Modelamiento térmico de un panel fotovoltaico con disipador de calor operando en el Norte de Chile

Abstract

El desarrollo de la conversión de energía desde fuentes renovables no convencionales forma parte fundamental de la investigación y desarrollo de nuestro presente. Una de las tecnologías más utilizadas es la solar fotovoltaica, cuyo objetivo es convertir directamente la energía solar proveniente del sol en energía eléctrica para ser utilizada por sus consumidores. La utilización de módulos fotovoltaicos (PV) para la conversión de energía solar ha sido un gran avance de la ingeniería moderna, pero aún posee importantes puntos pendientes en su desarrollo. La dependencia del rendimiento con la temperatura de la celda, convierte a este parámetro en uno de los más relevantes a la hora de diseñar mejoras en el desempeño de un panel fotovoltaico operando en condiciones reales. Mientras mayor sea la temperatura que alcance el panel, menor será su rendimiento eléctrico final, por lo que es de gran interés poder controlar el desempeño frente a condiciones externas mediante algún tipo de disipador de calor. El estudio presentado tiene por objetivo general presentar un estudio acerca de la temperatura al interior de un panel fotovoltaico con disipador de calor mediante análisis teórico y simulaciones computacionales para un módulo sometido a condiciones atmosféricas reales del norte de nuestro país. El objetivo principal es analizar la distribución de temperatura en el módulo fotovoltaico y la influencia de la presencia del dispositivo disipador de calor en el aumento de la eficiencia del panel fotovoltaico, mediante la caracterización de la resistencia térmica que posee el conjunto panel-disipador. Para conseguir el objetivo planteado, se realiza un análisis teórico de la temperatura en el interior del panel fotovoltaico mediante un balance energético (definición de la temperatura de celda en función de la radiación incidente, pérdidas por radiación y convección al ambiente, y pérdidas por disipación de calor y por generación de energía) para un modelo simplificado. A continuación se realizan simulaciones computacionales mediante software especializado en análisis por elementos y volúmenes finitos (ANSYS Mechanical) para poder realizar un análisis térmico en tres dimensiones. Luego de obtener resultados numéricos que permitan caracterizar la temperatura al interior del panel se procede a optimizar el diseño del disipador de calor mediante simulaciones con diseño paramétrico (ANSYS APDL) para poder caracterizar la influencia de la geometría del disipador en la resistencia térmica. Finalmente, se realiza un análisis cuantitativo del incremento en la eficiencia del panel en base a los resultados obtenidos por las distintas simulaciones. La memoria se desarrolla en el contexto del proyecto FONDECYT N° 11110235 Charge carrier flow hydrodynamics in PN junctions with applications to photovoltaic solar cells junto con el trabajo de otros memoristas y tesistas.