CAPITULO I: INTRODUCCION
I.1.- Células y módulos fotovoltaicos
1.- Introducción
Efecto fotovoltaico: consiste en la generación de una fuerza electromotriz en el
metal al ser iluminado; la célula fotovoltaica (de silicio cristalino las más extendidas)
convierte radiación solar en energía eléctrica
2.- Características eléctricas
En la célula solar típica, la corriente generada en el semiconductor es extraída
por los contactos colocados en las caras anterior y posterior; al conectar éstos a un
circuito exterior conseguimos hacer circular por éste una intensidad I(A)
La curva I-V de una célula solar se puede obtener a partir del circuito
equivalente de dispositivo
La curva ideal de la célula se ve alterada por tres factores:
a) Factor de idealidad (m): toma valores entre 1 y 2 (1 en el caso ideal)
b) Resistencia en serie (Rs): resistencia interna de la célula, se debe a la resistencia
de los contactos y del propio material semiconductor
c) Resistencia en paralelo (Rp): se debe a imperfecciones en la unión p-n (Si tipo n
cargado positivamente y Si tipo p cargado negativamente)
Parámetros de funcionamiento: (para una célula solar)
- Intensidad de cortocircuito (Isc,cel): intensidad que se obtiene de la célula
cuando, en ausencia de cargas externas y tras haber sido cortocircuitada en
sus terminales, la tensión en bornes es nula.
Valor típico: 10 - 40 mA/cm2 célula
- Tensión en circuito abierto (Voc,cel): máxima tensión que puede obtenerse
de la célula cuando no hay conectado ningún consumo y la intensidad que
circula es nula.
Valor típico: 0,6 V
- Potencia máxima o potencia pico (Pcel): potencia máxima que puede generar
la célula bajo unas condiciones estándar de radiación incidente
, ,cel p cel p celP I V= ×
Estos parámetros son también válidos para caracterizar módulos
fotovoltaicos, ya que éstos están constituídos a partir de un conjunto de células
solares.
3.- Efecto de la temperatura
Cuando se produce un aumento de temperatura, la tensión de circuito
abierto disminuye (2,3 mV/ºC para el silicio); sin embargo, la intensidad se
mantiene prácticamente constante (en realidad aumenta ligeramente: 1,5 mA/ºC
para el silicio), esto supone que al aumentar la temperatura disminuya la
eficiencia (0,5%/ºC para el silicio)
4.- Efecto de la irradiancia
La intensidad de cortocircuito de una célula solar es directamente
proporcional a la intensidad de iluminación incidente; en cambio, la tensión en
circuito abierto no experimenta grandes variaciones al modificarse las
condiciones de radiación solar
Como consecuencia de lo anterior, la potencia generada es prácticamente
proporcional a la irradiancia. Consecuencias:
a) La proporcionalidad con la irradiancia permite el cálculo de la producción
diaria fácilmente
b) La estabilidad de las tensiones facilita el diseño de módulos para conseguir
tensiones determinadas aunque las irradiancias sean pequeñas. A pesar de
esto, para irradiancias menores de 200 W/m2 la producción de las células de
silicio es prácticamente despreciable.
I.2.- Análisis energético de un panel fotovoltaico
Para la realización de este análisis sería necesario tener en cuenta todos los
intercambios energéticos que tienen lugar entre el panel y su entorno; en general, con el
fin de simplificar el cálculo, se determina la temperatura del panel a partir de la
expresión siguiente:
20 [1.1]800
TONCTp Ta I−= + ×
Tp: temperatura de panel (K)
Ta: temperatura ambiente (K)
I: irradiancia (W/m2)
TONC: Temperatura de Operación Nominal de la Célula (K)
Este desarrollo no considera la influencia de la velocidad y dirección del viento,
ni otros factores como los intercambios energéticos en onda larga, las características
térmicas del panel, los intercambios por conducción…, siendo inapropiado su uso en
dos situaciones fundamentalmente:
- Altas velocidades de viento (superiores a 10 m/s)
- Bajas velocidades de viento, al disminuir el nivel de irradiancia el error de la
estimación aumenta
Por todo esto se propone un nuevo modelo térmico extraído del proyecto fin de carrera:
“Optimización de instalaciones fotovoltaicas con conexión a red”, realizado por Ángel
Sáez Ramírez; en él se desarrolla un modelo térmico que contabiliza el efecto de la
velocidad y dirección del viento así como los intercambios radiantes de onda larga con
el cielo.
