Prueba blog
En este trabajo se estudia
la integración de materiales termoeléctricos (TEG) en paneles solares híbridos
fotovoltaico térmicos (PVT) con el objetivo de aumentar su producción
eléctrica. Para ello se cuenta con una bancada de ensayo en la que pueden
operar dos paneles PVT, uno convencional y otro en el que se han integrado
módulos TEG. Las pruebas experimentales de la puesta en marcha de la bancada
has permitido validar el modelo propuesto de forma aceptable. El estudio de la
producción de energía térmica y eléctrica en una vivienda unifamiliar situada
en Zaragoza ha permitido estudiar el modelo con diferentes condiciones de
trabajo a lo largo de un año, así como el analizar la viabilidad técnica y
económica de la integración de los TEG en los paneles PVT. El desarrollo realizado
durante este trabajo ha cumplido satisfactoriamente los objetivos planteados. La
puesta en marcha de la bancada de ensayos, el desarrollo del modelo en ANSYS,
junto con el estudio técnico – económico de la configuración propuesta han
generado potenciales líneas de trabajo en el futuro.
Se ha realizado una revisión del estado actual de la
tecnología de los paneles solares híbridos y de los generadores
termoeléctricos. Los paneles PVT se han clasificado según el fluido
caloportador, la tecnología de la célula fotovoltaica y el diseño del panel, y
los materiales termoeléctricos de los generadores TEG, según el rango de
temperatura de operación. El análisis de las características de ambos equipos
ha permitido justificar la elección de los dispositivos que se han instalado en
la bancada de ensayos.
Se ha desarrollado y validado un modelo que reproduce el
comportamiento real de los paneles. El problema se ha abordado desde dos
programas distintos: EES (Engineering Equation Solver) y ANSYS.
El modelo desarrollado con EES permite realizar un estudio
preliminar de la producción de energía de una instalación solar con paneles PVT
con o sin TEG. Este modelo ha sido validado con las pruebas experimentales
realizadas durante la puesta en marcha de la bancada. Se comprueba que las temperaturas
de entrada y salida del fluido se corresponden con las calculadas teóricamente solo
si la bomba del primario está funcionando, esto es, si circula caudal. En caso
contrario, los TEG parecen operar acumulando energía térmica (en las primeras
horas) y cediendo después (una vez se ha captado energía). En los periodos que
la bomba está parada, la transferencia de calor se produce principalmente por
conducción, mientras que en el momento que se pone en marcha, predomina la
convección.
Las temperaturas de trabajo del
panel, temperatura de entrada y salida, obtenidas con el modelo son acordes a
las registradas en las pruebas a partir del momento en el que estas se
estabilizan tras la puesta en marcha de la bomba. Por tanto, los resultados
obtenidos con el modelo propuesto se consideran válidos.
Los valores de energía fotovoltaica obtenidos en el modelo
son aproximadamente un 15% superiores a los reales. Se comprueba que ambos
valores siguen la misma línea de tendencia para las mismas condiciones de
irradiancia y temperatura. Por tanto, se concluye que esta diferencia se debe a
que únicamente se han considerado las pérdidas de potencia correspondientes a
la temperatura de trabajo de la célula.
El comportamiento del modelo no es concluyente en la
producción eléctrica de los TEG integrados en el panel. Durante las pruebas no
se han dado situaciones donde se produzcan diferencias de más de 50ºC entre la
temperatura de la tubería de entrada y la temperatura de la tubería de salida
del panel, foco caliente y foco frío de los generadores termoeléctricos. Además
se considera que la solución adoptada
para integrar los TEG con las tuberías del colector no permite un flujo
constante y homogéneo en toda la superficie de los TEG, y por tanto, no trabajan
en óptimas condiciones.
Está pendiente la instalación de los medidores de tensión e intensidad a la salida de los TEG, de forma
que las mediciones puedan registrarse en el sistema de adquisición de datos al
igual que resto de valores. Con esta medida se podrán contrastar más datos para
confirmar las conclusiones de este apartado.
Se propone continuar la realización de pruebas una vez que
se haya automatizado el registro de mediciones en los TEG para contrastar lo
indicado, y en caso de que no se obtengan mejores datos con saltos de
temperatura mayores, se propone modificar la ubicación de los TEG en la
instalación solar.
En
el desarrollo del modelo en ANSYS se han llevado a cabo las siguientes
actividades: creación de la geometría en 3D del panel PVT con el módulo Design
Modeler, y obtención de un mallado de calidad adecuada para ser exportado a
Fluent, con objeto de simular el comportamiento termodinámico del panel. En
este momento, este objetivo no ha quedado concluido. El modelo generado en
ANSYS es un camino que se deja abierto[PG1] .
