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    Fotosíntesis y fotoconversion de la luz solar

    el 2015/07/31 en Energía Solar Fotovoltaica, Energías Renovables, Formación / eLearning, Ingeniería / Consultoría, Solar Térmica

    Hasta el presente en los diferentes estudios realizados sobre el tema, se le ha prestado poca atención al valorar y caracterizar la luz solar como fuente de energía (Fig. 1), a su peculiar estado de agregación. Se trata, en esencia, un gas de fotones de amplio espectro de frecuencias, lo que le concede un carácter muy entrópico.

    BM10_F1_Luz solar

    Fig.1. Luz solar.

     Con una marcada vocación docente, el trabajo ha sido concebido para brindarles a los lectores un objeto de estudio novedoso. Más aun, de mostrar con claridad el escenario al que la humanidad debe aspirar. A esto se añade el hecho de que, temáticamente, la relación entre estas disciplinas, especialmente entre la física y la biología es muy intensa, hecho que desafortunadamente parece ignorarse y el cual, sin embargo, el tema tratado pone de manifiesto con mucha claridad.

    Curiosamente, y esto es muy importante, en la medida que el nivel de vida de un país es mayor, el impacto ambiental de la trayectoria de vida de un ser humano es mayor.

    En los últimos años, muchos trabajos muestran  de forma muy dramática aspectos de la degradación ambiental. Es solo una muestra del creciente interés que en el mundo despierta este tema vital. Este razonamiento lleva directamente a una conclusión: trabajar con tesón y conocimiento de causa en este sentido podría tener una elevada significación conservacionista. Es ésta una forma de luchar por la conservación de la bio-diversidad y el medioambiente de nuestro planeta.

    En relación con un programa docente, y como un resultado adicional, se puede afirmar que por esta vía se le facilita a los estudiantes y lectores, en grado sumo, la comprensión de tres materias: física, química y biología.

    BM10_F2_Física_químca_biogía

    Fig. 2. Materias: física, química y biología.

    El célebre efecto fotoeléctrico, con toda la actividad experimental y teórica que se le asocia, se ubica en los cimientos mismos de la mecánica cuántica, que es lo mismo que decir de la física moderna. Por esta razón, la comparación entre el mecanismo cuántico de funcionamiento de una celda solar, un elemento artificial resultado de la física del estado sólido, su capacidad de absorber los fotones con un carácter espectral, y el de la absorción espectral de los propios fotones en el proceso de fotosíntesis que tiene lugar en una planta, resulta de sumo interés (Fig. 3).

    BM10_F3_Fotoconversión y fotosíntesis de la luz solar

    Fig. 3. Fotoconversión y fotosíntesis de la luz solar.

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    La radiación solar y la estación SOLMET

    el 2015/07/21 en Bioclimatismo, Calefacción y Refrigeración, Energía Solar Fotovoltaica, I & D / Innovación, Solar Térmica

    La utilización en gran escala de la energía solar en los diferentes países está ligada a la solución de toda una serie de tareas tecnológicas y a la disponibilidad de la energía solar. Las instalaciones solares tanto térmicas como fotovoltaica requieren una modelación matemática detallada y para ello es necesario disponer de información sobre la energía solar en la superficie de la Tierra.

    El disponer de registros de radiación solar fiables y contrastados permite la estimación de la radiación solar incidente sobre una superficie inclinada, con una determinada orientación, es esencial a la hora de determinar el dimensionado y el rendimiento de una instalación destinada al aprovechamiento de la energía solar.

    Medir la radiación solar es importante para un amplio rango de aplicaciones, en la agricultura,  la ingeniería, la arquitectura, generación solar de electricidad, instalaciones y equipos solares, modelos de predicción del clima, investigación y desarrollo de tecnologías solares, etc.

    El estudio del comportamiento y los ensayos de los dispositivos solares térmicos y fotovoltaicos  conllevan la necesidad de su caracterización en laboratorios, el tratamiento de la data experimental y el registro de las magnitudes actinométricas y meteorológicas en estaciones tipo SOLMET (Fig. 1).

    B07F01_Estaciones meteorológicas

    Fig. 1. Estaciones actinométricas y meteorológicas.

    Se impone así la necesidad de realizar mediciones y registros de las magnitudes que caracterizan el régimen de radiación solar en estaciones con condiciones controladas. Una estación actinométrica permite disponer de datos de horas de Sol (Heliografos, Fig.2), radiación solar global,  difusa y directa (Piranómetros y Pirheliómetro, Fig. 3)  temperatura y humedad relativa del aire, presión atmosférica y velocidad y la dirección del viento.

    B07F02_Heliografos anallógicos y digitales

    Fig. 2. Heliógrafos analógicos y digital.

          B07F03_Piranometros_pirheliómetros

    Fig. 3. Piranómetros y Pirheliómetros.