La relativa complejidad del modelo impide deducir una única ecuación equivalente a la
anterior; no obstante, para cálculos simplificados propone la siguiente expresión:
/ 2 (2.8 3.0· 0.93· )· [1.2]2.8 3.0·
I Vv hrd TaTpVv hrd
+ + +=
+ +
Si analizamos los términos de la expresión anterior:
Tp: temperatura de panel (K)
Ta: temperatura ambiente (K)
I: irradiancia (W/m2)
Vv: velocidad del viento (m/s)
hrd: coeficiente de radiación (W/m2·K), se define como:
3
4· · · [1.3]2p
Tp Tcielohrd σ ε + =
εp: emisividad del panel fotovoltaico
Tcielo: temperatura de cielo (K), a su vez, este parámetro lo definimos como:
1
2 4273.15 273.15· 0.711 0.56· 0.73· 0.013·cos(15· ) [1.4]100 100 t
Tr TrTcielo Ta h − − = + + +
Tr: temperatura de rocío (K)
ht: hora desde el mediodía
La validez de este segundo modelo queda restringida a aquellas situaciones en
las que la velocidad del viento sea paralela al panel.
Además, permite advertir que la temperatura del panel alcanza valores inferiores a la
temperatura ambiente bajo niveles de irradiancia reducidos (inferiores a niveles de 150-
250 W/m2)
También permite deducir que para altas velocidades de viento, los efectos convectivos
predominan en los intercambios energéticos, mientras que a bajas velocidades de viento
los efectos predominantes son los de radiación en la banda del infrarrojo.
En consecuencia:
- Para velocidades de viento elevadas, la temperatura del panel es del orden de
la del ambiente, sobretodo cuando el nivel de irradiancia toma valores no
elevados (<300 W/m2). Al aumentar el nivel de irradiancia (valores en torno
a 800 W/m2) la diferencia máxima entre la temperatura del módulo y la
ambiente ronda los 15ºC
- Para velocidades de viento reducidas, la temperatura del panel depende
fundamentalmente del nivel de irradiancia, de la temperatura ambiente y de
los intercambios de radiación por onda larga, pudiendo haber diferencias
entre el módulo y el ambiente de hasta 35ºC; éste será el caso con el que
trabajaremos nosotros
I.3.- Materiales de cambio de fase (pcm’s)
1.- Introducción
El almacenamiento de energía en general, y el de energía térmica en particular
(TES: termal energy storage), es en la actualidad una preocupación creciente para el
desarrollo de la tecnología moderna, debido a la gran cantidad de energía generada y
transportada en forma de calor.
La idea fundamental de los sistemas TES es la de poder gestionar la energía:
almacenarla cuando está disponible y es abundante para poder usarla en el caso opuesto:
cuando es escasa. Es el caso, por ejemplo, de las instalaciones solares.
Existen tres formas de almacenar la energía térmica:
1.- Termoquímica: La energía térmica es absorbida o liberada mediante la rotura
o formación de enlaces moleculares en reacciones químicas.
2.- Calor sensible: La gestión de la energía se realiza mediante cambios en la
temperatura del material de almacenamiento, sin modificación de su estado de
agregación. Generalmente se emplea agua líquida, aunque también existen sólidos de
almacenamiento de energía en forma de calor sensible; son los lechos rocosos y
cerámicos. La cantidad de energía almacenada depende, en este caso, del calor
específico del material, del cambio de temperatura producido y de la cantidad de
material de almacenamiento.
3.- Calor latente: Trata de aprovechar el proceso de cambio de fase de los
materiales.
2.- Almacenamiento de energía en forma de calor latente
En este caso la energía térmica es acumulada o liberada en los procesos
reversibles de cambio de fase que tienen lugar en los materiales de almacenamiento:
PCMs.
El cambio de fase de sólido a líquido es el más utilizado, con ello se solucionan
los problemas que se originan al trabajar con gases. Entre éstos destaca el elevado
volumen de la fase vapor, que llevaría a la necesidad de grandes espacios para contener
el material de cambio de fase.
