Estudio de la influencia de la refrigeración con aire de forma natural e inducida en el comportamiento de instalaciones fotovoltaicas

Résumé

La investigación realizada tiene su origen en la necesidad e interés despierto por la empresa Apia XXI en colaborar con el Departamento de Ingeniería Térmica y de Fluidos de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de la Universidad Politécnica de Cartagena, sobre el desarrollo e investigación del comportamiento eléctrico de los paneles fotovoltaicos al alcanzar altas temperaturas, cuando se encuentran ubicados sobre diferentes cubiertas. Este trabajo de tesis se centra en caracterizar y analizar la influencia negativa de la temperatura en la producción eléctrica de paneles fotovoltaicos, y por ende, en su rendimiento, al estar emplazados sobre una cubierta de acero, como puede ser una nave industrial o sobre la de un invernadero, y además, ensayar diferentes posibles configuraciones que permitan refrigerar los paneles, reduciendo su temperatura y mejorar su rendimiento. Para abordar este problema, se han construido dos instalaciones experimentales a ensayar sobre la cubierta del Aulario General del Campus Alfonso XIII de la Universidad Politécnica de Cartagena, donde el Departamento de Ingeniería Térmica y Fluidos tiene algunas instalaciones docentes y de investigación relacionadas con energía solar. La primera instalación engloba dos paneles fotovoltaicos montados sobre una estructura fija al suelo, que permite variar la inclinación de éstos. Uno de los paneles, que se ha denominado panel A, se encuentra aislado, sin ninguna cubierta en su parte inferior, el cual utilizaremos como panel de referencia, ya que trabaja en condiciones normales al estar expuesto a condiciones ambientales y su única influencia térmica es la temperatura ambiente. El otro panel, denominado panel B, está emplazado en dicha estructura sobre una superficie paralela y metálica, la cual influenciará a la temperatura alcanzada por dicho panel. Entre ambas superficies se ha dejado un espacio que posibilita un flujo de aire que permite refrigerar en mayor o menor medida el panel por convección natural, gracias al efecto chimenea. Se ha estudiado el comportamiento del panel para diferentes separaciones del canal de aire, comparándolo con el panel de referencia (panel A). Tras la toma de datos y el análisis de los resultados, a dicha instalación se le incorporó un ventilador acoplado al panel B, mediante el uso de diferentes toberas, que impulsa el aire desde el exterior al interior del canal entre el panel B y la cubierta metálica, con el fin de analizar para cada separación del canal de aire y diferentes velocidades del aire impulsado, el comportamiento del panel en convección forzada y así compararlo con el panel A de referencia y con los resultados obtenidos previamente mediante convección natural. Por último, se pretende generalizar todos los resultados (diferentes secciones de aire, velocidades inducidas en canal, condiciones ambientales), mediante un modelo experimental que establezca correlaciones que nos permita determinar la temperatura del funcionamiento, potencia y eficiencia del módulo en función de las variables influyentes. Adicionalmente, se ha analizado el comportamiento eléctrico de paneles similares (mismo modelo y características), instalados en una planta fotovoltaica en funcionamiento, Coronil II ubicada en Sevilla. Se han analizado los datos reales de esta planta, correspondientes a los cuatro meses más calurosos del año: mayo, junio, julio y agosto, para los cuales se alcanzan las mayores temperaturas. Con dichos datos se han obtenido correlaciones entre la temperatura del panel y las variables eléctricas tales como potencia, rendimiento y, además, se ha comparado el comportamiento eléctrico de los paneles de la planta con el de nuestra instalación, para las diferentes configuraciones experimentadas. La segunda instalación experimental, es una réplica de la planta fotovoltaica montada sobre la cubierta de la instalación agroenergética Coronil IV, llevada a cabo por la empresa Apia XXI en Sevilla. La instalación experimental reproduce una parte de la instalación, formada por cuatro paneles fotovoltaicos colocados sobre el plástico del invernadero, existiendo un canal divergente entre ambas superficies. Con esta instalación, se pretende estudiar y analizar la influencia de las altas temperaturas en el interior del invernadero sobre la producción eléctrica de los paneles, dado la existencia de una transferencia de calor del interior del invernadero a través de la cubierta. Por consiguiente, se ha ensayado dicha instalación, para dos separaciones diferentes y, posteriormente, se colocó un aislante sobre el plástico, para cada separación, con el fin de evitar la transferencia del calor del interior a los paneles y analizar las mejoras eléctricas en el comportamiento de los paneles. En la instalación experimental se ha colocado, en el interior del invernadero, un calefactor que nos permita testear dichas configuraciones a diferentes temperaturas. El estudio realizado sobre ambas instalaciones ha proporcionado un conocimiento profundo del funcionamiento de cada una de ellas, así como información válida para una mejora de futuros diseños de instalaciones fotovoltaicas sobre cubiertas.