Optimización de la eficiencia de paneles fotovoltaicos a

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Optimización de la eficiencia
de paneles fotovoltaicos a través
del control de la temperatura
Resultados preliminares
Omar Ormachea – oormachea@upb.edu
Augusta Abrahamse – aabrahamse@gmail.com
Diego Molina – dimolmen@gmail.com
(Universidad Privada Boliviana, Centro de Investigaciones Ópticas - CIO)
R e s u m e n . El presente trabajo de investigación tiene por objeto el estudio del
efecto de pulverizar agua sobre la superficie de un panel fotovoltaico convencional
e n f u n c i o n a m i e n t o, m e d i a n t e u n a t o m i z a d o r p a r a c o n t r o l a r l a t e m p e r a t u r a y m a n t e n erla constante. Se realizaron medidas de potencia en circuito abierto de un panel de
5 5 Wp d e l a m a r c a Z Y T E C H m a n t e n i e n d o l a t e m p e r a t u r a p r á c t i c a m e n t e c o n s t a n t e a
un valor medio de33oC, se recopilaron datos durante un día entero obteniendo un
aumento medio en la eficiencia del panel fotovoltaico de aproximadamente 5,6 % en
los valores de potencia medidos, estos datos se compararon con un panel fotovoltaico
d e c a r a c t e r í s t i c a s s i m i l a r e s q u e n o f u e e n f r i a d o. A m b o s p a n e l e s f u e r o n o r i e n t a d o s a l
n o r t e g e o g r á f i c o e n c o n t r á n d o s e a m b o s e n p r e d i o s d e l a Un i v e r s i d a d P r i v a d a B o l i v i a n a .
P a l a b r a s - c l a v e : E n e r g í a s o l a r, e f i c i e n c i a e n e r g é t i c a , p a n e l e s f o t o v o l t a i c o s .
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1.
INTRODUCCIÓN
En la actualidad, se están realizando grandes esfuerzos para el desarrollo de nuevos procesos de fabricación de células fotovoltaicas (Algora et al. 1996, Carey et al. 2009) y están siendo explorados activamente
nuevos métodos para el incremento de la eficiencia de estos sistemas (Abdolzadeh et al. 2009, Strumpel et al.
2007, Klampaftis et al. 2009), como consecuencia del alza de precios de los combustibles fósiles y la polémica
internacional relativa al calentamiento global.
El aprovechamiento óptimo del espectro solar en sistemas fotovoltaicos (SFV), se ha ido desarrollando
de manera activa en los últimos años. Se está trabajando en el desarrollo de nuevos materiales que competirán
con los elementos más conocidos como son el silicio y el GaAs, tal es el caso del llamado black-silicon, que
tiene una respuesta óptica mucho más amplia que los elementos mencionados, pudiendo utilizar el espectro
solar en el rango de 300 nm a 1700 nm (Carey et al. 2009). Se tiene además tres direcciones importantes de
investigación que buscan aumentar la eficiencia de las células fabricadas con silicio, a través de técnicas basadas
en un aprovechamiento más efectivo del espectro solar. Éstas son los siguientes: Down-conversion, esta técnica
permite dividir un fotón de alta energía en dos fotones de menor energía; Foto-luminiscencia, que consiste
en el corrimiento o desplazamiento de los fotones de la radiación solar a una región de longitud de onda que
es mejor aceptada por la célula solar; y Up-conversion, que es la combinación de fotones de baja energía para
dar lugar a fotones de alta energía (Strumpel et al. 2007, Klampaftis et al. 2009).
La importancia del estudio de técnicas y métodos para incrementar la eficiencia de paneles solares
está no sólo en su extensa aplicación científica, sino también en las aplicaciones prácticas para aumentar la
producción de la energía eléctrica llamada green energy, que en un futuro cercano, se posicionará establemente
como una alternativa limpia al uso de combustibles fósiles, tomando en cuenta las nuevas normativas y leyes
que se están aplicando actualmente en el mundo (CYTED 2009).
Es importante mencionar, que uno de los parámetros fundamentales que influyen en la eficiencia y la
vida útil de estos elementos es la temperatura. En los SFV, la eficiencia de los mismos decrece con el aumento
de la temperatura e.g. en el caso del silicio se tiene un dV/dT= -2,09 mV/oC y para el GaAs dV/dT= -1,76
mV/oC, lo que significa que la influencia de la temperatura es tal que las células solares de Si pierden 2,09 mV
por cada grado de aumento de temperatura, en tanto que las de GaAs pierden 1,76 mV (Algora et al. 1996).
Generalmente, los paneles solares tienen parámetros óptimos de funcionamiento que garantizan una vida útil
muy larga (40 años), sin embargo, en situaciones reales, estos parámetros, fundamentalmente la temperatura,
están muy por encima de dichos parámetros óptimos.
El objetivo de este estudio es investigar el efecto de pulverizar agua encima de la superficie de un
panel fotovoltaico convencional, mediante un atomizador para reducir la temperatura y mantenerla constante,
realizar medidas de potencia en función de la temperatura.
2.
RESULTADOS EXPERIMENTALES.