    La Estación deberá estar integrada por instrumentos de alta tecnología, con certificados de calibración ISO, gran fiabilidad y alta precisión que de forma automatizada  registre y procese las magnitudes medidas.

    Estación SOLMET, es una estación con un grado de fiabilidad suficiente para servir de referencia en un área geográfica dada con vistas al aprovechamiento e investigación de la energía solar.

    Para alcanzar este objetivo, además de los equipos e instrumentos de la estación es necesario la formación de técnicos con alto nivel de profesionalidad que dominen los campos siguientes:

    • Cinemática solar;
    • Conceptos actinométricos;
    • Mantenimiento y calibración de los instrumentos y sensores;
    • Software de uso común en la actinometría especializada;
    • Dominio de las técnicas de control automático para garantizar la operación y autonomía de los equipos y registradores a lo largo del tiempo.

    Referencias

    1. Alvarez-Guerra, M. et al. “Manual de radiación solar para la República de Cuba”. Editorial ACC. La Habana, Cuba, 1992. ISBN: 959-02-0014-1.
    1. Alvarez-Guerra, M. ; Massipe Hernández, J.R., et al. “La Estación  Actinométrica  del  CIES   elevada  a Estación SOLMET“. Energía, 2,1992. ISSN:1028-9925.
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    La Termodinámica solar y la encíclica del papa Francisco

    el 2015/07/17 en Biomasa, Energía Eólica, Energía Hidroeléctrica, Energía Solar Fotovoltaica, Geotérmica, I & D / Innovación, Solar Térmica

    BM09_F1_Encíclica papalLa encíclica del Papa Francisco Alabado… (Fig. 1) le concede especial importancia a la afectación que le ocasiona a nuestro planeta y a sus recursos de vida la acción del hombre. Esto es particularmente así cuando la afectación es debida al uso de armas de destrucción masiva.

    Fig. 1. Portada de la encíclica del papa Francisco.

    En este sentido se debe enfatizar el hecho de que, además del uso de las bombas como tales, son particularmente dañinos los procesos de producción del llamado material fisionable que en ellas se utilizan.

    Han resultado particularmente degradantes  para nuestra Tierra los procesos de producción de armas nucleares. Los proyectos nucleares de EEUU (proyecto Manhattan) y la Unión Soviética en la década de los cuarenta son un buen ejemplo de esto. Curiosamente, el estudio desde el punto de vista conceptual del uso de la luz solar como fuente de energía, proporciona el aparato conceptual adecuado para el análisis de este problema. En efecto, hasta el presente no se enseña con suficiente claridad en los cursos de termodinámica de las carreras universitarias y aun en los cursos de nivel medio superior, que el colosal desequilibrio potencial que se logra al fabricar una bomba atómica, por ejemplo, se logra al precio de una enorme compensación termodinámica.

    Zonas enteras del mundo han resultado afectadas en el afán de obtener productos nucleares. A su vez, cuando la bomba es detonada se desencadena  un proceso de cinética nunca antes vista. El grado de irreversibilidad del proceso se manifiesta en los conocidos tres efectos destructivos de la bomba: un huracán de velocidad del orden de cientos de km por hora, un huracán de fuego y otro radioactivo, (Fig.2).

    BM09_F2_TD_encíclica papal

    Fig. 2. Representación de un huracán y la explosión de una bomba átomica.

    Explicado de esta forma, el tema es perfectamente comprensible para un alumno del nivel medio superior. Sin embargo, nunca se enseña termodinámica de este modo. Esta es, en última instancia solo un ejemplo de la forma de educar a las futuras generaciones que la Encíclica del Papa  Francisco pide de nosotros.

    Lo anteriormente señalado a modo de ejemplo es solo una expresión del criterio defendido en nuestra interpretación de la Encíclica de que el mundo exige para su supervivencia un cambio radical de las concepciones docentes vigentes y más aun de los temas que forman parte de los planes de estudio. En esta nueva concepción de la docencia ha jugado un papel fundamental el estudio de  la termodinámica de los concentradores solares, especialmente el vínculo esencial que se pone  de manifiesto en este estudio entre óptica y termodinámica de la luz solar (Fig.3).

    BM09_F3_Termodinámica concentradores solares

    Fig. 3. Portada del libro Termodinámica de los concentradores solares.

    El milagro de la creación interpretado a través de nuestro Sol.            

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    La luz solar y la vida en el planeta

    el 2015/07/01 en Energía Eólica, Energía Solar Fotovoltaica, Energías Renovables, I & D / Innovación, Solar Térmica

    Se destaca los fuertes vínculos existentes entre la astronomía, la meteorología y la ingeniería del aprovechamiento de la luz solar como fuente de energía. No obstante, es importante destacar también y tratar con algún grado de detalle, la importancia de la luz solar para la vida en el planeta, vista esta relación desde el punto de vista más general y con la segunda ley de la termodinámica como elemento de análisis.

