Reducción de la temperatura de los módulos fotovoltaicos con aire refrigerado desde el suelo

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Un grupo de científicos iraquíes ha investigado el uso de energía de origen terrestre para refrigerar paneles fotovoltaicos y ha descubierto que esta solución podría dar lugar a una reducción significativa de la temperatura de funcionamiento del módulo.

Los investigadores simularon una configuración con algoritmos de dinámica de fluidos computacional (CFD, por sus inciciales en inglés). La CFD es una rama de la mecánica de fluidos que utiliza métodos numéricos y algoritmos para analizar problemas relacionados con flujos de fluidos.

“Tras revisar artículos científicos publicados con anterioridad, resulta evidente la falta de investigaciones sobre la utilización de aire refrigerado desde el suelo para refrigerar paneles fotovoltaicos”, explica el grupo. “La mayoría de los estudios anteriores se han centrado en emplear agua refrigerada desde el suelo para este fin, lo cual puede no ser factible en muchas regiones, especialmente en zonas desérticas. El estudio actual aborda esta carencia centrándose en el uso de aire refrigerado que circula por tuberías subterráneas para refrigerar paneles fotovoltaicos”.

El CFD se simuló utilizando el software Ansys Fluent 2023 R1, teniendo en cuenta variables como la posición axial, la energía turbulenta, la velocidad axial, la viscosidad turbulenta y la producción de energía cinética turbulenta (TKE) debida al cizallamiento de la velocidad media. También asumieron que el sistema tiene un método de estado estacionario para el flujo de fluidos y la transferencia de calor y que el flujo de aire es turbulento.

“El panel fotovoltaico mide 100 cm de longitud y 60 cm de anchura, con una potencia máxima de salida de 100 W. La superficie del suelo, de 12 m de longitud, 3 m de anchura y 3,6 m de altura, se modeló como un área rectangular”, explicó el equipo al describir la instalación. “Se diseñaron dos tuberías de PVC de 10 cm de diámetro cada una, que se enterraron bajo tierra y se integraron en el sistema geotérmico para mejorar la absorción del calor”.

El panel fotovoltaico se basaba en silicio monocristalino, una cubierta de vidrio, un marco de aluminio y un encapsulante de etilvinilacetato (EVA). Se creó un sistema similar, sin refrigeración del suelo, como referencia.

Se simuló que tanto el montaje experimental como el de control funcionaban durante diez horas, de 8:00 a 17:00, en la ciudad de Kirkuk, al norte de Irak. A mediodía se registró un pico de radiación solar de 950 W/m2, mientras que el valor más bajo, 360 W/m2, se registró a las 17:00. La temperatura del aire alcanzó un pico de 45 ºC a las 13:00.

“Los resultados demuestran una notable mejora del rendimiento fotovoltaico con la implantación del sistema de refrigeración”, afirman los científicos. “En concreto, la temperatura descendió de 53,8 ºC a aproximadamente 42,8 ºC a las 13:00 horas. Esto representa una mejora significativa, ya que la temperatura se redujo aproximadamente un 28% en comparación con el caso fotovoltaico”.

La simulación también demostró que el caso FV-tierra superaba sistemáticamente al caso FV-solamente. La configuración refrigerada por aire mejoró la generación de energía en un 6,5% en comparación con la configuración fotovoltaica, y su potencia máxima fue de 88 W.

“A las 8:00, la eficiencia máxima fue del 16,53% en el caso FV-tierra y del 16,14% en el caso FV-solamente. A las 13:00, la eficiencia disminuyó al 15,49% y al 14,54% en los casos fotovoltaico-subterráneo y fotovoltaico-solitario, respectivamente”, explican los investigadores.

Los resultados se presentaron en “Photovoltaic panel cooling using ground source energy: CFD simulation” (Refrigeración de paneles fotovoltaicos utilizando energía geotérmica: simulación CFD), publicado en Results in Engineering. El equipo de investigación estaba formado por académicos del Ministerio iraquí de Ciencia y Tecnología, el Ministerio del Petróleo, la Universidad Al-Kitab y la Universidad Técnica del Norte.

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