Panel solar bifacial parabólico con sistema de refrigeración

Los paneles solares convencionales se han diseñado y utilizado para convertir la radiación solar en electricidad con una sola cara. Sin embargo, presentan una baja eficiencia de conversión de energía y un coste elevado, porque solo pueden absorber la luz por un lado. Con el fin de reducir el coste de la generación de energía solar, en esta patente (US3278811A) se ha propuesto el panel fotovoltaico bifacial. Puede reducir potencialmente el coste de la electricidad generada, porque este tipo de célula solar puede convertir la luz solar incidente en energía eléctrica por ambas caras de la célula. Cuevas et al. han demostrado módulos bifaciales con un 50 % más de generación de energía eléctrica al captar la radiación de albedo procedente del tejado y del entorno. Así pues, las células solares bifaciales no solo aumentan la densidad de potencia, sino que también podrían reducir el coste asociado a la superficie de un sistema de energía fotovoltaica (FV). Además, en esta patente (US9379269B2) se ha propuesto un panel solar bifacial de silicio cristalino con un reflector para absorber más luz por la cara posterior del panel. Por otra parte, un aumento de la temperatura provoca una reducción de la banda prohibida. Esto, a su vez, provoca una disminución de la eficiencia de conversión de energía. Por ello, resulta beneficioso aplicar refrigeración artificial a los módulos fotovoltaicos para mejorar la potencia de salida y lograr un rendimiento óptimo, y para este fin concreto se han aplicado varios métodos. No obstante, hasta donde saben los autores, no se ha encontrado en la literatura ninguna referencia que presente un panel fotovoltaico que combine las dos soluciones: refrigeración y bifacial con reflector. Por ello, este trabajo presenta un diseño mejorado de un panel solar bifacial integrado que convierte eficientemente la radiación solar en energía eléctrica con un sistema de refrigeración.

El objetivo del presente concepto es proporcionar un panel solar que pueda convertir la radiación solar en energía eléctrica con las siguientes características: 1) La reducción de la temperatura del panel fotovoltaico. 2) Convertir la luz solar incidente en energía eléctrica por ambas caras de la célula con la ayuda de espejos. 3) Reducir el coste asociado a la superficie de un sistema de energía fotovoltaica. Cabe mencionar que el concepto propuesto está registrado como solicitud de patente en la OMPIC (Office marocain de la propriété industrielle et commerciale, la Oficina Marroquí de la Propiedad Industrial y Comercial) con el número MA42181B1, a nombre de Badre El Majid, Saad Motahhir y Abdelaziz El Ghzizal.

CONCEPTO DE DISEÑO

Como se muestra en la Figura 1, el propósito del concepto es proporcionar un panel solar bifacial que duplique las superficies expuestas a la radiación solar para producir más energía eléctrica. El material que circula por los tubos se utiliza para refrigerar el dispositivo fotovoltaico y, además, debe ser transparente para dejar pasar el rayo solar hasta los espejos reflectantes y reflejarlo en la cara posterior del panel. Puede observarse que el sistema utiliza células fotovoltaicas bifaciales parabólicas conectadas entre sí mediante tubos. La razón de utilizar células fotovoltaicas parabólicas es reducir el coste asociado a la superficie de un sistema de energía fotovoltaica. Obsérvese que para construir el sistema propuesto se requieren células fotovoltaicas bifaciales de polímero.

Figura 1: vista lateral en 3D del panel solar bifacial parabólico

Figura 2: vista frontal en sección 3D del panel solar bifacial parabólico

Las Figuras 1 y 2 muestran la finalidad de los tubos conductores transparentes; hay dos tipos de tubos (amarillos y azules), que se utilizan para conectar entre sí las células fotovoltaicas del siguiente modo:

El tubo amarillo se utiliza para conectar las células fotovoltaicas y construir una cadena fotovoltaica en horizontal.

Los tubos azules se utilizan para conectar las cadenas fotovoltaicas en vertical. Cada cadena se conecta con la otra con un desplazamiento de ½ respecto a la célula fotovoltaica adyacente, conectando el tubo amarillo de cada cadena con el tubo azul de la otra. El desplazamiento se realiza alternativamente una vez hacia la zona inferior y otra hacia la parte superior. Obsérvese que los tubos azules van fijados en el centro de la cara posterior de la célula fotovoltaica. Los tubos (amarillos y azules) se llenan de un material que puede refrigerar la célula fotovoltaica por el centro (tubos azules) o por los extremos (tubos amarillos). Como resultado, este procedimiento mejora la eficiencia del panel fotovoltaico. Es importante señalar que el material de los tubos azules no se mezcla con el de los tubos amarillos, para evitar que el material de los tubos amarillos, expuesto al sol, aumente la temperatura de los tubos azules.