    Son tres los temas abordados, dos de ellos de forma comparativa, la fotoconversión de la luz solar (Fig. 1) y la fotosíntesis (Fig.2). Se trata de destacar el hecho de que, dado que la luz solar tiene como fuente de energía un carácter omnipresente que la relaciona con la vida de los animales y con la vida de las plantas, se debe trabajar esforzada y ordenadamente por lograr un escenario en el que el área del planeta dedicada a la vegetación, los cultivos incluidos, se complemente, fundamentalmente, con campos de celdas solares y los captadores térmicos. Todo ello debe ser alcanzado en gran escala de modo que la luz solar juegue el papel que le corresponde en el balance energético de las diferentes regiones del mundo.

    BM08_F1_Aprovechamiento de la luz solar

    Fig.1. Fotoconversión de la luz solar.

    No se trata precisamente de exponer con extensión excesiva los fundamentos de la fotoconversión ni de la fotosíntesis de la luz solar.

    BM08_F2_Fotosíntesis de la luz solar

    Fig.2. Fotosíntesis de la luz solar.

    No obstante, se presentan algunos elementos mínimos de física del estado sólido que permitan adquirir  una visión elemental, sencilla, pero rigurosa, del principio de funcionamiento de una celda solar. De igual modo, se describe el proceso de la absorción de los fotones solares en el esencial proceso de la fotosíntesis.

    Se trata, sobre todo, de mostrar, comparativamente, los mecanismos de acción de la absorción fotónica tanto en un proceso como en otro. Y en el fundamento mismo del tratamiento está la segunda ley de la termodinámica, principio de la física y de la ciencia en general que parece subyacer en el centro mismo de la naturaleza y de la vida. Más aun, la segunda ley de la termodinámica, específicamente el principio de degradación de la energía que de ella se deriva, ha de resultar un elemento clave para  la preservación de los recursos de vida del planeta y de la vida misma.

    Otro elemento omnipresente y muy activo de la interacción de la luz solar con la vida en la Tierra, es el viento (Fig.3). Como se conoce, el viento es en última instancia un producto de la acción de la máquina térmica que es el la atmósfera, alimentada por la energía procedente del Sol. Sin dudas, junto con la biomasa, la energía eólica es una de las fuentes de energía no convencional de mayor peso relativo en el balance energético mundial.

    BM08_F3_Aprovechamiento Eólico

    Fig.4. Aprovechamiento energético del viento.

    Se trata de energía de gran valor, energía de máxima gradación, es decir de máxima calidad. Se trata de energía mecánica que puede ser convertida, en principio en un ciento por ciento, en energía eléctrica. Sin embargo, por su relación directa con la vida, el fenómeno del viento en su manifestación extrema, los huracanes, son el tema elegido para ilustrar con un ejemplo el mecanismo de acción mediante el cual la energía contenida en la luz solar se convierte en energía mecánica. La energía procedente del Sol se convierte en un proceso relativamente complejo que involucra el movimiento de rotación de la Tierra, en energía de máxima gradación, energía mecánica.

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    Fotoconversión y Termoconversión de la luz solar

    el 2015/04/19 en Energía Solar Fotovoltaica, Formación / eLearning, I & D / Innovación, Solar Térmica

    La fotosfera y la constante de Stephan-Boltzmann

    La radiación solar que llega a la Tierra procedente del Sol, en forma de luz visible procede de la fotosfera solar. Aproximadamente, se trata de un emisor de radiación de cuerpo negro a una temperatura cercana a los 6000 K. En la descripción de este proceso de transferencia de calor, la ley de Stefan—Boltzmann, la cual describe la emisión de radiación, juega un papel esencial

     La obtención de la fórmula de la constante de Stephan –Boltzmann solo es posible mediante la aplicación de métodos propios de la física estadística. La termodinámica clásica no permite obtener este resultado, en rigor, solo permite concluir que el cuerpo negro emite energía por unidad de tiempo proporcionalmente a la cuarta potencia de la temperatura absoluta T(K).

     La termodinámica estadística va más allá de esto, proporcionado la fórmula deseada. El efecto útil de este resultado, no consiste solo en  la obtención de la fórmula como tal, sino también en el hecho de que, a lo largo de la demostración, se puede apreciar con claridad el vínculo esencial existente entre las dos opciones de utilización de la luz solar como fuente de energía: la térmica y la fotovoltaica.  La solución de la integral (1) da como resultado:

    BM04r_F3_Fórmula1

    Nótese que se trata, hasta aquí de radiación en estado de equilibrio, por ejemplo radiación encerrada en una cavidad (ver Fig. 1).