El experimento se realizó en el campus Cochabamba de la Universidad Privada Boliviana. Las condiciones del
lugar y clima permitieron realizar medas sin sombra, desde las 9:00 hasta las 17:00, posición del sector donde
se realizaron las medidas fueron (17O23´53.79´´S; 66O13´03.96´´O) y una altitud de 2554 msnm.
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Figura 1- Fotografía de la posición geográfica, donde se realizaron las medidas.
Simp o sio Na ciona l de Energ i as R enovables
Los datos obtenidos preliminarmente en este trabajo fueron realizados el viernes 7 de septiembre de
2012, en un día completamente despejado, sin nubes como se puede ver en la figura 2, donde se presentan
fotografías de como se veía el cielo en el lugar de medida.
Figura 2- Fotografía del estado del día desde el punto de medición de los parámetros de potencia.
El esquema utilizado en el presente trabajo fue el de circuito abierto, donde se tomaron datos de
corriente y voltaje para la obtención de la potencia producida por cada panel utilizado.
Se configuró un arreglo de 2 paneles fotovoltaicos de silicio idénticos, modelo ZT55S de 55 Wp de
potencia, voltaje en circuito abierto 21,7 V, corriente en short-circuit 3,85 A a 1000W/m2, según datos del
fabricante.
Para monitorear los datos con control de temperatura a través de pulverización de agua se denomino
a uno de los paneles como (Panel A) y sin pulverización de agua (Panel B). La pulverización de agua en el
Panel A se efectuó mediante un atomizador doméstico.
El monitoreo de voltaje y de corriente se realizo utilizando 4 multímetros digitales, y la medición
de temperaturas con un termómetro infrarrojo (ver figura 3). La orientación de los paneles fue en dirección
Norte geográfico y una inclinación de 30º respecto a la horizontal.
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Figura 3- Fotografía del sistema conformado (a) y los elementos de medición utilizados (b).
La recopilación de datos se realizó cada 15 minutos, el Panel B sin modificación de temperatura, y
manteniendo la temperatura del Panel A en un rango de 32-34ºC, a través de la pulverización del agua, esta
temperatura fue la que se obtuvo con una frecuencia de pulverización indicada arriba.
La temperatura del agua que se utilizó a condiciones ambientales normales medida fue de un rango de
18,5 – 20ºC, la temperatura inicial tomada del grifo y la segunda después de nivelarse por efectos de convección con el aire ambiental. Se utilizó también una probeta graduada de 500 ml para obtener un aproximado
del volumen de agua necesaria para mantener la temperatura del Panel A en el rango indicado.
En la figura 4, se presentan los resultados preliminares de este trabajo de investigación, donde podemos
observar el comportamiento de la potencia en función del tiempo para un día entero de adquisición de datos
para el sistema descrito anteriormente. Analizando la gráfica obtenía se tiene un incremento en la eficiencia
del panel solar de 5,62% en promedio en el día y un incremento de potencia instantánea a las 12:15 horas del
11,1%.
Figura 4 – Comparación de Potencia durante el día entre los paneles A y B.
En la figura 5, se presenta la relación de la temperatura de ambos paneles en función de las horas del
día, se puede apreciar que la temperatura del panel A se mantuvo prácticamente constante a diferencia del
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panel B que no fue enfriado por el proceso de pulverización con agua.
Figura 5 – Comportamiento de la temperatura del sistema en función del tiempo.
Simp o sio Na ciona l de Energ i as R enovables
3.
CONCLUSIONES
En el presente trabajo de investigación se logró demostrar que se puede obtener un incremento en la
eficiencia de sistemas fotovoltaicos, a través de un control simple de la temperatura de estos sistemas. El control
propuesto se basa en la pulverización de agua mediante atomizadores domésticos convencionales, se logró
mantener la temperatura de un panel de marca ZYTECH de 55Wp a un nivel medio de 33OC y un incremento
en su potencia media de 5,6%, en el punto máximo de irradiancia solar se midió un valor instantáneo en la
potencia de 11,1%. Se demostró que con métodos sencillos es posible tener un incremento en la eficiencia de
los SFV.
REFERENCIAS
C. Algora et al., Células solares de semiconductores III-V para la generación de electricidad a costes
competitivos, REF, (Enero-Marzo 1996), pp. 32 - 38.
J.E. Carey, J. Sickler, Black silicon sees further into the IR, Laser Focus Word, (August - 2009), pp.
39 - 44.
M. Abdolzadeh, M. Ameri, Improving the effectiveness of a photovoltaic water pumping system by
spraying water over the front of photovoltaic cells, Renewable Energy, 34, (2009), pp. 91 - 96.
C. Strumpel et al., Modifying the solar spectrum to enhance silicon solar efficiency – An overview
of available materials, Solar Energy Materials and Solar Cells, 91, (2007), pp. 238 - 249.
E. Klampaftis et al., Enhancing the performance of solar cells via luminescent down-shifting of the
incident spectrum: A review, Solar Energy Materials and Solar Cells, 93, (2009), pp. 1182 - 1194.
CYTED, Guías de normas y protocolos técnicos para la electrificación rural con energías renovables,
2009.