Un grupo de científicos liderado por la Universidad Chouaïb Doukkali de Marruecos ha diseñado un panel solar fotovoltaico-térmico basado en un intercambiador de calor canal-caja destinado a mejorar el intercambio convectivo.
Explicaron que el diseño propuesto ofrece la ventaja de que toda la superficie del panel está en contacto directo con el fluido, mientras que los módulos fotovoltaico-térmico (PVT, por sus iniciales en inglés) de lámina y tubo ofrecen una pequeña área de contacto entre la lámina y el tubo. «Además, esta propuesta pretende resolver el problema de la desigualdad de temperaturas, que afecta a la durabilidad de los paneles fotovoltaicos», añadieron.
El intercambiador de calor propuesto incluye tres zonas para la entrada del refrigerante (AZ), el intercambio de calor (ZE) y la evacuación del fluido (VZ), respectivamente. Utiliza agua como fluido refrigerante, que fluye a través del intercambiador de calor para aprovechar el calor producido por el módulo fotovoltaico. «La ZE consta de una placa alveolar, que comprende una pared superior plana en contacto con la parte trasera del módulo fotovoltaico, y una pared inferior», especifica el grupo. «Estas paredes tienen un grosor de 0,4 mm, lo que facilita la transferencia óptima del calor entre el módulo fotovoltaico y el fluido refrigerante que circula por los canales».
El intercambiador de calor está dividido en dos zonas: una zona sólida de aluminio y una zona de fluido por la que circula agua dentro de la zona sólida. El panel PVT también incluye un módulo fotovoltaico, una capa de Tedlar, dos capas transparentes de etilvinilacetato (EVA) y una placa de cubierta de vidrio.
Utilizando el programa COMSOL, el equipo de investigación realizó una serie de simulaciones para evaluar el rendimiento del sistema en función de la irradiancia solar y el caudal volumétrico. Supuso que se encontraba en estado estacionario y sin polvo acumulado en su superficie. El análisis también tuvo en cuenta parámetros como la temperatura de la célula solar, la temperatura de salida del refrigerante, la eficiencia y el rendimiento de la célula, así como la energía térmica recuperada, la eficiencia térmica y la eficiencia global.
«En COMSOL, los módulos PVT y PV se mallan utilizando una secuencia de mallado controlada por la física», explican los académicos. «Este enfoque da lugar a un aumento progresivo del número de elementos de malla en cada límite, lo que permite una resolución precisa de los fenómenos de transferencia de calor y los campos de flujo».
Las simulaciones demostraron que el caudal es un factor clave para el rendimiento del panel, ya que cada 10 L/h de aumento del caudal de fluido reduce la temperatura de la célula solar en unos 0,885 C, lo que a su vez se traduce en un aumento del rendimiento energético de unos 0,798 W. Además, cada 10 L/h de aumento del caudal de fluido incrementa la eficiencia de la célula en aproximadamente un 0,051%.
El panel PVT también alcanzó una eficiencia eléctrica, térmica y global de aproximadamente el 12,11%, el 78,59% y el 90,7%, respectivamente. «Cuando el caudal y la temperatura de entrada se mantienen a 180 L/h y 29 C, respectivamente, la eficiencia total del sistema aumenta del 83,15 al 90,7% a medida que la irradiancia solar aumenta de 2 x 102 a 103 W/m2. En consecuencia, por cada aumento de 102 W/m2 en la irradiancia solar, se produce una mejora del 0,94% en la eficiencia total», subrayan los académicos.
El sistema fue presentado en el artículo «Numerical study of a water-based photovoltaic-thermal (PVT) hybrid solar collector with a new heat exchanger» (Estudio numérico de un colector solar híbrido fotovoltaico-térmico (PVT) basado en agua con un nuevo intercambiador de calor), publicado recientemente en e-Prime – Advances in Electrical Engineering, Electronics and Energy.
«El PVT-C propuesto ofrece buenos resultados en términos de inhomogeneidad de temperatura y rendimiento general», concluyen los científicos. «En este contexto, merecerá la pena recomendar la realización de este nuevo PVT-C, que es fácil de integrar en el edificio y puede adaptarse para satisfacer las necesidades de aire o agua según las estaciones y los requisitos térmicos del edificio».
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