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Apr 06, 2024

Derramando nieve y encendiéndose: los investigadores rastrean formas de aumentar la energía solar en climas nevados

La vida en la península de Keweenaw ofrece una ventana climática corta para las actividades de verano, pero opciones de energía solar durante todo el año, escribe la investigadora Ana Dyreson, profesora asistente de ingeniería mecánica.

La vida en la península de Keweenaw ofrece una ventana climática corta para las actividades de verano, pero opciones de energía solar durante todo el año, escribe la investigadora Ana Dyreson, profesora asistente de ingeniería mecánica. En este blog invitado, destaca los esfuerzos que se están llevando a cabo en el centro de pruebas regional más al norte del país para mejorar el rendimiento fotovoltaico en climas fríos.

Cualquiera que haya pasado un invierno en Michigan Tech puede identificarse con las observaciones del Dr. Isaacs. Sólo aquellos que pueden navegar una temporada de nieve que dura de octubre a mayo pueden prosperar aquí, ya sea con esquís, raquetas de nieve, motos de nieve o sus propias intrépidas habilidades de conducción. Para cada desafío, aquellos que sean lo suficientemente resistentes y emprendedores como para intentarlo pueden encontrar una solución.

Lo mismo se aplica a la creación de sistemas de energía eléctrica resilientes y adaptables en climas fríos. Tecnologías como los paneles solares fotovoltaicos, que proliferaron por primera vez en climas soleados, se están volviendo más comunes en climas nevados. Si los ingenieros pueden adaptar los diseños de los sistemas, la energía solar se puede optimizar para nuestro clima. Las lecciones que aprendemos aquí con nieve extrema son útiles para otros lugares donde nieva regularmente.

Si bien algunos tienden a pensar en la energía solar en una escala más pequeña (para hogares o entidades individuales), alrededor del 65% de la capacidad solar en los EE. UU. es de escala de servicios públicos. La energía solar fotovoltaica (PV) constituye la categoría de tecnología más grande en nuevas instalaciones a escala de servicios públicos en los EE. UU., y se espera que el crecimiento de este sector solo se acelere en las próximas décadas.

Las instalaciones fotovoltaicas a gran escala y otras macrotendencias como la descarbonización y la electrificación son tendencias globales. Sin embargo, creo que su éxito depende de si los diseñadores consideran las características específicas de los climas regionales y las barreras sociales a escala comunitaria.

Diseñar sistemas fotovoltaicos para latitudes frías, altas y climas nevados, especialmente para reducir la cantidad de tiempo que los sistemas fotovoltaicos están cubiertos de nieve, es un desafío regional importante. Mi investigación se centra en cómo mejorar el rendimiento en invierno y comprender el impacto de las altas penetraciones de la energía solar fotovoltaica en el sistema eléctrico.

Como profesor asistente de ingeniería mecánica en Michigan Tech, dirijo el Great Lakes Energy Group. El trabajo del miembro del grupo Ayush Chutani, Ph.D. estudiante, es ilustrativo de nuestra misión. La investigación de Chutani se centra en el sombreado de la nieve, que describe la condición que se produce cuando la nieve sobre los paneles es lo suficientemente profunda como para impedir que la energía solar fotovoltaica genere electricidad. Su objetivo es optimizar el diseño de sistemas solares fotovoltaicos de seguimiento de un solo eje para minimizar la sombra de la nieve, aumentando la cantidad de energía que un sistema fotovoltaico puede producir durante el transcurso de un invierno.

En las grandes instalaciones solares, los paneles solares tienen inclinación fija, lo que significa que no se mueven en absoluto, seguimiento de un solo eje o seguimiento de dos ejes. Los sistemas de seguimiento de un solo eje, actualmente la opción más común para nuevas instalaciones, giran automáticamente a lo largo del día de este a oeste, siguiendo la dirección del sol. Los sistemas de seguimiento de doble eje pueden moverse tanto en el eje norte-sur como en el eje este-oeste, ofreciendo una mayor producción de energía a un mayor costo.