    Sin embargo, ley de Stephan—Boltzmann se refiere a un proceso de emisión de radiación. Se trata de  un caso típico de un sistema en estado de desequilibrio en el que tiene lugar un proceso de transferencia de energía por radiación y establece que “un cuerpo negro emite radiación con una potencia emisiva hemisférica total, [W/m²] proporcional a la cuarta potencia de su temperatura”

    BM04r_F1Cavidad con radiación cuerpo negro equilibrio

    Fig. 1. Cuerpo negro en equilibrio.

    Sea la misma cavidad con radiación en equilibrio en su interior, en la que se ha practicado un orificio de forma que se ha convertido en un sistema emisor de radiación. Se conoce también que, de acuerdo con la teoría cuántica, los fotones viajan a la velocidad de la luz c y que estos abandonan la cavidad en proporción directa al diferencial de ángulo solido asociado a la dirección de su trayectoria,   obviamente, como una mitad de estos fotones va en una dirección y la otra en la contraria, resulta la expresión deseada:

    BM04r_F4_Fórmula2

    donde: es la constante de Stephan–Boltzmann y es  igual a 5,6704·10-8 Wm-2K-4.

    Esta expresión puede ser escrita de una forma diferente. Para ello es necesario introducir el concepto óptico de índice de refracción, el cual se define de acuerdo con la formula:

    BM04r_F5_Fórmula3

     En realidad se trata de la inclusión en el modelo del hecho físico de que la presencia de un medio dieléctrico de índice de refracción diferente de uno, modifica la expresión de la constante de Stefan–Boltzmann para el vacio, aumentando su valor. En el caso  de la fotosfera solar como emisor de radiación de cuerpo negro, se tiene n = 1.

    Interpretación física de la demostración: foto y termo conversión de la luz solar

     A los efectos de establecer una relación conceptual entre las dos formas básicas de utilización de la luz solar como fuente de energía, la térmica y la fotovoltaica, se pone de manifiesto el carácter integral de la emisión de energía térmica que describe la ley de Stefan—Boltzmann. Se trata de reparar en el hecho de que a la emisión de energía contribuyen todos los modos de vibración presentes en el espectro de emisión.

     Conceptualmente, la diferencia entre una forma u otra forma de conversión de la luz solar reside en el hecho de que la celda solar convierte la luz solar en energía eléctrica intervalo por intervalo de frecuencia, mientras el cuerpo que absorbe la luz, se calienta mediante un mecanismo fonónico y entonces emite radiación de acuerdo con la ley de Stephan-Boltzmann.

     Desde el punto de vista espectral, esto último lo hace ya integralmente, desentendiéndose de la distribución de frecuencias. Sin embargo, y esto es lo más importante, a ella contribuyen, como contribuyen también en el caso de la conversión fotovoltaica, los modos de vibración descritos anteriormente.

    Blog4r_F2_Colector y móduloFV

    Fig.2. Colector solar plano y módulo fotovoltaivo.

     Dado que se trata de una forma menos detallada de conversión, la cual lleva implícito cierto nivel de desinformación y, por tanto, un proceso de conversión de una forma de energía en otra que tiene lugar con mayor grado de irreversibilidad, resulta esperable que el resultado final sea menos valioso, calor a baja temperatura, en contraposición a la energía eléctrica producida por la conversión fotovoltaica; una energía de máxima gradación, energía eléctrica, la que resulta del proceso de fotoconversion de la luz solar.

     

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    por naRural

    Premios Odebrecht 2014 de Perú

    el 2015/04/09 en Energía Solar Fotovoltaica, Otras Energías, Solar Térmica

    P01_F01a_Premio OderbrechtLa 5ta edición del “Premio Odebrecht para el Desarrollo Sostenible”, iniciativa de la Organización Odebrecht llevó a cabo su ceremonia de premiación a los equipos ganadores de su 5ta edición, los cuales se impusieron a más de 100 proyectos de 38 universidades  por considerar en la génesis de sus propuestas las variables económica, ecológica y social.

    http://www.premioodebrecht.com.pe/system/posts/images/76/original/150401.jpg

    Sirvan estos premios para fomentar la investigación y la innovación de nuestros estudiantes en las energías renovables y las tecnologías sostenibles.

    Los dos equipos ganadores de la edición 2014 presentaron los siguientes proyectos:

    1. Iluminación solar y purificación de agua – Universidad Nacional Mayor de San Marcos (Lima).
    2. Inti Muya – Universidad Católica Santo Toribio de Mogrovejo (Chiclayo).

    En el siguiente vídeo se muestra un resumen de los proyectos finalistas:

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    La lógica ilógica del micromundo

    el 2015/03/19 en Energía Solar Fotovoltaica, Formación / eLearning, I & D / Innovación, Otras Energías, Solar Térmica

    La lógica del micromundo incluido el átomo, el núcleo y las partículas elementales que lo constituye, como el neutrón, el protón, los mesones, difiere sustancialmente de la lógica del macromundo; el mundo en que vivimos que ha condicionado todas nuestras perfecciones del mundo circundante. A partir de las representaciones que el ser humano ha desarrollado sobre la base de sus experiencias cotidianas, es muy difícil aceptar la lógica del micromundo, es decir, la lógica de la mecánica cuántica.

