PCM para aplicaciones fotovoltaicas
Las tecnologías fotovoltaicas representan una gran fuente de suministro energético sin efectos negativo en el planeta, siendo parte fundamental en la producción de electricidad. En este Blog se describe el uso de los materiales de cambio de fase o (Phase Change Materials, PCM) para un mejor funcionamiento de un panel fotovoltaico.
En un funcionamiento óptimo, respectivamente en STC, G=1000 W/m2, la temperatura de funcionamiento 25°C y AM = 1.5, la eficiencia de los paneles fotovoltaicos se mantiene cerca del funcionamiento óptimo, pero bajo diferentes y reales condiciones a temperaturas y niveles aumentados de radiación, la potencia real del panel fotovoltaico disminuye considerablemente de las condiciones nominales de funcionamiento que afectan la eficiencia eléctrica del panel fotovoltaico.
Para mantener la temperatura de las células fotovoltaicas cerca de la temperatura de referencia, se pueden combinar dos sistemas híbridos respectivamente PV/PCM para eliminar el calor excesivo detrás del panel fotovoltaico cambiando las fases. La siguiente información presenta los métodos de evaluación de las contribuciones de los materiales de cambio de fase en el funcionamiento de un panel fotovoltaico, destacando una metodología útil que describe el comportamiento y la interacción entre los dos sistemas PV/PCM. Las principales ventajas son la estabilidad térmica a largo plazo, en particular la prevención del aumento repentino de la temperatura, el bajo costo de producción, el bajo impacto en el medio ambiente y la alta eficiencia en los paneles fotovoltaicos mediante el uso de un sistema mixto PV/PCM.
En el contexto de las energías renovables, la energía solar se ha dedicado a mejorar las tecnologías fotovoltaicas y utilizar un sistema enfocado al rendimiento energético, basado en la energía solar. Actualmente, las soluciones de sistemas fotovoltaicos tienen una eficiencia relativamente baja con condiciones específicas limitadas.
En general, la eficiencia del módulo es baja a altas temperaturas. Se realizan muchos estudios para resolver este problema fundamental, y según estos estudios se demuestra que la eficiencia aumenta por la absorción de calor detrás de los paneles fotovoltaicos. Para crear esto, como usar aire o fluido para crear una convección forzada, abriendo entradas alternas entre las áreas frías y calientes del panel, proporcionando aire fresco al nivel óptimo. De esta manera, se puede lograr el aumento tanto de la producción de energía anual como de la vida útil del módulo. De lo contrario, el efecto por aumento de temperatura tiene un efecto negativo importante para obtener una mayor potencia y eficiencia en las aplicaciones de los edificios.
La temperatura de la celda aumenta con el aumento de la radiación solar, por lo que la eficiencia eléctrica del panel se ve significativamente afectada por la temperatura de la celda, y el aumento de la temperatura reduce considerablemente la eficiencia del panel.
La temperatura de las células en la estructura de un panel fotovoltaico es un parámetro importante en términos del rendimiento a largo plazo de un sistema fotovoltaico y en términos de generación de electricidad, por lo que la temperatura de las células depende de varios parámetros, como las propiedades térmicas de los materiales utilizados en el encapsulado y la configuración de los módulos fotovoltaicos, tipo de celda, modo de ubicación, condiciones climáticas específicas, temperatura ambiente, velocidad del viento, radiación solar del lugar, por lo que la eficiencia de un módulo fotovoltaico depende de la temperatura de funcionamiento de las celdas.
En las diversas definiciones, la siguiente correlación es la más utilizada para evaluar la eficiencia de electricidad fotovoltaica en función de la temperatura de la celda.
Donde, nPV es la eficiencia PV,
nref es la eficiencia de referencia, TPV
es la temperatura PV,
Tref es la temperatura PV de referencia.
UTILIZAR UN SISTEMA PV/PCM
Para reducir la temperatura y mantener la temperatura de la celda fotovoltaica cerca de la temperatura de referencia, es posible combinar: sistemas híbridos fotovoltaicos/térmicos (convección natural o forzada con ambiente líquido / gas), tuberías de calefacción y materiales de cambio de fase PCM. A mayor radiación solar, los sistemas PVP/térmicos (PV/T) pueden proporcionar generación de electricidad y calor útil. Los PCM pueden ser una solución simple para eliminar el calor excesivo cambiando las fases. La principal ventaja del control térmico incorporado por el PCM es que no hay componentes adicionales, como tuberías, bombas o ventiladores, y no se requiere mantenimiento si el PCM seleccionado tiene estabilidad térmica a largo plazo.
