Efecto de la interacción térmica en el rendimiento de un arreglo de paneles fotovoltaicos

Abstract

En los últimos años el sector eléctrico mundial experimentó el mayor crecimiento en la historia en términos de capacidad y uno de los principales actores en la generación de energía eléctrica a partir de una fuente renovable es el panel fotovoltaico, su irrupción en el mercado a generado que se destinen muchos recursos económicos al desarrollo de estos dispositivos con el fin de mejorar su rendimiento, gracias a esto y el desarrollo de nuevas tecnologías, la eficiencia de las celdas fotovoltaicas han avanzado desde los 3% hasta unos 22% pudiendo posicionarla en un mercado mucho más competitivo. Algunos estudios muestran que la influencia del viento puede reducir las temperaturas de operación de estos dispositivos, lo cual se traduce en un aumento en su eficiencia de conversión. Por esta razón el objetivo de esta memoria es elaborar una seria de simulaciones CFD, tanto en 2 como en 3 dimensiones que permitan recrear las temperaturas de cinco arreglos fotovoltaicos, teniendo cuidado en seleccionar las condiciones de borde necesarias para recrear los fenómenos físicos involucrados, para posteriormente utilizar la información y construir dos ajustes matemáticos que permitan predecir las temperaturas de los arreglos en función de la del primer grupo de paneles sin necesidad de volver a simular. Las simulaciones fueron realizadas para tres perfiles de velocidad de viento, los cuales fueron programados utilizando UDFs y cuatro ángulos de inclinación, los modelos CFD fueron validados en base a la bibliografía , específicamente en los coeficientes de sustentación y arrastre. Sumado a esto se evaluó la influencia del flujo de calor de un grupo de paneles con los arreglos colindantes, esta información fue comparada con el factor geométrico de inclinación para definir el peso de estas variables en las temperatura. Los resultados mostraron que el viento es capaz de enfriar los arreglos mejorando su rendimiento, pero específicamente la trasferencia de calor es mayor en el segundo arreglo fotovoltaico debido al aumento de la energía cinética turbulenta, esto generó que el número de Nusselt sea mayor en esta posición, también se logró demostrar que el factor de la inclinación y la separación de los paneles son los principales responsables en la temperaturas de los arreglos, debido a que el flujo de calor afecta solo en un 0,3 % a los paneles colindantes. Los ajustes matemáticos lograron recrear los fenómenos térmicos de saturación y las temperaturas simuladas, además de predecir las temperaturas que se obtendrían en los arreglos en función de cualquier temperatura del primer grupo de paneles fotovoltaicos. Se logró determinar que el ajuste polinóminco de orden dos permite predecir de mejor forma que el ajuste logarítmico las temperaturas y fenómenos de estancamiento térmico en ángulos de inclinación bajos, pero el ajuste logarítmico es más solido para obtener las temperaturas de un mayor número de arreglos cuando el ángulo de inclinación es mayor.