    La primera cosa que es importante no dejar de repetir es que la capacidad de predicción, como teoría científica, de la mecánica cuántica se basa en consideraciones de naturaleza probabilística.

    En realidad, para  comprender el enfoque  microscópico de  Boltzmann, no es necesario estudiar  en detalle la peculiar  composición atómica.

    Desafortunadamente, los prejuicios contra el concepto de entropía  estadística han durado demasiado, casí  un  siglo. Hoy  día el concepto tiene, docentemente,  un alcance  limitado, siendo patrimonio casi exclusivo del mundo  de los  físicos  teóricos.

    Existen dos formas de percibir  la realidad, la racional y lógica propia  de la ciencia, y la intuitiva, esencialmente  subjetiva, propia  del  arte. En realidad  no es una frontera definida  lo que las divide;  hay mucho de intuición en la  ciencia  y también hay racionalidad  en el reflejo de la realidad  del  artista.

    La  obra de  Boltzmann se  ubica en el tipo de reflejo  racional de la realidad, la de  Hawking  en esa  especie de tierra  de  nadie entre lo racional y lo estético, mitad ciencia y mitad  poesía. Ambos  resultaron ser del tipo de ser  humano que, al decir del poeta guatemalteco  Roque  Dalton,  son  los  culpables  de nuestros sueños. La  muestra  plástica  que aquí se ofrece, con su obstinada insistencia  en el agobiante  tema de la  irreversibilidad  de los procesos reales, constituye  un imprescindible homenaje  a estos dos  físicos.

    Una  aclaración  necesaria

    Este trabajo constituye solo   un paso  más de los esfuerzos realizados  por los autores  para colocar el  llamado  principio  de entropía  de  Boltzmann y el enfoque  mismo del gran científico austriaco sobre  el fenómeno de la irreversibilidad, que es lo mismo que decir sobre los procesos de  degradación de los  sistemas para la vida, en el centro de  la  lucha por la  supervivencia humana.

     De lo que se trata es de intentar  resolver toda  una larga cadena de problemas actuales que en su devenir podrían conducir a un dramático escenario. Se  trata de una forma de enfocar la lucha por evitar catástrofes de todo tipo,  de mitigar  sus  consecuencias  en el caso de que ocurran, y también de enfocar  racionalmente el problema del uso  de la energía en un mundo que cada vez comprende mejor que  los recursos de que dispone son finitos y que ineluctablemente se agotaran en un futuro demasiado cercano.

    Cuba, país  donde se pueden encontrar los  antecedentes  de estas ideas, recogidas en la monografista titulada  Termodinámica de los concentradores solares, Editorial Española, resultado  bibliográfico  de un curso de postgrado de carácter  nacional que  acumula casi veinte  años de experiencias docentes y de investigación sobre  fuentes  renovables de energía; debe ser por lógica  y derecho propio .

    Una  experiencia  sacada  de  este esfuerzo  docente  es  que el proceso  de  concentración de  la luz  solar  constituye  una  forma  clara y rigurosa, muy original, de ´presentar el concepto de  entropía  de  Boltzmann”. Este enfoque debería formar parte de la docencia habitual universitaria y tecnológica.

    Más  aun, dada la sencillez  de su formulación matemática del concepto de entropía  de  Boltzmann,  que requiere solo el dominio del concepto de logaritmo y de algunas de sus propiedades  elementales, la empresa resulta en principio perfectamente  factible. La  célebre formula física:

                     S =    k · ln W

    la cual, sin tanto impacto como la relativista de  Einstein:  E = mc2, removió los cimientos de la física teórica  a principios  del  siglo XX.

    Por otra parte, ya hoy día está claro para todo el mundo que los  recursos  de que  el  hombre  dispone para  vivir  están sometidos hoy día  a  un constante proceso  de extinción y degradación que, por lo general, lamentablemente  se  manifiesta  a  un ritmo  vertiginoso. Se trata  de un proceso constante de aumento de entropía en  el mundo, integralmente considerado, como un sistema, que la supervivencia humana, en peligro,  impone  controlar con premura. Por esta  razón, la  llamada  definición estadística  de entropía, la de  Boltzmann, sin dudas, la forma  más clara de presentar  este  concepto, necesariamente  debe ser  del  conocimiento de todos.

