UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN AREQUIPAFACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y FORMALES

ESCUELA PROFESIONAL DE FISICALABORATORIO DE ENERGÍA SOLAR

DISEÑO, CONSTRUCCION Y EVALUACION DE UN SISTEMA SOLAR HIBRIDO FOTOVOLTAICO/ TÉRMICO PARA AUMENTAR LA EFICIENCIA DE UN PANEL

SOLAR

Bach. Oswaldo E. Hancco Apaza *Lic. Raúl Luque Alvarez

Lic. Alberto Montoya Portugal Mcs. Ernesto Palo Tejada

Mcs. Miguel Vizcardo Cornejo

RESUMEN

El presente proyecto de investigación trata sobre formulaciones teóricas, diseño, construcción y evaluación de un sistema solar híbrido fotovoltaico / térmico (SSH FV/T) para aumentar la eficiencia de un panel fotovoltaico (FV).

La motivación aparte de incrementar la eficiencia del panel FV, es aprovechar la energía térmica para uso domestico, teniendo en cuenta el sistema de refrigeración incorporado al panel FV.

Se formularon modelos matemáticos de todo SSH FV/T , se describen también los métodos e instrumentos para determinar experimentalmente la medición de parámetros en el proceso de funcionamiento del SSH FV/T.

Analizando los datos y curvas de las temperaturas en función del tiempo se observo que mientras se tenga un fluido de agua constante en el SSH FV/T, tendremos buena refrigeración en el panel FV y hemos obtenido un incremento en la eficiencia del panel FV de: 9.06 % a 14.4 % en el primer ensayo y 10.25 % a 12.14 % en el segundo ensayo , al mismo tiempo se pudo aprovechar la energía térmica; llegando a una temperatura máxima de 34º C que es lo suficiente para usos sanitarios, a pesar de no tener un buen aislamiento térmico.

INTRODUCCIÓN

La eficiencia de los paneles FV; en el mercado, comprendidos entre un 10 % a 25 %, comparada con la energía solar total solo se aprovecha 1/4 parte en forma de electricidad, esta eficiencia se reduce cuando hay un aumento de temperatura en las celdas FV.La idea seria construir un sistema de refrigeración que nos permita aumentar la eficiencia y a la vez aprovechar la energía térmica; dichos paneles FV estarían montados con un absorbedor integrado similar al que es utilizado en un sistema para calentamiento de agua con radiación solar directa.

Construir y diseñar un sistema solar Fotovoltaico / térmico en un solo panel es una solución viable que nos permitirá resolver problemas de eficiencia eléctrica del panel FV y poder aprovechar la energía térmica.

El objetivo general; aumentar la eficiencia del panel FV, para esto se diseño y construyo un sistema de refrigeración que utilizara un flujo de agua. Una evaluación experimental nos permitirá saber cuanto es la energía térmica entregada por el panel FV bajo condiciones ambientales y con aislamiento. Un análisis teórico matemático de la parte térmica de todo el sistema solar híbrido FV / T, nos permitirá obtener el rendimiento térmico del sistema.

I. Diseño y construcción del Sistema Solar Híbrido Fotovoltaico / Térmico (SSH FV/T)

1.1 Descripción general:

Figura 1: partes del sistema solar hibrido fotovoltaico / térmico

Out water

In water

Insulated

1.2 Construcción del prototipo:

Parte posterior del Panel fotovoltaico

Figura 2: sistema de refrigeración incorporado al panel fotovoltaico

Absorber plate Al

Tube CuSistema refrigerante

Se han instalado aislantes térmicos en los lados interiores y en la cara posterior del panel, esto para minimizar las perdidas de temperatura

Aislantes térmicos

Figura 3: colocación del aislante térmico de todo el sistema hibrido fotovoltaico / térmico

1.4 Balance de energía del SSH FV/T

Modelo físicoCircuito térmico

1.4.1 Balance de energía para la celda solar

electriascondasconveasradsinsstore QQQQQQ ,,,,,

ssspscondusasconvecsasradsssS

s GATThATThATThAGAdt

dTmc )()()()(

ST

aT

pT

: Energía [W]

: Temperatura del panel FV [K]

: Temperatura ambiente [K]

: Temperatura de la placa [K]

: Absortancia del panel FV

Q

: Ctte entre el producto de la masa y el calor específico [J/K]

: Área del panel FV [m2]

: Radiación solar [W/m2]

:Coefic. Transfe. de calor por Cond. Radiac. y convec. [W/m2K]

smc)(

sA

G

sah

s

pm

fq

: Masa de la placa de Aluminio [Kg]

: Calor especifico del Aluminio [J/Kg.K]

: Calor útil entregado por la placa al tubo en la interfase [W/m] : Longitud del tubo en la dirección del fluido [m]

pc

L

fpcondapcondpscondpstore QQQQ ,,,,

LqTThATThAdt

dTcm fapcondspsconds

ppp )()(

1.4.3 Balance de energía para el fluido

thafcondfpcond QQQ ,,

)()( fifoffafcondff TTcmTThALq

foT

: Temperatura del fluido [K]

