Nanopartículas, materiales de cambio de fase en sistemas fotovoltaicos térmicos

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Investigadores de Bangladesh y Australia han estudiado nanomateriales híbridos de cambio de fase (HNPCM, por sus iniciales en inglés) para aplicaciones PVT. Utilizaron cera de parafina como material de cambio de fase (PCM), incorporando varios niveles de nanopartículas de óxido de aluminio (Al₂O₃) y óxido de zinc (ZnO). También desarrollaron un modelo de predicción.

«En esta investigación, Al2 O3 y ZnO se incorporan en diferentes concentraciones con PCM para mejorar su conductividad térmica y luego se utilizan en el sistema PVT para examinar el impacto en su rendimiento (eléctrico y térmico)», dijo el grupo. «Se preparan las muestras híbridas-nano/PCM y se lleva a cabo su morfología, estructura, estabilidad térmica, conductividad térmica y comportamiento de cambio de fase».

Incorporaron la mezcla de Al₂O₃-ZnO a la cera con cargas del 0,5%, 1% y 2%. Añadieron la mezcla a la cera a 70 °C y la agitaron durante dos horas, utilizando una máquina de vibración ultrasónica para mantener el vaso de precipitados por encima del punto de fusión. Por último, enfriaron las muestras a temperatura ambiente.

«Se realizaron pruebas de microscopio electrónico de barrido (SEM) para el análisis morfológico de las muestras, y los resultados de las pruebas muestran que el 2% de nanopartículas híbridas mezcladas con PCM presentaban una mejor conexión con la parafina base sin tener ninguna aglomeración … El 2% de nano-PCM híbrido muestra una conductividad térmica más alta de 2,18 W/mK que la parafina pura (1,54 W/mK)», dijo el grupo. «El resultado muestra el incremento gradual de la conductividad térmica mediante la adición de nanopartículas híbridas con fracciones de masa de 0,5, 1 y 2%».

Los investigadores construyeron un montaje experimental que combinaba las HNPCM con un sistema PVT. Fijaron un módulo fotovoltaico policristalino de 20 W a un tubo de cobre serpenteante que contenía las HNPCM en la parte trasera, con tubos de cobre por debajo por los que circulaba agua a 0,0021 kg/s. El agua caliente se almacenó en un depósito de energía térmica.

El sistema se instaló en la azotea de la Universidad de Ingeniería y Tecnología de Rajshahi, en Bangladesh. También instalaron dos sistemas de referencia con el mismo módulo fotovoltaico de 20 W: uno sólo con el panel fotovoltaico y el otro sólo con PCM de cera de parafina. Las mediciones se realizaron a finales de abril de 2022, con una irradiación que oscilaba entre 400 W/m² y 900 W/m² y una temperatura ambiente de unos 26 °C.

«Los resultados experimentales mostraron que, en comparación con solo PCM, la conductividad térmica de HNPCM aumentó en un 24,68%, 28,57% y 41,56% para la inclusión de 0,5%, 1% y 2% de nanomaterial híbrido, respectivamente», dijeron los investigadores. «La eficiencia eléctrica del sistema PVT/HNPCM y PVT/PCM mejoró un 31,46 % y un 28,70 %, respectivamente, en comparación con el sistema fotovoltaico convencional de este estudio».

El grupo también ha desarrollado un modelo de metodología de superficie de respuesta (RSM) para «predecir y optimizar la interacción de los factores operativos (variable independiente) con los factores de respuesta (variable dependiente)». La RSM utiliza estadísticas y modelos matemáticos, por lo general, para mejorar y optimizar sistemas experimentales.

«Tras completar las comparaciones a partir de los resultados experimentales, la tasa de error para la eficiencia eléctrica, térmica y global se estima en torno al- 1,95% y- 0,57%,- 4,81% y- 1,66%, y- 3,83% y- 1,24%, respectivamente, tanto para los sistemas PVT/PCM como PVT/HNPCM», afirman los académicos.

Presentaron sus resultados en «Characterization, optimization, and performance evaluation of PCM with Al2 O3 and ZnO hybrid nanoparticles for photovoltaic thermal energy storage», publicado recientemente en Energy and Built Environment. El estudio fue realizado por científicos de la Universidad Rajshahi de Ingeniería y Tecnología de Bangladesh y la Universidad Edith Cowan de Australia.

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