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    Sistemas solares en los Andes del Perú

    el 2015/03/10 en Bioclimatismo, Energía Solar Fotovoltaica, Solar Térmica

    En una mañana de Septiembre de 2014, me paso a recoger a las 4.00 am, en el Hotel donde me hospedaba en la ciudad de Huancayo, Junín, Perú el profesor CarlosAñadir objeto  miembro del equipo de investigación que dirige el  Dr. Ciro Espinoza de la Universidad Nacional del Centro del Perú, con el objetivo de visitar 9 viviendas a 4000 msnm en los distritos de Yanacancha y San José de Quero de las provincias de Chupaca y Concepción de la Región de Junín del Perú,  en las cuales se instalaron colectores solares termosifónicos de tubos al vacio para el suministro de agua caliente sanitaria, un sistema fotovoltaico aislado para el alumbrado,  un muro tromble para reducir el friaje, cocinas ecológicas con evacuación de gases y un invernadero para el cultivo de hortalizas.

    La experiencia fue única e inolvidable, ver como el uso de tecnologías solares y sostenibles contribuye al incremento de la calidad de vida, salud y bienestar  a familias  en los altos de los Andes y el agradecimiento de sus pobladores es una demostración de las potencialidades y del alcance estas tecnologías.

    20140901_Perú_01a

     

    Fig. 1. Colector solar termosifónico y módulo fotovoltaico.

    20140901_Perú_03a

    Fig. 2. Vista de los sistemas solares instalados en una vivienda.

    20140901_Perú_4

    Fig. 3. Invernadero para el cultivo de hortalizas.

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    Fig. 4. Con el profesor Carlos y estudiantes colaboradores de la UNCP.

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    por Marcos

    CFD para el estudio y optimización del comportamiento térmico de paneles fotovoltaicos integrados en cubierta

    el 2015/02/23 en Blog, Energía Solar Fotovoltaica, I & D / Innovación, Ingeniería / Consultoría

    1. Introducción

    Por regla general se distinguen dos modelos de instalación sobre cubierta de paneles fotovoltaicos (FV): integrados y no integrados. La elección de uno u otro modelo depende de muchos factores, como pueden ser: criterios de diseño arquitectónico, optimización de espacios físicos disponibles en la instalación, búsqueda de la máxima eficiencia de conversión fotovoltaica, etc. Son ejemplos de modelos no integrados (Fig. 1a) los paneles fotovoltaicos instalados en viviendas unifamiliares, escuelas, hospitales, estacionamientos, etc., mientras que los modelos integrados (Fig. 1b) los podemos encontrar en cubiertas de edificios, caballerizas, almacenes, etc.

    fig01

    Figura 1. Ejemplos de modelos de instalación sobre cubierta de paneles fotovoltaicos: (a) No integrado, (b) Integrado.

    En las instalaciones integradas en cubierta, los paneles fotovoltaicos deben instalarse juntos herméticamente, sin dejar espacio entre ellos. Para conseguir el enfriamiento de dichos paneles se utiliza un canal de ventilación de aire ubicado debajo de ellos, con circulación natural o forzada. En este caso, las temperaturas máximas de los paneles son más elevadas respecto a las instalaciones no integradas, al haber menos espacio para la circulación del aire. Se conoce que temperaturas elevadas en los paneles fotovoltaicos afectan negativamente a la eficiencia de conversión fotovoltaica y por consiguiente a la generación de electricidad. Por ejemplo, en el caso de los paneles de silicio cristalino se reporta una caída de la potencia generada de hasta 0,5% por cada grado centígrado de aumento en su temperatura. En algunos casos, si el diseño es inapropiado, las altas temperaturas pueden incluso dañar la integridad física de la planta FV, afectando los propios paneles fotovoltaicos, así como sus conexiones y componentes eléctricos anexos. Los máximos valores de temperatura que alcanzan los sistemas integrados se convierten en la variable térmica más crítica del diseño. Está reportado que las temperaturas de los paneles fotovoltaicos deben mantenerse por debajo de 70 ºC (Wen I-Jyh et al, 2008).

    Otra desventaja de los modelos integrados respecto a los no integrados es la inevitable aparición de elevados gradientes de temperatura entre los paneles, a lo largo del canal de ventilación. Se conoce que las diferencias elevadas de temperatura entre cadenas de módulos FV, conectadas en paralelo, pueden provocar gradientes de voltaje que agravan aún más los problemas térmicos, generando nuevas fuentes de disipación de calor en puntos localizados.

    El diseño apropiado del canal de ventilación de aire depende de muchos factores como: el espesor del canal, la forma de su entrada y salida, su inclinación, su longitud, la forma de los marcos y separadores, las propiedades físicas de los materiales, etc. (Alain Guiavarch et al, 2006).