Además aparecerían problemas derivados del aumento de la presión, debido al
incremento del volumen específico al producirse la evaporación. Esto provoca:
a) Necesidad de materiales de gran calidad, capaces de aguantar cargas
importantes, y por tanto de precio elevado.
b) Problemas de fugas, la probabilidad de que aparezcan aumentan cuando se
trabaja con gases a altas presiones
Características del proceso
Los procesos de cambio de fase tienen dos características que los hacen muy
interesantes para el almacenamiento de energía térmica:
- Calor de cambio de fase por unidad de masa elevado; esto es importante para
reducir el material de cambio de fase necesario para absorber una cantidad de
calor determinada.
- Temperatura constante durante el cambio de fase.
Calor de cambio de fase
El calor latente de un material es habitualmente mucho mayor que su calor
sensible.
La cantidad de energía en forma de calor almacenada ya sea de forma sensible o
latente se expresa por:
; [1.5]; [1.6]
s v
L sl
Q m c T calor sensibleQ m h calor latente
= × ×∆= ×∆
Q: energía total almacenada o cedida por el módulo fotovoltaico (kJ)
m: masa de material (kg)
cv: calor específico (kJ/kgºC)
∆T: salto de temperatura sufrido por el material
∆hsl: variación de entalpía implicada en el cambio de fase (kJ/kg)
Dado que ∆hsl>> cv, al almacenar una cierta cantidad de energía en forma de
calor latente en lugar de sensible se consiga una reducción de la cantidad de material
necesario; esto hecho justifica por si solo la realización de este análisis.
Intercambio de calor
Se desea que la transferencia de calor principal se produzca durante el proceso
de cambio de fase; por esto debemos tener en cuenta lo siguiente:
1.- Los procesos de carga y descarga no son iguales.
1.1.- Carga: El fenómeno dominante es la convección; la primera zona
que cambiará de sólida a líquida será la que está en contacto con la superficie de
transferencia.
1.2.- Descarga: El fenómeno dominante es la conducción; la primera
zona que volverá al estado sólido será la que se encuentra en la zona adyacente a la
superficie de transferencia.
2.- El análisis de la transferencia de calor cuando existe cambio de fase se
complica debido a que la posición de la frontera sólido-líquido es función del tiempo.
Esto hace que la determinación de esta posición forme parte del problema y no sea un
dato.
3.- Materiales de cambio de fase (PCMs)
El término PCM se utiliza normalmente como una abreviación de “phase change
material”, que significa material que cambia su estado de agregación.
Mientras se produce el cambio de sólido a líquido el material absorbe una cierta
cantidad de calor, denominada calor latente, este fenómeno se produce a temperatura
constante.
Cuando ocurre el proceso inverso (cambio de líquido a sólido) se libera la energía
almacenada, también a temperatura constante. Fuera de este rango de cambio de estado
el material se comporta de manera convencional (almacenando o liberando una cierta
cantidad de energía en forma de calor sensible).
Características deseables de los materiales de cambio de fase
A continuación se recogen algunas características deseables en los PCMs. No es
necesario aclarar que el material perfecto no existe, como casi siempre en estas
cuestiones de tipo técnico habrá que adoptar una solución de compromiso a la hora de
elegir el PCM apropiado.
Propiedades térmicas
- Rango estable de temperatura de cambio de fase. El valor de esta
temperatura es la propiedad más importante a tener en cuenta a la hora de
seleccionar el PCM más apropiado para nuestra aplicación.
- Alta entalpía específica de cambio de fase.
- Conductividad térmica alta en ambas fases, sólida y líquida. En la realidad
esto es bastante complicado de encontrar; por esto se trabaja con materiales
compuestos que no disminuyan mucho la capacidad de almacenar energía y
que, sin embargo, aumenten la conductividad térmica del PCM.
Propiedades físicas
- Densidad alta. Esto implica menos volumen por unidad de masa y por tanto
más capacidad de almacenamiento para un mismo tamaño. Debemos tener en
cuenta que una de las ventajas principales de estos materiales es su gran
capacidad de almacenamiento de energía utilizando poca masa de material.
- Variaciones pequeñas de densidad entre las fases, es decir, pequeñas
variaciones de volumen al pasar de un estado a otro; esto originaría
problemas de dimensionado.
