Sistema totalmente fotovoltaico para producir agua, electricidad y cultivos

Investigadores de la Universidad Rey Abdullah de Ciencia y Tecnología (KAUST) de Arabia Saudí han desarrollado un sistema integrado de producción de agua, electricidad y cultivos alimentado por energía solar, capaz de producir agua a partir del vapor de agua atmosférico.

“Nuestro sistema es especialmente adecuado para las comunidades sin red en cualquier lugar, ya que proporciona una manera fácil de obtener electricidad, agua y productos de cultivo para el punto de consumo”, dijo el autor correspondiente de la investigación, Peng Wang, a pv magazine.

Denominado WEC2P, el sistema se basa en un sistema fotovoltaico para generar energía y en un material de captación de agua atmosférica (AWH) para producir vapor de agua del aire. El agua dulce producida por el dispositivo AWH se utiliza para cultivar o para reducir la temperatura de funcionamiento de los módulos solares. El sistema funciona en dos modos de operación, que los científicos denominaron modo de refrigeración AWH-PV y modo de producción de agua y cultivos AWH.

El dispositivo de refrigeración consta de una película anticorrosiva de polietileno (PE) de unos 0,04 mm de grosor, sorbentes de vapor de agua atmosférico a base de polímeros y un hidrogel de poliacrilamida y cloruro de calcio (PAM-CaCl2). “El hidrogel PAM-CaCl2, tal como se obtuvo, se adhirió directamente a la parte posterior de cada célula fotovoltaica de los paneles fotovoltaicos gracias a sus propiedades de autoadhesión”, explicó el grupo saudí. “Se instaló un marco en forma de placa de poli (metilmetacrilato) (PMMA) mediante pernos de resorte para reforzar la adhesión del hidrogel PAM-CaCl2 con el panel fotovoltaico y asegurar su estrecho contacto”.

El exceso de calor extraído durante las operaciones de refrigeración se utiliza para impulsar la evaporación del agua de los sorbentes a base de polímeros durante el día. Este vapor de agua evaporado se recoge durante el día en una cámara de condensación que se utiliza como condensador pasivo.

Montaje experimental del sistema integrado de coproducción agua-electricidad-cultivo

La superficie de la cámara de condensación, hecha de una aleación de aluminio con una boquilla de cobre en la pared lateral inferior, es 1,6 veces mayor que la de los cuatro paneles fotovoltaicos orientados al sur que se colocaron con un ángulo de inclinación de 22 grados. Se utilizó una mecha de algodón que pasaba por la boquilla para ayudar a la extracción del agua condensada en una botella de recogida de agua. “Cada panel fotovoltaico se consideró como un módulo independiente y se conectó con un sistema MPPT y una batería de plomo de 12 V”, destacaron los científicos. “Además, cada módulo se conectó con un total de tiras de luz de diodos emisores de luz (LED) de 20 W como carga para descargar la batería por la noche cuando el panel fotovoltaico no estaba en funcionamiento”.

El rendimiento de este diseño de sistema, tanto con el sistema de refrigeración como sin él, se analizó en una instalación de pruebas al aire libre destinada al cultivo de espinacas situada en Thuwal, Arabia Saudí, durante un periodo de 3 meses en el verano pasado.

Se comprobó que la configuración del sistema propuesto permitía un aumento del 9,9% en la generación de energía gracias a la reducción de la temperatura de funcionamiento del módulo solar en hasta 17 grados centígrados. La pequeña unidad de cultivo de espinacas registró una tasa de supervivencia de la cosecha del 95%.

Los investigadores no han estimado hasta ahora los costes de los sistemas. “El rendimiento está lejos de ser optimizado y, por tanto, no sería posible estimar razonablemente el coste global del sistema cuando se amplíe”, afirmó Wang.

El sistema se presentó en el artículo An integrated solar-driven system produces electricity with fresh water and crops in arid regions, publicado en Cell Reports Physical Science.