    La disipación de calor en los paneles fotovoltaicos combina mecanismos complejos de transferencia de calor por conducción, convección y radiación, cuya fenomenología difícilmente puede ser abordada con métodos de cálculo convencionales. Estudios de este tipo necesitan el uso de técnicas avanzadas de análisis, como son las simulaciones numéricas de alto nivel CFD (Computational Fluid Dynamics) (John David Anderson, 1995). En base a estas técnicas, en el presente trabajo se estudia el comportamiento térmico de los paneles fotovoltaicos, integrados sobre la cubierta, con el fin de proponer diseños óptimos de los sistemas de enfriamiento por aire, con convección natural o forzada, que nos permitan evitar valores críticos de temperaturas en los paneles y, por consiguiente, mejorar su rendimiento y garantizar la fiabilidad técnica del sistema.

    Las simulaciones numéricas CFD nos permiten obtener una descripción detallada de la distribución de las variables del fluido (temperaturas, velocidades y presiones). La ventaja de este tipo de estudio es que los diseños propuestos pueden ser simulados en una fracción muy reducida de tiempo, comparado al caso de tener que construir montajes experimentales, con el costo añadido que ello conlleva.

    2. Modelos de estudio

    2.1 Descripción de los casos

    fig02

    Figura 2. Modelo geométrico bidimensional, conformado por una habitáculo, sobre cuya cubierta se dispone de una cadena integrada de cinco paneles fotovoltaicos.

    En la Fig. 2 se representa el modelo geométrico estudiado. El caso corresponde a un habitáculo bidimensional en el plano x – y, cuya cubierta está inclinada 19 grados respecto del plano horizontal. El modelo bidimensional está justificado debido a que se considera que la tercera dimensión es mucho mayor en longitud respecto a las otras dos dimensiones, tal y como se presenta en aplicaciones reales. Por encima de la cubierta se ha colocado una cadena integrada de cinco paneles fotovoltaicos, que mantienen una separación de 13 cm respecto de la cubierta; dicho espacio actúa como canal de ventilación de aire.

    Tomando como referencia el modelo general de la Fig. 2, en el presente trabajo se han simulado numéricamente seis casos, que corresponden a la combinación de cuatro tipos de canales, distintos geométricamente entre sí, y a su condición de sistema solar activo o pasivo. En las Fig. 3 a 8 se describen los principales detalles de cada uno de los casos.

    fig03

    Figura 3. Caso A: Canal de ventilación con separador de aluminio de sección 3 x 3,7 cm.

    fig04

    Figura 4. Caso B: Canal de ventilación con separador de aluminio reducido de sección 3,7 cm x 7,7 mm.

    fig05

    Figura 5. Caso C: Canal de ventilación con obstáculos periódicos de sección 3,7 x 3,7 cm, ubicados en su base, y con separador de aluminio reducido de sección 3,7 cm x 7,7 mm.

    fig06

    Figura 6. Caso D: Inclusión de un canal de ventilación paralelo al canal principal, ambos están separados mediante un material aislante térmico. La longitud del nuevo canal es de 300 cm y su ancho es 3,7 cm. Se han practicado dos aperturas adicionales en el material aislante de 3,7 cm para el paso del aire. La sección del separador de aluminio reducido es 3,7 cm x 7,7 mm.

    fig07

    Figura 7. Caso E: Geometría similar al caso B, sobre la cual se ha incluido un sistema de ventilación forzada en la entrada del canal, para mantener el flujo de aire a una velocidad media de 3 m/s.

    fig08

    Figura 8. Caso F: Geometría similar al caso C, sobre la cual se ha incluido un sistema de ventilación forzada en la entrada del canal, para mantener el flujo de aire a una velocidad media de 3 m/s.

    Las principales características de cada uno de los casos se describen a continuación:

    • Caso A (Fig. 3): Sistema pasivo, cuya cubierta está inclinada 19º respecto de la horizontal. Se considera una cadena de cinco paneles fotovoltaicos, de 75 cm de longitud cada uno y de espesor 3,85 mm. Todos ellos están integrados sobre la cubierta, unidos entre sí mediante separadores de aluminio de sección 3 x 3,7 cm. Se asume una separación de 13 cm entre los paneles fotovoltaicos y la cubierta del habitáculo.
    • Caso B (Fig. 4): Sistema pasivo, cuyas características geométricas son similares al caso A, excepto en el tipo de separador de aluminio, que en este caso es reducido, con sección 3,7 cm x 7,7 mm.
    • Caso C (Fig. 5): Sistema pasivo, cuyas características geométricas son similares al caso B, excepto en la forma de la base del canal de ventilación. Con la finalidad de estudiar los efectos de turbulencias en el aire, se han agregado obstáculos periódicos en la base del canal (de sección 3,7 x 3,7 cm), separados entre sí por una distancia de 33,8 cm.
    • Caso D (Fig. 6): Sistema pasivo, basado en la geometría del caso B, sobre la cual se ha incluido un canal de ventilación paralelo al canal principal, ambos separados mediante un material aislante térmico. La longitud de este nuevo canal cubre la distancia de los primeros cuatro paneles fotovoltaicos, siendo su longitud total de 300 cm y su ancho de 3,7 cm. Con la finalidad de dar paso al aire de ventilación, se han practicado dos aperturas en el material aislante de 3,7 cm, ubicadas en las partes central y final del canal de ventilación paralelo. El objetivo del nuevo canal es obtener aire de refrigeración en las zonas finales de la cadena de paneles, bajo condiciones de temperatura de aire a la entrada.
    • Caso E (Fig. 7): Sistema activo, en este caso se repiten las características geométricas del caso B, siendo la diferencia principal la inclusión de un sistema de ventilación forzada en la entrada del canal, que nos permita mantener una velocidad media del aire en 3 m/s.
    • Caso F (Fig. 8): Sistema activo, basado en la geometría del caso C, sobre la cual se ha incluido un sistema de ventilación forzada en la entrada del canal, que nos permita mantener una velocidad media del aire en 3 m/s.