Se ha estudiado la
producción de energía en una vivienda unifamiliar situada en a lo largo de un
año utilizando el modelo de EES validado. El análisis se ha realizado para dos
escenarios, el primero se corresponde con una instalación solar híbrida
convencional, y el segundo, con una instalación solar híbrida cuyo panel PVT
integra los módulos TEG. La simulación estima una cobertura solar térmica del
61%, una cobertura solar fotovoltaica del 28%, y una cobertura TEG eléctrica
del 5%, lo cual implica evitaría la emisión de 1.304 kg de CO2 a la
atmósfera.
Tras el análisis
económico de ambos escenarios se concluye que tal y como está pensada la
integración de los TEG en el panel PVT, esta no es rentable económicamente,
aunque si lo sea técnicamente de forma muy artesanal. Además, se ve complicado
que el proceso de integración de los TEG se pudiera automatizar.
1.1
Líneas de trabajo futuras
Como resultado de los trabajos realizados durante la puesta
en marcha de la bancada se propone una campaña de pruebas. Previo a su inicio,
se considera necesario completar el sistema de monitorización con el registro
de los valores de tensión e intensidad generados en los TEG durante los ensayos
con la bancada. Para ello es necesario instalar los medidores de tensión e
intensidad, y a su vez, conectarlos con el sistema de adquisición de datos
existente.
La primera campaña de pruebas propuesta consiste en hacer trabajar
al conjunto panel PVT+TEG en periodos estables de tiempo (de en torno a 8 minutos)
en los cuales las condiciones iniciales de irradiancia, temperatura ambiente,
velocidad de aire, caudal y temperaturas de entrada y salida deberán permanecer
dentro de un rango determinado de estabilidad (por ejemplo que la irradiancia
no varíe en ± 50 W/m²).
Se seleccionarán distintas temperaturas de entrada del
fluido para el panel PVT+TEG en intervalos de 5°C para todo el rango de
temperaturas de trabajo (desde 20°C a 80°C). Para cada una de ellas se
registrarán los datos meteorológicos, del propio panel PVT y de los de los
módulos TEG. Al mismo tiempo, y manteniéndose los mismos periodos estables, se
realizará el mismo proceso, pero esta vez a un panel PVT únicamente.
Posteriormente se recopilarán los datos recogidos para estudiar:
-
la influencia de los módulos TEG en el
rendimiento global del panel híbrido PVT.
-
la potencia eléctrica generada de cada uno de
los módulos TEG para las distintas condiciones iniciales.
-
como varía el gradiente de temperaturas en los
módulos TEG para las distintas temperaturas de entrada.
La segunda campaña de pruebas consistirá en estudiar la
influencia de la variación
en el caudal [PG2] que
recorre el panel PVT+TEG sobre la potencia eléctrica generada por los módulos
TEG. Manteniendo unas mismas condiciones iniciales (irradiancia, velocidad del
aire y temperatura ambiente) se variará el caudal en intervalos constantes y se
recopilarán los datos de voltaje e intensidad de los módulos TEG.
Se realizarán medidas (tercera campaña de prueba) a lo largo
de varios periodos del año con condiciones climáticas distintas (cielo azul,
cielo difuso y cielo gris) variando los distintos parámetros de trabajo
(temperatura de entrada y caudal).
Si las temperaturas de trabajo de los TEG no alcanzan los
valores esperados a causa de su ubicación actual, se propone cambiarlos de
sitio. Tan e igual de importante es la diferencia de temperaturas entre los
lados caliente y frío, como la disipación del calor de la fuente caliente
cuando llega al lado frío. La propia empresa de los TEG dispone en su catálogo
un radiador para situar los TEG. El radiador presenta una entrada de agua para
el foco caliente, y otro, para el foco frío, de tal forma que se hace circular
el agua sobre la superficie del TEG. Con este dispositivo se prevé una
transmisión de calor muy efectiva. La entrada de tubería para el foco caliente
se conectaría de forma que el fluido que sale del colector pase a su través, y
la tubería de entrada para el fluido frío, con el agua de red antes de entrar
en el depósito. De este modo, se obtendrían los máximos saltos de temperatura
posibles en la instalación.
El
modelo desarrollado con ANSYS ha supuesto un reto muy grande. En muchas
ocasiones ha sido un proceso de ensayo – error, lo cual me ha permitido
un alto nivel de aprendizaje pero con unos resultados finales no concluyentes.
El modelo queda como una línea de trabajo abierta, cuyo resultado permitirá
tener conocimiento del comportamiento térmico de los colectores solares, así
como analizar la influencia que tiene la inclusión de los TEG en el interior de
los paneles PVT.
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