Modelamiento térmico unidimensional y transiente de una celda fotovoltaica bifacial

Abstract

Con el aumento de la demanda energética a nivel mundial y la necesidad de disminuir los efectos del calentamiento global, el ser humano se ha visto en la obligación de desarrollar las energías renovables. Entre ellas, la más utilizada es la fotovoltaica, que transforma la radiación solar en energía eléctrica. Una tecnología relativamente nueva es la de paneles fotovoltaicos bifaciales, cuya capacidad de generar energía es mayor debido a sus dos caras receptoras. Dado que la temperatura de operación define de forma importante la eficiencia obtenida, se hace necesario desarrollar un modelo que prediga su comportamiento térmico transiente en función de diferentes condiciones de operación y así optimizar su desempeño, el cual no existe en estos momentos. El objetivo de este trabajo es elaborar un modelo unidimensional para determinar el comportamiento de la temperatura de una celda bifacial y a su vez, analizar la mejora del rendimiento a través de un sistema de refrigeración por ventilación, sin considerar los efectos en y de las otras dimensiones. Para esto fue necesario plantear el sistema de ecuaciones de transferencia de calor que rigen el problema. Entre las consideraciones se incluye la convección, tanto natural como forzada; la conducción transiente; la radiación, tanto la absorción solar como la emisividad hacia el espacio; y las pérdidas de generación. Para resolver esto se elige como método de diferencias finitas el de Crank-Nicolson en el espacio, el que es implementado en el software Matlab. Se determinan las variables de entrada al modelo, las cuales son:radiación solar (global, difusa y directa),temperatura ambiente, velocidad del viento, ángulo de inclinación del panel, ángulo de elevación del sol y humedad relativa. En otro aspecto se consideran las variables propias del panel solar, que afectan directamente en la generación, como sus corrientes y voltajes característicos, además de los coeficientes de temperatura, para así simular las pérdidas propias del aumento de temperatura en la celda. Finalmente el modelo térmico transiente entrega temperatura a lo largo del panel junto con la corriente y potencia que produce para diferentes tiempos de operación El modelo fue validado con datos de un panel solar convencional en funcionamiento, donde presentó un error cercano a lo reportado en la literatura. Se calcula el comportamiento de la refrigeración para un panel bifacial con diferentes ángulos y velocidades de ventilación, además de analizar la incidencia de la velocidad de entrada a los ventiladores en la potencia requerida por éstos. Se concluye que mientras la velocidad de ventilación es mayor a la del caso sin ventilación, la refrigeración aporta al aumento en la generación de potencia. A su vez, se corroboró que si se aumenta la velocidad del viento, mayor es la disipación de calor, obteniéndose temperaturas de celda más bajas. Por otra parte, a pesar de que se gana más potencia refrigerando ambas caras del panel, la diferencia es pequeña comparada al aumento en la potencia requerida para el sistema de ventilación. Finalmente, el viento de entrada al ventilador afecta de manera imperceptible en los resultados del balance de potencia, pero puede ser un factor a considerarse en caso querer optimizar una instalación.