoltre, nel calcolo sono stati adoperati i prezzi praticati al consumatore e quindi i costi potrebbero risultare più bassi”, ha dichiarato Castaldo.

Nell’ipotesi di proporre una delle soluzioni di Enea al settore fotovoltaico occorrerebbe una chiara valutazione dei costi di partenza legati alla manutenzione degli impianti, in modo da mirare a una soluzione per un concreto beneficio in termini economici, ha aggiunto la ricercatrice.

Sensori integrati su specchi e moduli

Un’altra via che il gruppo di ricerca coordinato da Michela Lanchi persegue a livello di ricerca di base è quella di integrare nei rivestimenti autopulenti per specchi solari degli elementi capaci di autodiagnosticare il livello di sporcamento e di razionalizzare gli interventi di manutenzione.

Per arrivare alla digitalizzazione dei campi solari occorre rendere “intelligenti” gli specchi, con sensori alimentabili da piccole correnti elettriche, definiti “specchi parlanti” dalla ricercatrice.

“Questa potrebbe essere una buona soluzione anche per i moduli fotovoltaici, vista la possibilità intrinseca al sistema di alimentare un circuito di base. Ci avviamo insomma verso soluzione on demand degli interventi di manutenzione e mitigazione dello sporcamento, in un settore dove essa non è intrinsecamente richiesta né finora contemplata, ma che nel prossimo futuro potrebbe assumere sempre maggiore rilievo”, ha concluso Anna Castaldo.

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