DISEÑO OPTIMIZADO DE DISIPADOR DE CALOR PARA PANEL FOTOVOLTAICO

Abstract

El uso masificado de combustibles fósiles, junto con el aumento en el consumo de energía, han creado la necesidad de obtener fuentes limpias y renovables de energía. Entre estas se encuentra la energía solar, tanto térmica como fotovoltaica, siendo esta última en la que se enfoca este trabajo.Si bien existen distintas tecnologías para las celdas fotovoltaicas, todas poseen el problema de tener bajas eficiencias de conversión de energía. Es por esto que, en conjunto con Phineal SpA, se desarrolla este trabajo de investigación con el fin de obtener un dispositivo que aumente dicha eficiencia mediante la disminución de la temperatura del panel, contribuyendo así a generar un futuro más limpio.El dispositivo a estudiar es un disipador de aletas de convección natural, el cual va adherido a la parte trasera del panel fotovoltaico. Para esto se realiza una búsqueda de información, partiendo por explicar en qué consiste la energía solar y cómo puede esta ser convertida a energía eléctrica, una explicación del funcionamiento y componentes de las celdas y paneles fotovoltaicos, pasando también por tópicos de transferencia de calor tanto generales como otros más específicos para esta investigación, donde se estudian las formas de transferencia de calor, las ecuaciones fundamentales de los disipadores de calor de aletas y distintas publicaciones relacionadas con los mismos disipadores y modelos matemáticos necesarios para modelar térmicamente el panel.El proceso de trabajo consiste en diseñar un panel fotovoltaico y distintos modelos de disipadores de calor en Solid Edge para luego realizar simulaciones numéricas en el módulo de térmico transiente del software ANSYS y obtener la temperatura del panel en el tiempo. Para esto es necesario tomar datos reales de temperatura de los paneles y de radiación mediante una instalación experimental. Además, también se necesita calcular distintas variables, como coeficientes de convección, cuyas ecuaciones son obtenidas de distintas publicaciones.Se modela primero el panel fotovoltaico sin disipador de calor para validar el modelo, y luego se realizan simulaciones del panel con 12 disipadores distintos, todo esto para datos de radiación y temperatura de dos días distintos. Los resultados de las simulaciones sin disipador validan el modelo utilizado, mientras que las simulaciones con disipador de calor indican disminuciones de temperatura máxima superiores a 5 [°C] en ciertos casos. Con esto se determinó cuál es el disipador que mejor desempeño tuvo, teniendo un aumento en la eficiencia de 12,44% a 12,81% para el primer día y de 13,36% a 13,68% para el segundo día, en el momento de temperatura máxima.Con lo anterior se determinó que el uso de un disipador de calor diseñado correctamente de acuerdo a las condiciones ambientales y de operación de los paneles fotovoltaicos, efectivamente disminuye la temperatura de estos, ayudando así a aumentar la eficiencia de las mismas.Por último, el disipador que mejor desempeño tuvo se simula nuevamente junto al panel, sin embargo al conjunto del panel-disipador se agrega un material de unión, con características de conductor térmico, entre ambos con el fin de obtener resultados más cercanos a la realidad. Con esto se obtuvieron aumentos menores en la eficiencia, por lo que se debe tener especial cuidado en la selección del material de unión.The massive use of fossil fuel, along with the rise in the consumption of energy, created the necessity of getting clean and renewable energy sources. Among them we can find solar energy, as thermal or photovoltaic, being the last one in which this paper is focused.Many different technologies exist for making photovoltaic cells, but all of them carry the same problem of having low conversion efficiencies. Thus, together with Phineal SpA, this investigation work is developed in order to obtain a device that increases the efficiency through lowering the temperature of the photovoltaic panel, helping that way to generate a cleaner future.The device on study is a natural convection plate fin heat sink, which is stuck in the backsheet of the photovoltaic panel. To do this, a research is made, beginning with an explanation of what is solar energy and can it be converted into electric energy, an explanation of the operation and components of photovoltaic cells and panels, also reviewing of some, general and specific to this investigation, heat transfer topics, where the heat transfer forms, fundamental equations of plate fin heat sinks and different papers related with the same heat sinks and mathematical models, needed to make a thermal model of the panel, are studied.The workflow consists in designing a photovoltaic panel and different versions of heat sinks in Solid Edge in order to make numerical simulations in transient thermal model of ANSYS, and then obtain the temperature of the panel over time. To do this, real data of the panel temperature and radiation is needed, which is obtained through a real-time data acquisition system. In addition to that, values for different variables are needed, such as convection coefficients whose equations are obtained from different papers.First, the photovoltaic panel is modeled without the heat sink to validate the model, and then 12 simulations of the panel with different heat sinks are run, all of them with temperature and radiation data of two different days. The results of the simulation of the panel without heat sink validate the used model, while the simulations with heat sink show decreases of the maximum temperature higher than 5 [°C] in some cases. With these results, the heat sink with the best performance is determined, having an efficiency increase from 12,44% to 12,81% for the first day and from 13,36% to 13,68% for the second day, in the moment when maximum temperature occurs.In view of the above, is determined that the use of a heat sink correctly designed according to the environmental and operating conditions of the photovoltaic panels, effectively decreases the temperature of them, helping that way to increase their efficiency.Finally, a new simulation of the panel and the heat sink with best performance is run, but in this case a layer of a union material, with thermal conductive characteristics, is added between the panel and the heat sink in order to obtain more realistic results. With this, the efficiency increases were lower. Therefore, special care must be taken when selecting the union material.