: Taza de masa del fluido [Kg/s]

: Calor Específico [J/Kg.K]

: Temperatura de salida del fluido

: Temperatura de entrada del fluido

fT

fm

fc

fiT

1.4.2 Balance de energía de la placa absorbedora

1.4.4 Eficiencias térmicas y eléctricas

GA

Q

S

elecelec

GA

Q

S

thth

SSSelec GAQ )( 0 fifffth TTCmQ

2.1 Determinación experimental de la curva I-V y temperatura de enfriamiento del sistema solar híbrido FV/T (17/01/09).

de 10:45 am. Hasta las 12:30 pm. la temperatura de placa alcanza un máximo de 40.7 ºC, con esta temperatura tomamos datos de corriente y voltaje hasta las 12:50 pm. A partir de las 12:57 pm encendemos el sistema de refrigeración y vemos que la temp. descendió a 26.5 ºC, tomamos datos de corriente y voltaje, hasta las 13:07 pm. Esto debido a la aparición de nubes.

Figura 2.1: Esta figura muestra la disposición de los equipos de medida para la parte térmica y parte eléctrica

Figura 2.2: condiciones ambientales de trabajo de radiación solar, velocidad de viento (17/01/09).

II. DETERMINACION EXPERIMENTAL Y ANALISIS DE DATOS

11:4

1

12:0

1

12:2

1

12:4

1

13:0

1

13:2

1

13:4

1

14:0

1

20

25

30

35

40

45

50

Tem

pera

tura

(ºC

)

tiempo (s)

Temp placa temperatura entrada Temperatura salida Temperatura del tanque

Figura 2.3:se muestra la evolución de la temperatura en función del tiempo

la temperatura de la placa decae cuando encendemos el sistema de refrigeración; de 40.7 ºC hasta 26.5 ºC, A pesar de que el tanque de almacenamiento no esta aislado;

Análisis de la parte térmica del SSH FV/T.

Análisis de la parte eléctrica del SSH FV/T.

-5 0 5 10 15 20 250

1

2

3

sin refrigeracion con refrigeracion

Co

rrie

nte

(I)

Voltaje (V)

Figura 2.4: Comportamiento de las curvas I-V y Potencia en función del voltaje, sin refrigeración, con refrigeración.

- 5 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5- 1 0

0

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0

P o t e n c i a s i n r e f r i g e r a c i o n P o t e n c i a c o n r e f r i g e r a c i o n

PO

TE

NC

IA (

W)

V O L T A J E ( V )

Sin refrigeración:t= 12:35……12:50 pm.T = 40.2ºC aprox.Potencia salida = 24.18 WPotencia entrada = 266.83 W ε = 0.0906 ε = 9.06 %

Con refrigeración: t= 12:55……13:07 pm.T = 26.5ºC aprox.Potencia salida = 40.18 WPotencia entrada = 278.053 W

ε = 0.144ε = 14.4 %

Voc = 19.8 V Isc = 3.20 A.40.2ºC

26.5ºC 26.5ºC

40.2ºC

2.2 Determinación experimental de la curva I-V, temperatura de enfriamiento del sistema híbrido, utilizando un panel FV normal de referencia. (24/01/09)

A partir 10:34 am. de monitoreamos las temperaturas (Temp de la placa, entrada, salida, tanque y Temp. del panel FV normal); hasta que la placa alcance un máx. de temp. en equilibrio de 57ºC, esto es hasta las 12:14 pm, a partir de ese instante comienza el encendido de la bomba con un caudal máximo de 0.204 L/s

Figura 2.5: disposición de los paneles FV híbrido y normal.

Con la bomba en funcionamiento y visto que la temperatura de la placa alcanzo un equilibrio de 35ºC, a partir de 12:59 pm se procedió a tomar datos de corriente y voltaje para los dos sistemas (híbrido y normal) simultáneamente hasta la 13:10 pm.

04

:00

05

:00

06

:00

07

:00

08

:00

09

:00

10

:00

11

:00

12

:00

13

:00

14

:00

15

:00

16

:00

0

2 0 0

4 0 0

6 0 0

8 0 0

1 0 0 0

1 2 0 0

R a d ia c io n e n fu n c io n d e l t ie m p o (2 4 /0 1 /0 9 )

Ra

dia

cio

n (

W/m

2)

t ie m p o (s )

04

:00

05

:00

06

:00

07

:00

08

:00

09

:00

10

:00

11

:00

12

:00

13

:00

14

:00

15

:00

16

:00

0

2

4

6

v e lo c id a d d e v ie n to e n fu n c io n d e l t ie m p o (2 4 /0 1 /0 9 )

win

d s

pe

ed

(m

/s)

t ie m p o (s )

Figura 2.6: condiciones ambientales de trabajo, radiación solar y velocidad de viento (24/01/09).

