Investigadores del Instituto Indio de Tecnología de Bombay (IIT Bombay) investigaron cómo afecta la limpieza robótica a los recubrimientos antisuciedad utilizados en módulos solares y descubrieron que la presencia de polvo durante los ciclos de limpieza puede reducir significativamente la vida útil del recubrimiento.

“Mediante un banco de pruebas de limpieza acelerada que reproduce condiciones relevantes de campo, estudiamos los efectos del polvo durante la limpieza, el material del cepillo, la dirección de rotación del cepillo y la velocidad horizontal de limpieza sobre cuatro recubrimientos hidrofóbicos comerciales”, declaró a pv magazine la autora correspondiente, Sonali Bhaduri.

“Descubrimos que el polvo durante la limpieza era el factor de estrés más perjudicial, ya que reducía la vida útil del recubrimiento a aproximadamente 1/82 de la observada cuando se limpiaba sin polvo”, afirmó Bhaduri. “Entre los demás parámetros operativos, el uso de un material de cepillo más duro redujo la vida útil del recubrimiento aproximadamente a un tercio. Del mismo modo, hacer girar el cepillo en la dirección del desplazamiento redujo la vida útil del recubrimiento aproximadamente a un tercio en comparación con las otras configuraciones de rotación del cepillo. Reducir la velocidad de desplazamiento del cepillo de 0,4 m/s a 0,1 m/s también disminuyó la vida útil del recubrimiento aproximadamente a un tercio”.

Los científicos evaluaron cuatro recubrimientos hidrofóbicos antisuciedad comerciales, identificados como A, B, C y D. Los recubrimientos A, B y D estaban basados en fluoropolímeros, mientras que el recubrimiento C estaba basado en fenilsilicona. Ninguno presentaba propiedades antirreflectantes y su transmitancia inicial ponderada según el espectro solar era comparable a la del vidrio sin recubrimiento.

Los investigadores desarrollaron un banco de pruebas de abrasión en interiores para reproducir los principales factores de estrés que afectan a los módulos fotovoltaicos, entre ellos los ciclos térmicos, la formación de rocío, la deposición de polvo y la limpieza con cepillos. Simularon condiciones similares a las de campo enfriando las muestras a 21 C, aplicando una neblina de agua similar a la niebla, depositando polvo y calentándolas posteriormente hasta 65 C. Una carga de polvo de 0,2 mg/cm² representaba aproximadamente dos semanas de ensuciamiento natural en el IIT Bombay, con una uniformidad de deposición controlada.

El equipo utilizó tres protocolos de exposición para evaluar los efectos de diferentes combinaciones de factores de estrés: ciclos únicamente de limpieza, rocío-secado-limpieza y rocío-polvo-secado-limpieza. Parámetros idénticos del cepillo, principalmente con un cepillo rotatorio de Nylon 6,12, permitieron realizar comparaciones consistentes de la durabilidad de los recubrimientos sometidos a abrasión repetida.

Los investigadores evaluaron el desempeño de los recubrimientos midiendo los ángulos de contacto y de deslizamiento, la rugosidad superficial, la transmitancia promedio ponderada y las imágenes de fase mediante microscopía de fuerza atómica en modo tapping (TM-AFM). Análisis adicionales cuantificaron la cobertura superficial del recubrimiento, las propiedades del polvo, los daños en los cepillos y la eficacia de la limpieza. Definieron la falla del recubrimiento como una reducción del ángulo de contacto por debajo de los 90 grados.

El análisis mostró que el polvo era el principal factor de estrés en la degradación de los recubrimientos antisuciedad, seguido del rocío. Después de 120 ciclos de ensayo, todos los recubrimientos mostraron cambios significativos en el ángulo de deslizamiento, mientras que los recubrimientos A y C también experimentaron reducciones significativas de la transmitancia promedio ponderada. El recubrimiento C resultó especialmente vulnerable y fue eliminado por completo después de 120 ciclos, mientras que el propio cepillo de Nylon 6,12 sufrió daños químicos, mecánicos y morfológicos.

Los científicos señalaron que la rotación del cepillo influía considerablemente en la abrasión. Cuando el cepillo giraba hacia la dirección del desplazamiento, arrastraba las partículas de polvo sobre la superficie y provocaba rayaduras severas. Por consiguiente, los recubrimientos expuestos a esta configuración presentaron una vida útil más corta que aquellos sometidos a una rotación opuesta a la dirección del desplazamiento o a una rotación convencional en el sentido de las agujas del reloj. Después de 550 ciclos de abrasión, el desempeño antisuciedad disminuyó en todas las condiciones de rotación y el recubrimiento C fue eliminado por completo independientemente de la dirección de rotación.

La velocidad de limpieza también desempeñó un papel significativo. Reducir la velocidad horizontal del cepillo de 0,4 m/s a 0,1 m/s aumentó el contacto entre las cerdas y la superficie y aceleró la degradación del recubrimiento. A 0,1 m/s, 10 filas de mechones de cerdas entraban en contacto con el vidrio durante cada pasada, frente a cuatro filas a 0,4 m/s, lo que producía una mayor abrasión.

Después de 3.700 ciclos, el recubrimiento C había perdido alrededor del 50% de su cobertura superficial a ambas velocidades de limpieza, mientras que el cepillado más lento produjo una mayor reducción de la dureza de las cerdas. El material del cepillo también afectó a la durabilidad del recubrimiento, aunque los cuatro cepillos probados ofrecieron una eficacia de limpieza similar.

En conjunto, los resultados indican que la durabilidad de los recubrimientos depende en gran medida de los factores de estrés ambientales y de las condiciones de limpieza, y que el polvo, los cepillos más duros, la rotación hacia la dirección del desplazamiento y un movimiento más lento del cepillo provocan la degradación más severa.

A partir de los resultados, los investigadores propusieron varias medidas para minimizar el daño por abrasión durante la limpieza sin agua de los módulos fotovoltaicos. Recomendaron optimizar los intervalos de limpieza para evitar una acumulación excesiva de polvo, ya que mayores cantidades de polvo depositado pueden intensificar la abrasión durante la limpieza.

También recomendaron utilizar cepillos con cerdas más suaves que ejerzan una presión mínima sobre la superficie del módulo, como el cepillo de tela de microfibra probado en el estudio. Asimismo, desaconsejaron hacer girar los cepillos hacia la dirección del desplazamiento, ya que esta configuración aumenta las interacciones entre las partículas de polvo, las cerdas del cepillo y la superficie del módulo. Los investigadores también recomendaron evitar velocidades horizontales bajas del cepillo, dado que un movimiento más lento incrementa la interacción entre las cerdas y la superficie y acelera la degradación del recubrimiento.

La investigación fue presentada en “Factors Influencing the Abrasion Damage to Antisoiling Coatings on Photovoltaic Modules” (Factores que influyen en el daño por abrasión de los recubrimientos antisuciedad en módulos fotovoltaicos), publicado en Progress in Photovoltaics.

El mismo equipo de investigación estudió recientemente el impacto de la lluvia sobre los recubrimientos antisuciedad para paneles solares, y descubrió que la vida útil de los recubrimientos puede variar significativamente en función del clima local y de las condiciones de instalación.