Cómo reducir la temperatura del módulo fotovoltaico con perforaciones en el marco

Un equipo de investigación dirigido por científicos de la Universidad de Energía Eléctrica del Noreste de China ha investigado el impacto de la perforación del marco en la reducción de la temperatura de los paneles fotovoltaicos mediante refrigeración por aire pasiva.

"En comparación con estudios anteriores, la principal novedad de este estudio es la evaluación integral del efecto de la perforación del marco sobre el rendimiento de la refrigeración pasiva por aire, la gestión térmica y el rendimiento eléctrico de los paneles fotovoltaicos", explicó el grupo. "Se lleva a cabo un análisis detallado del campo de flujo de aire alrededor de los paneles fotovoltaicos y el campo de temperatura de los paneles fotovoltaicos, y se comparan y analizan los efectos de diferentes patrones de perforación de marcos y diferentes formas de orificios en el rendimiento térmico y eléctrico de los paneles fotovoltaicos. El objetivo principal de este documento es proporcionar una referencia para la investigación de la tecnología de refrigeración pasiva por aire de los paneles solares fotovoltaicos".

El equipo de investigación investigó 17 diseños diferentes de perforaciones de marcos mediante simulaciones tridimensionales-de dinámica de fluidos computacional (CFD).

Las simulaciones se basaron en un panel fotovoltaico (PV) de silicio monocristalino que medía 52,8 cm × 32 cm × 1,05 cm. El panel constaba de un marco de aleación de aluminio (2,5 mm de espesor), una capa de vidrio (3,2 mm), una capa de etileno{6}}acetato de vinilo (EVA) (0,5 mm), una celda fotovoltaica (0,6 mm) y un tablero (0,7 mm).

El dominio computacional fue un cubo de 0,8 m de lado y una altura de instalación de 0,4 m. La velocidad del viento de entrada se fijó en 6,0 m/s. Los lados de barlovento y sotavento del panel medían 52,8 cm, mientras que los lados izquierdo y derecho medían 32 cm. La irradiancia solar incidente fue de 900 W/m².

Para validar su modelo, los investigadores construyeron una configuración experimental utilizando un panel fotovoltaico de silicio monocristalino más pequeño con unas dimensiones de 35 cm × 23,5 cm × 1,5 cm. El panel tenía una potencia nominal de 10 W y se instaló en un ángulo de inclinación de 50 grados. Se realizaron experimentos en la ciudad de Jilin, en el centro de China, y los resultados se compararon con un modelo de simulación independiente. El análisis mostró una diferencia de temperatura promedio entre los valores simulados y medidos de solo 0,2267 grados, con una desviación máxima de un solo punto-de 0,4 grados.

Una vez validado el modelo CFD, el equipo optimizó el ángulo de inclinación para el enfriamiento pasivo, identificando 11 grados como el más efectivo. Todas las simulaciones posteriores de los casos de perforación se realizaron en esta inclinación. Los 17 diseños de perforaciones se agruparon en cuatro categorías según el número de lados perforados del marco: perforaciones de un solo-lado, de dos-lados, de tres-lados y de cuatro-lados.

Cada caso presentaba perforaciones circulares o rectangulares. Para paneles con perforaciones de barlovento y sotavento, los orificios circulares tenían un radio de 3 mm y estaban espaciados 58,68 mm; en los lados izquierdo y derecho, los agujeros también tenían un radio de 3 mm pero estaban espaciados 64 mm. Las perforaciones rectangulares midieron 4 mm × 100 mm con una separación de 107 mm, y 5 mm × 70 mm con una separación de 60 mm, según el lado.

"La caja 2 - con ocho orificios circulares de 3,0 mm de radio en el lado de barlovento - logró la temperatura promedio más baja del panel fotovoltaico (39,37 grados), la temperatura máxima más baja (42,63 grados), la distribución de temperatura superficial más uniforme, la potencia de salida más alta (24,18 W) y la mayor eficiencia de conversión fotoeléctrica (15,9%)", informaron los investigadores.

"Desde la perspectiva de la temperatura promedio de los paneles fotovoltaicos, 13 de los diseños de perforación del marco evaluados superaron al marco no-perforado (Caso 1)", agregaron. En comparación con el panel no-perforado, el diseño del Case 2 redujo la temperatura del panel en 5,44 grados. En condiciones sin-viento, el marco perforado redujo la temperatura promedio en 37,8 grados y aumentó la eficiencia de conversión fotoeléctrica en un 2,89%.

Solo tres diseños de perforaciones - Casos 3, 7 y 8 - tuvieron un rendimiento inferior al del panel no-perforado. El caso 3 presentaba orificios circulares en el lado de sotavento, el caso 7 tenía orificios rectangulares en el lado de sotavento y el caso 8 tenía orificios rectangulares en el lado izquierdo. "Al contrario de lo que se suele suponer, perforar más agujeros en el marco no necesariamente mejora el rendimiento de refrigeración de los paneles fotovoltaicos", concluyó el equipo.

Su trabajo se presentó en "Evaluación del efecto de la perforación del marco en la reducción de la temperatura del panel fotovoltaico con refrigeración por aire pasiva", publicado en Estudios de casos en ingeniería térmica. En el estudio participaron investigadores de la Universidad de Energía Eléctrica del Noreste de China, el Grupo Shengu y la Universidad de Ciencia y Tecnología de China.