Los materiales de cambio de fase se pueden definir como materiales que pueden almacenar y liberar grandes cantidades de energía en forma de calor. Aunque se pueden realizar cambios de fase entre las tres fases de las sustancias (gaseosa, líquida o sólida), la condición más viable comercialmente es la del estado líquido y el estado sólido. Esta transformación, del estado sólido al estado líquido, se conoce como ciclo de fusión-solidificación, a un cierto rango de temperatura de una aplicación térmica seleccionada.
La energía resultante del cambio de fase o del ciclo de solidificación por fusión se absorbe o libera como calor latente de fusión. El fluido térmico se absorbe en el material sin aumentar la temperatura. Cuando un material PCM está en fase sólida, absorberá calor a medida que aumenta la temperatura exterior o ambiente.
La temperatura del PCM reflejará la temperatura exterior hasta que se alcance el punto de fusión del PCM. Cuando la temperatura exterior alcanza el punto de fusión del material de cambio de fase comienza a derretirse, cambiando de fase, de sólido a líquido. Durante el proceso de cambio de fase, el material PCM absorberá grandes cantidades de calor sin casi ningún cambio de temperatura. Cuando un material PCM alcanza el punto de fusión, mantiene una temperatura constante hasta que todo se derrita. Durante este tiempo, el PCM ofrece un efecto de enfriamiento.
En el caso (PV/PCM) es una de las soluciones más prácticas para la gestión térmica de los paneles debido a que el material de cambio de fase no requiere gran espacio en la parte posterior de los paneles. El primer sistema PV/PCM fue propuesto en 1983 por Ames (1983). Casi 20 años después de esta invención pionera, la investigación sobre sistemas PV/PCM aún se encuentra en la fase de investigación y no existen métodos claros de implementación. En la siguiente imagen se muestra un diagrama sencillo de la unidad fotovoltaica incorporada en el PCM.
Un material de cambio de fase con un grosor de se encuentra en la parte posterior del panel. Durante el día, parte de la radiación solar se transforma en electricidad y la energía restante se transforma en calor. Durante los días soleados, se almacena una cantidad considerable de calor en las capas del panel y la temperatura de las células fotovoltaicas aumenta enormemente, por lo que el principio de implementación del PCM es almacenar el exceso de calor durante el día derritiendo el PCM y el almacenamiento la energía se libera durante las noches solidificando el PCM.
La característica cíclica del PV/PCM debe considerarse en detalle para descubrir el rendimiento del sistema con precisión. La fusión o solidificación parcial del PCM puede implicar costos de inversión debido al exceso de PCM. En la literatura, hay pocos trabajos numéricos y experimentales en unidades PV/PCM que hayan investigado modelos alternativos para mejorar el rendimiento del sistema.
Hendricks y Van Sark (2011) desarrollaron un modelo unidimensional explícito para simular la conductividad térmica transitoria dentro del sistema PV/PCM. Se realizaron dos conjuntos de análisis: carga constante y carga transitoria. Los resultados para el estado estable de la carga solar se muestran en la siguiente imagen. Aquí se usa RT-27 (temperatura de fusión de 27 ° C) como PCM. Para un PV sin material de cambio de fase, la temperatura de la celda estacionaria puede alcanzar 82 °C y 71 °C por debajo de 1000 W/m2 y 750 W/m2 respectivamente. La implementación de PCM en la parte posterior de la fotovoltaica evita el aumento repentino de la temperatura.
Para la configuración que incluye PCM, el cambio en la temperatura de la celda a lo largo del tiempo tiene tres etapas: el calentamiento sensible del PCM sólido, el cambio de fase y el calentamiento sensible del PCM líquido. En la primera etapa de calentamiento, las curvas se superponen para PV/PCM. Cuando la temperatura del sistema alcanza el punto de fusión del PCM, el exceso de calor se almacena en el PCM y la temperatura de la PV permanece constante. Para G = 750 W/m2, se necesitan más de 2500 segundos para obtener la fusión completa de PCM. Más allá de este punto, la temperatura fotovoltaica aumenta gradualmente y alcanza la temperatura en estado estable.
Para una radiación superior a G = 1000 W/m2, el tiempo de fusión completo es inferior a 2000 s. Los PCM puede mantener la temperatura fotovoltaica cercana a la temperatura de referencia de un panel fotovoltaico durante períodos de tiempo más largos. El rendimiento del almacenamiento de calor PV/PCM debe mejorarse, mejorando la transferencia de calor dentro de la cavidad del PCM para que los modelos PV/PCM sean más factibles.
[4] Fleischer, A. S. (2015). Thermal Energy Storage Using Phase Change Materials Fundamentals and Applications. Villanova University, Villanova, PA, USA: Springer.