Análisis experimental del sistema térmico

10:0

0

10:3

0

11:0

0

11:3

0

12:0

0

12:3

0

13:0

0

13:3

0

14:0

0

10

20

30

40

50

60

70

Temperatura placa Temperatura entrada Temperatura salida T. panel normal Temperatura tanque

Te

mp

era

tura

(ºC

)

tiempo (s)

Según la figura 2.6; vemos como la temperatura de la placa decae cuando se enciende el sistema de refrigeración, la temperatura de entrada, salida y del tanque se ponen en equilibrio después del encendido llegando a una temperatura máxima de 34ºC aproximadamente; esto debido a que el sistema de refrigeración es un circuito cerrado y de flujo forzado.

Figura 2.6: comportamiento de las temperaturas de todo el sistema térmico.

Utilizando un caudal máximo de 0.204 L/s, las temp. de entrada y salida, calculamos la eficiencia térmica, llegando a una eficiencia térmica de 37 %.

Análisis experimental del sistema eléctrico (curvas I-V)

0 5 10 15 20 250

1

2

3

4

Con refrigeracion (panel hibrido) Sin refrigeracion (panel normal)

Co

rrie

nte

(A

)

Voltaje (V)

35.2ºC

40.6ºC

Figura 2.7: I-V hay una diferencia de aproximada de 5.4ºC. De esta grafica vemos que las potencias máximas de salida están en un intervalo de 44,082 W con refrigeración y 40,754 W sin refrigeración.

0 5 10 15 20 250

10

20

30

40

50

con refrigeracion (panel hibrido) sin refrigeracion (panel normal)

Po

ten

cia

(W

)

Voltaje (V)

35.2ºC

40.6ºC

Sin refrigeración: Con refrigeración:t= 12:59……13:10 pm. t= 12:59……13:10 pm.T = 40.6ºC (promedio) T (placa) = 35.2ºC (promedio)Potencia máxima salida = 40.75 W Potencia máxima salida = 44.58 WPotencia entrada = 3870.3 W Potencia entrada = 3870.3 W

ε = 0.1025 ε = 0.1214 ε = 10.25 % ε = 12.14 %

Eficiencia total del sistema es 49.14 %

CONCLUSIONES

Con el sistema de refrigeración diseñada, construida y evaluada se logro aumentar la eficiencia

del panel FV; para el caso de un panel híbrido y un panel de referencia, se obtuvo un incremento de eficiencia de 10% a 12%, mientras que para un panel híbrido sin panel de referencia se obtuvo una diferencia mayor de eficiencia de 9% a 14%; en este ultimo caso es muy notable la eficiencia. Esta diferencia es debido a las condiciones ambientales de trabajo.

En las mediciones experimentales de los voltajes y corriente se observo que si no hay buena radiación solar constante, los análisis hechos para la curva IV serán distorsionados y esto afecta directamente a los valores reales de la eficiencia.

Con el sistema de refrigeración incorporado al panel FV se pudo aprovechar la energía térmica

en el tanque de almacenamiento aislado, llegando a una temperatura máxima de 34 ºC, a pesar de no tener un buen aislamiento bien sofisticado, llegando a una eficiencia de 37% de energía térmica.

Finalmente según las experiencias realizadas se vio que los paneles FV son buenos colectores de calor.

BIBLIOGRAFÍA [1] Dr. Aníbal Valera P. “ENERGIA SOLAR”, UNI 1993.

[2] Frank, Krath, Mark S. Boh, “Principios de transferencia de calor “, Thomson Leaning, 6 Edición, México, 2001.

[3] John A. Duffie and W. A. Beckman, “Solar engineering of thermal processes”, second edition, wiley, New York 1991.

[4] Y.Sukamongkol, S. Chungpaibulpatana, and W. Ongsakul, “A Simulation Model for Predicting the Performance of a Solar Photovoltaic System with Alternating Current Loads,” Renewable Energy Journal, 27 (2002), P 237-258.

[5] Yod Sukamongkol A SIMULATION MODEL FOR PREDICTING THE TRANSIENT PERFORMANCE OF A HYBRID PV/T FORCED-CIRCULATION SOLAR WATER- HEATING SYSTEM, Sirindhorn International Institute of Technonlgy, Thammasat University, P.O.Box 22, 12121, Thailand, Phone:+662 9869006 ext 2505.

[6] Satinder Pal Singh and S. Ashok, The Development of a portable hybrid system simulation model, Department of Mechanical Engineering.

[7] Panel Solar Híbrido Fotovoltaico/ Térmico Con Incremento De Eficiencia En Sistema Fotovoltaico, luis@panelsolarhibrido.es

GraciasEscuela Profesional de Física

Laboratorio de energía solarwaldo.1203@gmail.com

Arequipa Noviembre 2009