Sistema de mejora de la eficiencia de paneles solares fotovoltaicos mediante refrigeración geotérmica
- Autores: Diego López Pascual
- Directores de la Tesis: Ignacio Valiente Blanco (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2023
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Alberto Abánades Velasco (presid.), Pablo Díaz Villar (secret.), Hannah E Daly (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Tecnologías de la Información y las Comunicaciones por la Universidad de Alcalá
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
La energía solar fotovoltaica se ha convertido en una de las fuentes de energía más seguras y económicas disponibles. A pesar de esto, los valores de eficiencia de los paneles solares comerciales rara vez superan el 20%, y este número se reduce aún más debido al sobrecalentamiento. El sobrecalentamiento de las células solares en condiciones normales de operación reduce considerablemente su eficiencia. En esta tesis se diseña, describe teóricamente y valida experimentalmente un novedoso sistema de refrigeración para paneles solares fotovoltaicos basado en enfriamiento geotérmico de baja entalpía. El sistema propuesto elimina el exceso de calor producido en las células fotovoltaicas en un panel durante su operación normal mediante un sistema de refrigeración monofásico de circuito cerrado que utiliza el subsuelo como foco frío.
Se ha diseñado y fabricado un prototipo de la tecnología, orientado a plantas de generación solar fotovoltaica con mecanismo de seguimiento solar de un eje, con el objetivo de incrementar la madurez de la tecnología y verificar la viabilidad técnica y económica del sistema propuesto. Dicho prototipo fue ensayado en condiciones operacionales relevantes y ante diferentes condiciones ambientales en Alcalá de Henares, Madrid, España. En dicha ubicación, la temperatura del subsuelo es estable e igual a 16±2 °C a profundidades relativamente bajas durante todo el año. Adicionalmente, el intercambio de calor con el subsuelo mejora gracias a la presencia de un acuífero, ubicado a una profundidad de aproximadamente 4 m bajo la superficie en la zona de ensayo.
Se ha demostrado que, gracias al sistema de refrigeración propuesto, es posible reducir significativamente la temperatura de los paneles solares en hasta 20 ¿ en las condiciones ensayadas, empleando un caudal de refrigerante de 1.84 l/min por cada metro cuadrado de panel solar. Esta reducción de temperatura resulta en una mejora relevante de la eficiencia neta del sistema. En comparación con un panel solar estándar no refrigerado, funcionando en las mismas condiciones, se ha medido una mejora máxima de la eficiencia neta en la época estival de hasta un 13.4%, con promedios diarios de mejora de la eficiencia neta de hasta el 9.4%. De manera experimental se ha determinado, en buen acuerdo con los cálculos teóricos, un aumento anual promedio de la potencia neta generada por el sistema en torno a un 5.9%, lo que demuestra la viabilidad técnica del concepto propuesto. También se ha determinado la relación de la mejora de la eficiencia con las condiciones ambientales, el caudal de refrigeración, y el rendimiento y consumo energético de la bomba del sistema de refrigeración.
Por último, se han observado otros beneficios potenciales de la tecnología, como la reducción del rango entre las temperaturas máximas y mínimas alcanzadas por los paneles solares durante el año y la reducción del gradiente térmico entre las superficies frontal y trasera de los paneles.
- English
Photovoltaic solar energy has become one of the safest and most economical sources of energy available. Despite this, the efficiency values of commercial solar panels rarely exceed 20%, and this number is further reduced due to overheating.
Overheating of solar cells under normal operating conditions considerably reduces their efficiency. In this thesis, a novel cooling system for photovoltaic solar panels, based on low enthalpy geothermal cooling, is designed, theoretically described, and experimentally validated. The proposed system dissipates the excess heat generated in the solar cells inside a panel during its normal operation by means of a single-phase closed circuit refrigeration system that uses the underground as a heat sink.
A prototype of the technology has been designed and manufactured, aimed at photovoltaic generation plants with a single-axis sun tracking mechanism, to increase the maturity of the technology and verify the technical and economic feasibility of the proposed system. Said prototype was tested under relevant operational circumstances and different environmental conditions in Alcalá de Henares, Madrid, Spain. In this location, the underground temperature is stable and equal to 16±2 °C at relatively low depths throughout the year. Additionally, the heat exchange with the subsoil is improved thanks to the presence of an aquifer, located at a depth of approximately 4 m below the surface in the test area.
It has been proven that, thanks to the proposed cooling system, it is possible to significantly reduce the temperature of the solar panels by up to 20º C in the tested conditions, using a coolant flow of 1.84 l/min per each square meter of solar panel.
This temperature reduction results in a significant improvement in the net efficiency of the system. Compared to a standard uncooled solar panel, operating under the same conditions, a maximum net efficiency improvement during the summer season of up to 13.4% has been measured, with daily average net efficiency improvements of up to 9.4%. An average annual increase of the net power generated by the system around 5.9% has been experimentally determined, in good agreement with the theoretical calculations, which demonstrates the technical feasibility of the proposed concept. The correlation between the efficiency improvement and the environmental conditions, refrigeration flow, and performance and energy consumption of the refrigeration system pump has also been determined.
Finally, other potential benefits of the technology have been observed, such as the reduction of the temperature range reached by the solar panels throughout the year and the reduction of the thermal gradient between the front and rear surfaces of the panels.
- español