Propiedades químicas
- Estabilidad. Los PCMs para nuestra aplicación estarán sometidos a muchos
ciclos de carga; debemos trabajar con materiales que no se degraden debido a
su uso reiterado.
- Estabilidad química del sistema PCM-módulo. Es importante que estos dos
componentes del equipo no tengan afinidad química para que no reaccionen
al entrar en contacto.
- No tóxicos, inflamables ni contaminantes.
Otra característica importante a la hora de seleccionar el PCM es que sea de bajo
coste, elevada disponibilidad y que no presente problemas ni limitaciones
medioambientales.
Clasificación
Se han ensayado una gran cantidad de materiales pero en la actualidad los
estudios en aplicaciones técnicas se basan en dos tipos, por sus propiedades y
aplicabilidad:
1.- Orgánicos: parafinas
2.- Inorgánicos: sales hidratadas
Comparativa
Se presenta una lista con las ventajas e inconvenientes de estos dos grandes
grupos, desde la perspectiva del almacenamiento de energía:
1.- Orgánicos:
VENTAJAS
No son corrosivos
Estabilidad térmica y química
INCONVENIENTES
Entalpía de cambio de fase menor que la de los materiales
orgánicos
Baja conductividad térmica
Inflamables
2.- Inorgánicos
VENTAJAS
Mayor entalpía de cambio de fase
INCONVENIENTES
Corrosivos
Poca estabilidad térmica
Debido a las características de los PCMs y del proceso de cambio de fase,
existen más aplicaciones además del almacenamiento de energía térmica.
Se trata de aprovechar propiedades como la capacidad de reducir los picos de
temperaturas con los que se opera, o incluso la habitual baja conductividad térmica de
los PCMs. Algunas de estas aplicaciones son:
1.- En la construcción: uno de los principales inconvenientes de los
edificios ligeros es su pequeña masa térmica, esto implica importantes fluctuaciones de
temperatura que suelen solucionarse con un gasto importante en acondicionamiento
(calefacción y aire acondicionado), o bien introduciendo de alguna forma los PCMs en
la estructura.
2.- Conservación y transporte de comida o materiales sensibles, por
ejemplo medicamentos.
3.- Protección de componentes electrónicos
4.- Precalentamiento de motores: el consumo inicial de energía es mucho
mayor cuando se ponen en marcha a bajas temperaturas, apareciendo además posibles
problemas de abrasión. Esto se puede solucionar almacenando el calor generado cuando
el motor está en marcha en un PCM y utilizarlo después para precalentar la máquina
antes de arrancar.
5.- Regulación de temperatura en trajes especiales, por ejemplo los
espaciales.
Resumiendo, pueden aplicarse a cualquier proceso en el que sea necesario
suavizar los picos de temperatura o reducir sus fluctuaciones.
4.- Parafinas
Introducción
Las parafinas son un material orgánico que se caracteriza por no tener
olor, poseer una cantidad de hidrocarburos aromáticos pequeña, dejar una cantidad de
residuos despreciables al evaporarse y encontrarse con niveles de impureza bajos; esto
hace que este producto se utilice como disolvente en un amplio rango de aplicaciones
donde los disolventes tradicionales no serían considerados o tendrían que mejorarse
para ello.
Se utilizan en actividades como el proceso de fabricación de los
neumáticos o el caucho, tratamientos de productos derivados de la madera, adhesivos,
disolventes para la extracción del aceites de semillas, limpiador doméstico,
detergentes…
Tienen un papel muy importante en la producción de lacas, pinturas, barnices y tintas,
donde son usadas como diluyente o disolvente.
También son usadas con materiales de baja calidad en reacciones de síntesis para dar
lugar a parafinas cloradas y bencenos alquilados lineales (LAB).
Propiedades importantes de las parafinas son su falta de color y olor, baja
toxicidad y biodegradabilidad.
Estructura
Las parafinas son hidrocarburos saturados que pueden ser cadenas simples,
denominadas parafinas normales o bien cadenas ramificadas, denominadas iso-
parafinas. La fórmula general de las parafinas es:
CnH2n+2
Para el almacenamiento de energía térmica se suelen utilizar las parafinas
normales ya que tienen una mayor entalpía de cambio de fase.