Como se muestra en la figura 3, la forma parabólica de las células fotovoltaicas y la conexión alterna de las cadenas fotovoltaicas permiten que la radiación solar llegue al espejo a través de todos los huecos resultantes de este diseño. Además, como el material y el tubo son transparentes, esto permite también que la radiación solar llegue al espejo a través de los tubos amarillos. Por tanto, el sistema propuesto puede convertir la luz solar incidente en energía eléctrica por ambas caras de la célula y generar más energía eléctrica captando el máximo de radiación.

Figura 3: el concepto de reflexión de la radiación del sistema propuesto

Retos

Sobre la base de los resultados prometedores presentados en esta invención, se sigue trabajando en las cuestiones pendientes, que se presentarán en trabajos futuros, de la siguiente manera:

• Determinar el material adecuado para los tubos transparentes. Debe poder refrigerar eficazmente el sistema propuesto y debe ser transparente. Por ejemplo, en un artículo reciente con el siguiente DOI (10.1016/j.jclepro.2018.04.057) se ha utilizado un material de cambio de fase para refrigerar un panel fotovoltaico. Sin embargo, no es transparente.
• Para construir el sistema propuesto se requieren células fotovoltaicas bifaciales de polímero. Por tanto, es imprescindible empezar buscando este tipo de células fotovoltaicas.
• Modelar el sistema propuesto con herramientas de simulación como Matlab/Simulink.
• Elegir el grado parabólico nominal para maximizar la eficiencia fotovoltaica
• Por ejemplo, la eficiencia de un panel fotovoltaico monofacial se calcula mediante la siguiente ecuación:

Aquí, I(t) es la intensidad de la luz, que puede definirse como irradiancia (E), es decir, la potencia de la radiación electromagnética por unidad de superficie incidente sobre una superficie, y A es el área de la superficie de la célula solar de silicio. Por tanto, es necesario modelar una ecuación que permita calcular la eficiencia del sistema propuesto.

La dependencia de la eficiencia de la célula solar respecto a la temperatura se modela mediante la siguiente ecuación para un panel fotovoltaico monofacial:

Aquí, ηc y ηTref son las eficiencias de la célula solar a la temperatura de la célula y a temperatura ambiente, respectivamente, β0 es el coeficiente de temperatura de la eficiencia (0,004 K−1), y Tc y Tref son la temperatura de la célula y la temperatura de referencia de la célula solar, respectivamente. La cantidad (Tc−Tref) aumenta con la temperatura de la célula y, en consecuencia, la eficiencia del panel fotovoltaico monofacial disminuye. Por tanto, también es necesario modelar la dependencia de la eficiencia de la célula solar respecto a la temperatura del sistema propuesto.

6.La tarea más difícil es construir el primer prototipo del sistema propuesto. Después, calcular la eficiencia del sistema propuesto y compararla con la de los paneles fotovoltaicos existentes.

CONCLUSIÓN

Del concepto desarrollado es posible extraer las siguientes conclusiones:

• El concepto propuesto de panel solar bifacial parabólico permite recuperar el máximo de energía solar en una superficie reducida con el sistema de refrigeración. Por tanto, esto puede garantizar la mejora de la eficiencia de conversión de energía.
• Reducir el coste asociado a la superficie de un sistema de energía fotovoltaica.
• Quedan por abordar otras cuestiones, como «¿será este concepto más eficiente que los paneles fotovoltaicos existentes?». Por ello, es necesario seguir investigando los retos mencionados en la sección 3 antes de obtener una respuesta definitiva a estas preguntas. De este modo, se abre un nuevo camino que puede dar lugar a una energía fotovoltaica más compacta y eficiente.

Enlace a la patente: https://worldwide.espacenet.com/patent/search/family/068426003/publication/MA42181B1?q=motahhir

Autor: Saad Motahhir (ENSA, Universidad SMBA, Fez, Marruecos)