Científicos de la Universidad china de Tianjin Chengjian han fabricado un dispositivo fotovoltaico experimental que integra tres tecnologías diferentes destinadas a mejorar su rendimiento: un material de cambio de fase (PCM), un generador termoeléctrico (TEG) y dispositivos colectores térmicos (T).
Los PCM pueden absorber, almacenar y liberar grandes cantidades de calor latente en rangos de temperatura definidos. Se han utilizado a menudo en el ámbito de la investigación para la refrigeración de módulos fotovoltaicos y el almacenamiento de calor.
Los TEG pueden convertir el calor en electricidad a través del “efecto Seebeck”, que se produce cuando una diferencia de temperatura entre dos semiconductores diferentes produce una tensión entre ambas sustancias. Estos dispositivos se utilizan habitualmente en aplicaciones industriales para convertir el exceso de calor en electricidad. Sin embargo, su elevado coste y escaso rendimiento han limitado hasta ahora su adopción a mayor escala.
“El sistema tiene un buen potencial económico gracias a su excelente control de la temperatura, su elevada generación de potencia y su eficiencia energética, y se espera que su uso se generalice en el futuro a medida que disminuya el coste de los chips termoeléctricos”, declaró a pv magazine el autor principal de la investigación, We Li.
El sistema utiliza el PCM, el TEG y el agua de refrigeración para absorber el exceso de calor de los paneles fotovoltaicos, controlando eficazmente su temperatura y prolongando su vida útil. Al mismo tiempo, el PCM proporciona una fuente de calor estable para el TEG y los paneles refrigerados por agua proporcionan una fuente de frío para el TEG. El TEG genera electricidad a través de la diferencia de temperatura entre los dos lados de las fuentes caliente y fría, mejorando la tasa global de generación de energía del sistema fotovoltaico. El agua de refrigeración recupera el calor restante para mejorar el aprovechamiento de la energía solar.
El PV-PCM-TEG-T se construyó colocando un marco de aluminio en la parte posterior del panel fotovoltaico para formar una cavidad donde incrustar el PCM y sellarlo con una placa de aluminio. Los TEG conectados en serie se fijaron a la parte posterior de la placa de aluminio con silicona termoconductora. Además, se colocó una placa de refrigeración por agua al otro lado de los TEG.
Los académicos construyeron un prototipo experimental del sistema FV-PCM-TEG-T y compararon su rendimiento con el de un panel FV de referencia sin la estructura PCM-TEG-T.
“En las simulaciones numéricas, se modeló numéricamente la transferencia de calor del sistema PV-PCM-TEG-T”, explicó Li. “En condiciones de funcionamiento de 24 horas, el sistema PV-PCM-TEG-T demuestra un mayor control de la temperatura en comparación con los paneles fotovoltaicos estándar”.
Se comprobó que el sistema propuesto tenía una potencia de salida un 10,4% superior y una eficiencia de generación de energía un 1,9% mayor que el sistema de referencia. “En condiciones de simulación de 24 horas, la temperatura del nuevo sistema es significativamente inferior a la del panel fotovoltaico estándar, con una diferencia máxima de 10,1 ºC”, explica el grupo de investigación. “El grosor del PCM muestra poca influencia en la capacidad de control de la temperatura, mientras que un mayor grosor del PCM aumenta el almacenamiento de calor, incrementando así la generación de energía TE”.
“Al compararlo con los paneles fotovoltaicos estándar en condiciones de 3h con radiación y 3h sin radiación, el sistema puede controlar eficazmente la temperatura de los paneles fotovoltaicos y mejorar la eficiencia de generación de energía”, añadió Li. “La adición de TEG aumenta la capacidad de generación de energía; el agua de refrigeración circulante mejora la diferencia de temperatura, aumenta la capacidad de generación de energía termoeléctrica y realiza la recuperación y el almacenamiento de calor”.
Los investigadores presentaron el sistema en el estudio “Experimental and numerical study on photovoltaic thermoelectric heat storage system based on phase change temperature control” (Estudio experimental y numérico de un sistema de almacenamiento de calor termoeléctrico fotovoltaico basado en control de temperatura por cambio de fase), publicado en Solar Energy.
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