No importa el tipo de seguimiento, cuando la nieve cubre una gran planta de energía solar, no es tan práctico ni tan fácil quitarla como puede serlo en un sistema residencial pequeño. Nuestro grupo de investigación ve una oportunidad para reducir la sombra de la nieve en los sistemas de seguimiento de un solo eje cambiando la posición de los paneles, optimizando el seguimiento para eliminar la acumulación de nieve. Estamos observando la capa de nieve y las condiciones ambientales en tiempo real mientras los paneles realizan un seguimiento. ¿Cómo el posicionamiento favorece la caída de la nieve derretida de los paneles? ¿Cómo podemos optimizar la posición de la caída de nieve teniendo en cuenta la velocidad del viento, la irradiancia y la temperatura?

Mire a Dyreson y a dos de sus estudiantes de investigación compartir sus hallazgos y responder preguntas de la audiencia en un seminario web en video de Husky Bites 2023.

La investigación de Chutani es posible gracias a una generosa donación de Array Technologies. A finales de 2022, la empresa instaló un sistema solar fotovoltaico de seguimiento de un solo eje conectado a la red, de 10 filas y 33 kilovatios en el Centro de Pruebas Regionales Solares de Michigan (RTC), una instalación designada por el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), que está con sede en los laboratorios de sistemas de energía avanzados de Michigan Tech. Es uno de los cinco RTC (y el más septentrional) gestionados por el Laboratorio Nacional Sandia. El trabajo de Chutani también cuenta con financiación de Sandia a través de la oficina de Tecnologías de Energía Solar del DOE.

El sistema que instaló Array Technologies duplicó aproximadamente la huella del centro de tecnología de investigación con sede en Keweenaw, proporcionando una base para estudios observacionales dirigidos por Michigan Tech y los equipos de investigación de la compañía mientras buscamos formas de mejorar el funcionamiento del sistema en climas fríos y nevados.

Chutani espera desarrollar nuevos algoritmos utilizando un sistema de sensores de nieve que instaló el invierno pasado. Los sensores se utilizarán para nuevos controles inteligentes en los sistemas de seguimiento de un solo eje para ajustar su posición antes, durante o después de la nieve observada.

Basándonos en nuestro primer invierno, podemos ver anecdóticamente que la posición de los paneles no es la única variable que importa: la velocidad y dirección del viento, así como la temperatura, interactúan con la nieve y el sol para afectar el momento en que cae la nieve. Si Chutani tiene éxito, se puede aumentar la producción de energía eléctrica y, en el peor de los casos, se puede reducir la carga de nieve que limita el diseño mecánico de las estructuras de soporte.

[email protected] 906-487-1173

Perfil del Investigador

Mejorar el funcionamiento de los sistemas fotovoltaicos en climas fríos mejora la rentabilidad y, en última instancia, aborda uno de los mayores desafíos en materia de cambio climático y sostenibilidad: reducir la intensidad de carbono del suministro de electricidad. La mentalidad resistente y emprendedora que aplicamos a las soluciones, así como a la vida en Keweenaw, nos resulta útil cuando asumimos esta tarea.

El Great Lakes Energy Group continúa trabajando en numerosos proyectos que enfatizan la incorporación de consideraciones regionales. Dado el aumento de las inversiones mundiales y nacionales en energía limpia, la importancia de incluir el clima regional en los diseños de sistemas es primordial. Ya sea energía solar fotovoltaica, plantas de energía heredadas de gas natural, bombas de calor o infraestructura de carga de vehículos eléctricos, nuestra estrategia implica utilizar los mejores datos meteorológicos y climáticos disponibles junto con el contexto local para buscar soluciones sostenibles que sean social y técnicamente adecuadas para los climas del norte.

La Universidad Tecnológica de Michigan es una universidad pública de investigación fundada en 1885 en Houghton, Michigan, y alberga a más de 7.000 estudiantes de 55 países de todo el mundo. Clasificada constantemente entre las mejores universidades del país en términos de retorno de la inversión, la principal universidad tecnológica de Michigan ofrece más de 120 programas de pregrado y posgrado en ciencia y tecnología, ingeniería, informática, silvicultura, negocios y economía, profesiones de la salud, humanidades, matemáticas, ciencias sociales. las ciencias y las artes. El campus rural está situado a pocos kilómetros del Lago Superior en la Península Superior de Michigan y ofrece oportunidades durante todo el año para vivir aventuras al aire libre.