Las parafinas son materiales orgánicos que se pueden obtener de dos
formas:
1.- A través de un proceso de refinado de petróleo
2.- De forma sintética
Temperatura de cambio de fase
La temperatura de cambio de fase de las parafinas depende del número de
átomos de carbono que formen la molécula; al aumentar el tamaño de la cadena se
incrementa su peso molecular y por tanto aumenta su punto de fusión, de este modo se
facilita el encontrar una parafina adecuada para la aplicación deseada (ya se comentó
anteriormente que una temperatura de cambio de fase apropiada es fundamental a la
hora de seleccionar el PCM).
10
20
30
40
50
60
70
80
90
10 20 30 40 50
Nº DE CARBONOS EN LA MOLÉCULA
TEM
PERA
TURA
DE
CAM
BIO
DE
FASE
(ºC)
TEMPERATURA DECAMBIO DE FASE (ºC)
Capacidad de almacenamiento de energia
Cuando se utilizan PCMs para acumular energía térmica se hace tanto de forma
sensible como latente. La combinación de ambos es lo que determina la capacidad de
almacenamiento del material.
En el caso particular de las parafinas el calor específico es del orden de
2,1 kJ/kgºC y la entalpía de cambio de fase de 200 kJ/kg. La combinación de estos
valores hace que las parafinas tengan una excelente capacidad para almacenar energía
térmica. Al final del capítulo se incluye una tabla con las propiedades de un amplio
grupo de parafinas.
Conductividad térmica
En general la mayoría de los materiales orgánicos tienen una
conductividad térmica muy baja, del orden de 0,2 W/mºC. Las parafinas no son una
excepción. Para ciertas aplicaciones como el transporte de materiales sensibles es una
ventaja, pero al utilizarlas como acumuladores esta baja conductividad es un problema
importante ya que aunque la parafina tenga una capacidad importante de almacenar
energía es difícil transferirla.
Variación de volumen
Todos los materiales varían su densidad, y por tanto su volumen, al
cambiar de fase sólida a líquida. Para las parafinas esta variación es aproximadamente
del 10%, esto puede ser problemático en ciertas aplicaciones y debe tenerse en cuenta a
la hora de diseñar el equipo.
Otras propiedades
Existen otras propiedades que hacen aconsejable la utilización de
parafinas como PCMs:
1.- Buena estabilidad térmica: Las parafinas no pierden sus propiedades
al estar sometidas a ciclos de carga y descarga térmica, esto se debe a que no existen
reacciones químicas durante el proceso de almacenamiento de calor, ni en la propia
parafina ni con el material que la contiene.
2.- Baja corrosión: Una característica muy importante de las parafinas es
su poca afinidad química con otros materiales; por ello los problemas de corrosión son
prácticamente inexistentes, sobretodo en el material que la contiene.
3.- Bajo impacto ambiental: hoy en día es un aspecto fundamental. Las
parafinas no son tóxicas para animales o plantas y no contaminan el agua; además son
100% reciclables.
Estas tres propiedades son factores muy importantes a la hora de seleccionar las
parafinas como PCMs. También debemos incluir la consideración de otros fenómenos,
dependiendo de la aplicación:
1.- Undercooling: La solidificación se produce a menor temperatura que
la fusión.
2.- Sobrecalentamiento: Si una vez producido el cambio de fase continúa
la aportación de energía al PCM la temperatura volverá a aumentar produciéndose el
sobrecalentamiento; cuando esto ocurra habrá que tener en cuenta el punto de ignición
de la parafina (suele situarse en torno a los 200ºC). Si se alcanzan temperaturas de este
orden se pueden ocasionar graves daños a la instalación.
