Un grupo de investigadores de la Universidad Central de Tecnología de Sudáfrica ha diseñado un módulo solar que integra un sistema de refrigeración basado en un refrigerador termoeléctrico (TEC, por sus iniciales en inglés).
Los TEC 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 FV-TEC propuesto en este estudio consta de un panel FV integrado con un dispositivo TEC, fijado en su reverso, un disipador interconectado con la cara opuesta del dispositivo termoeléctrico y un mecanismo de conmutación”, explican los científicos. “El TEC se alimenta del panel fotovoltaico que debe refrigerar”.
El grupo realizó una simulación numérica para evaluar el rendimiento del sistema. Además, se estableció una función de optimización para maximizar la producción al tiempo que se intentaba mantener una temperatura objetivo de entre 23 ºC y 27 ºC cuando la temperatura de la célula superaba los 25 ºC. El panel fotovoltaico utilizado en la simulación tenía una potencia de 100 W, una eficiencia del 17,8% y un tamaño de 20.200 cm3. El TEC tenía una corriente máxima de 6,1 A, una tensión máxima de 17,2 V y un tamaño de 6,08 cm3. El disipador de calor tenía una resistencia térmica de 2,6 C/W y un tamaño de 39,2 cm3.
“Según los investigadores, el escenario considerado consiste en utilizar datos meteorológicos obtenidos en Bloemfontein (Free State, Sudáfrica). “El conjunto de datos específico abarca la irradiancia horizontal difusa, la normal difusa y la horizontal global, junto con valores de temperatura ambiente, delineando un día típico de invierno el 17 de julio de 2021 y un día de verano el 17 de enero de 2021”.
Se analizó el funcionamiento del sistema tanto para un día de verano como para un día de invierno y se comparó su rendimiento con el de un panel fotovoltaico de referencia sin el TEC ni el disipador de calor. En las condiciones invernales simuladas, la temperatura de la célula nunca superó los 25 ºC, por lo que el TEC no estuvo activo. Por lo tanto, tanto en el caso PV-TEC como en el de referencia, la temperatura máxima se registró en 22,9 ºC, la potencia de salida constante fue de 86,9 W y la producción total de energía se situó en 363,47 Wh.
En el caso de verano, sin embargo, el TEC entró en acción y permitió al panel alcanzar una potencia máxima de 104,1 W, frente a los 94,4 W del caso de referencia. La temperatura máxima en el caso de referencia fue de 36,1 ºC, mientras que el PV-TEC no superó los 25 ºC. En el caso TEC, alcanzó una producción energética de 603,60 Wh, frente a los 547,65 Wh del caso de referencia. “Los resultados de nuestro modelo propuesto demostraron una mejora sustancial de la potencia de salida, concretamente de un 9,27 % durante el verano”, destacaron los académicos.
A partir de estos resultados, los investigadores pasaron a realizar un análisis económico con un supuesto de vida útil de 20 años para la PV y la PV-TEC, así como un incremento anual del 10% en el precio de la electricidad y un tipo de interés del 6%. Mientras que el precio inicial del panel solar de 100 W se estimó en 1.235 ZAR (66,9 dólares), el coste total del caso PV-TEC fue de 1.562,77 rands.
“El punto de equilibrio se manifiesta relativamente pronto dentro de la vida operativa del proyecto. En concreto, se alcanza a los 6,5 años”, concluyen los científicos. “El análisis económico arrojó además un ahorro de costes de 2.905,61 rands, lo que supone un ahorro del 10,56% durante la vida útil del proyecto a lo largo de 20 años”.
El sistema se presentó en “Enhancing photovoltaic operation system efficiency and cost-effectiveness through optimal control of thermoelectric cooling” (Mejora de la eficiencia y rentabilidad del sistema operativo fotovoltaico mediante un control óptimo de la refrigeración termoeléctrica), publicado en Solar Energy Materials and Solar Cells.
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