Tabla de propiedades de algunas parafinas
NOMBRE TEMP.CAMBIO
FASE (ºC)
DENSIDAD
(kg/m 3 )
CONDUCT
(W/mºC) PC (kJ/kgºC) SLH∆
(kJ/kg)
Parafina C14 4.5 n.d. n.d. n.d. 165
Parafina C15-
C16 8 n.d. n.d. n.d. 153
Parafina C16-
C18 20-22 n.d. n.d. n.d. 152
Parafina C13-
C24 22-24
Liq.=760
Sol.=900 Sol.=0,21 n.d. 189
Parafina C16-
C18 42-44
Liq.=765
Sol.=910 Sol.=0,21 n.d. 189
Parafina C20-
C33 48-50
Liq.=769
Sol.=912 Sol.=0,21 n.d. 189
Parafina C22-
C45 58-60
Liq.=795
Sol.=920 Sol.=0,21 n.d. 189
Parafina Wax 64 Liq.=790
Sol.=916
Liq.=0,167
Sol.=0,340 n.d. 173,6
Parafina C21-
C50 66-68
Liq.=830
Sol.=930 Sol.=0,21 n.d. 189
RT5 9 n.d. n.d. n.d. 205
RT25 26 n.d. n.d. n.d. 232
RT30 28 n.d. n.d. n.d. 206
RT40 43 n.d. n.d. n.d. 181
RT50 54 n.d. n.d. n.d. 195
RT65 64 n.d n.d n.d 207
RT80 79 n.d n.d n.d. 209
RT90 90 n.d n.d n.d. 197
RT110 112 n.d n.d n.d. 213
PPW-20 47-56 850 Liq.=0,150
Sol.=0,250 2,67 173
n-eicosane 36 840 Sol.=0,423 n.d. 240
P-116 44 Liq.=788
Sol.=817 Sol.=0,16 2,51 216
Aliphatic 60 806 Sol.=0,119 1862 n.d.
SHELL 53/54 52-54 Liq.=781
Sol.=894
Liq.=0,126
Sol.=0,231 167-3,78 251
Sunoco P166 46,7 786 Sol.=0,498 2,89 209
Comentarios sobre la tabla
- n.d.--> No disponible
- Dos medidas separadas por un guión (por ejemplo 52-54) significa que el
propio fabricante o autor del ensayo no proporciona un valor exacto.
- Los datos tanto de densidad como de conductividad térmica están dados
además de para la fase, para una determinada temperatura. Esto se debe a
que el cambio de fase en una parafina no es inmediato, sino que a medida
que cambia su temperatura varía su consistencia; sin embargo, no se han
incluido en la tabla ya que su intención es meramente orientativa.
- Cuando no se diferencia entre las fases es porque la fuente no lo hace.
5.- Aplicaciones en instalaciones fotovoltaicas
Dado que las instalaciones fotovoltaicas no requieren almacenamiento de
energía térmica, la aplicabilidad del almacenamiento de energía en forma de calor
latente está en la capacidad de regular la temperatura de los PCMs, debida al cambio de
fase.
Al limitar los picos de temperatura el comportamiento del panel mejora debido a
un doble efecto.
1. Reducción de las pérdidas. Si realizamos un balance de energía en un panel
fotovoltaico:
[1.7]PIA iv Q= +
I ↔ Irradiancia (W/m2).
A ↔ Superficie de captación (m2).
i ↔ Intensidad generada por el panel fotovoltaico (A).
v ↔ voltaje generado por el panel fotovoltaico (V).
QP ↔ Potencia térmica perdida (W). Como ya se comentó anteriormente la
transferencia de calor es proporcional al gradiente de temperatura, que se reduce al
limitar la temperatura máxima del panel.
2. Mejora del comportamiento de las células fotovoltaicas.
La respuesta de los paneles fotovoltaicos a la radiación solar viene definida por
sus curvas características de intensidad y potencia frente a tensión:
(los parámetros característicos de la curva I-V ya han sido comentados anteriormente)
El punto de trabajo viene dado por la carga que se le conecta al panel, ésta
determina el voltaje y éste la intensidad, en la curva I-V.
Estas curvas se obtienen para unas condiciones ideales que vienen definidas por:
Irradiancia = 1000W/m2
Temperatura de la célula = 25ºC
(condiciones que no se dan en la realidad)
Como también se analizó anteriormente los incrementos de temperatura de las
células fotovoltaicas afectan, sobretodo, al voltaje capaz de producir el panel y muy
poco a la intensidad:
Ya se apuntó que por cada grado que aumenta la temperatura de las células fotovoltaicas
se produce una reducción de la potencia generada del orden del 0,5%:
Resumiendo, la utilidad de rellenar un panel fotovoltaico de un PCM estaría en
su efecto refrigerante y, por tanto, de control de la temperatura de las células.