    2.2     Condiciones de modelización

    Los casos estudiados están gobernados por las ecuaciones de Navier – Stokes (conservación de la masa, cantidad de movimiento y energía). Para llevar a cabo el análisis numérico se ha hecho uso del código comercial CFD FLOTRAN, componente del software de uso general ANSYS.

    Como condiciones principales de simulación se han considerado flujo incompresible en régimen permanente, laminar o turbulento según el caso, propiedades físicas variables y geometrías bidimensionales. Todos los casos han sido validados numéricamente mediante un estudio de densificación de la malla. El estudio de validación nos ha permitido obtener los resultados asintóticos de las variables de interés: los campos de velocidad y temperatura.

    Para la partes sólidas del modelo: panel fotovoltaico, separadores de aluminio y material aislante, se han considerado las conductividades térmicas: 0,16; 209 y 0,065 W/mK, respectivamente.

    Para las condiciones de ambiente exterior lejano se considera que la velocidad media es de 1 m/s y la temperatura ambiental igual a 24ºC. Para las condiciones de irradiación, se considera que el valor medio de la potencia superficial exterior es igual a 1000 W/m2. Como valor práctico se estima que el 54,7% de la potencia superficial exterior es la cantidad que debe disipar en forma de calor cada panel fotovoltaico. Este es el valor de la radiación solar que en el panel se convierte en energía térmica, descontando las cantidades de radiación solar que se pierden por reflexión y la que se transforma en energía eléctrica.

    3. Resultados

    Para el caso A se ha obtenido el peor comportamiento desde el punto de vista térmico. El pico de temperatura se ubica en la parte final del primer panel fotovoltaico, con una valor de 109,6 ºC (Fig. 9), dato muy por encima del valor recomendado (Wen I-Jyh et al, 2008). En este panel también se obtiene el máximo gradiente de temperatura: 78,3 ºC (Fig 10). Los resultados obtenidos del mapa de velocidades (Fig. 11) nos permiten apreciar que los órdenes de magnitud de esta variable son muy bajos en la parte inferior inmediata de los paneles fotovoltaicos respecto de otras zonas, lo que repercute negativamente en el proceso de transferencia de calor y por consiguiente empeora la disipación calor. La causa principal de este comportamiento es el modelo de separador de aluminio, cuyas dimensiones obstaculizan el flujo de aire y generan zonas de estancamiento “aguas abajo” de su posición. Evaluando las zonas de aire en la parte superior del canal, expuestas al ambiente, se obtiene velocidades bajas en los primeros paneles, lo que agrava aún más la disipación de calor y condiciona a que el primer panel tenga el peor comportamiento térmico. Esto depende fundamentalmente del perfil aerodinámico del panel en la entrada del canal y de la dirección de impacto de los vectores de velocidad del aire.

    Los resultados del caso B mejoran sustancialmente los obtenidos en el caso anterior. La causa principal de esta diferencia es la modificación de la geometría del separador de aluminio. En este caso el separador ejerce una mínima obstrucción al paso del aire, desapareciendo las zonas de estancamiento de aire que se presentaban en el caso A. Es decir, con esta modificación se ha conseguido optimizar el proceso de disipación de calor. La temperatura máxima obtenida en el caso B es de 84,1 ºC (Fig. 12), mientras que el máximo gradiente de temperatura es de 46,4 ºC (Fig. 13). En la Fig. 14 se puede apreciar el flujo ininterrumpido del aire dentro del canal de ventilación, con valores bajos del campo de velocidades cerca de las partes sólidas, debido al comportamiento natural de zona de capa límite.

    En la configuración propuesta para el caso C, con obstáculos periódicos ubicados en la base del canal, el objetivo es romper las zonas de capa límite y crear movimientos turbulentos del aire, buscando mejorar el proceso de transferencia de calor. No se ha obtenido una diferencia significativa en los picos de temperatura con respecto al caso anterior, debido fundamentalmente a que el movimiento del fluido está basado en un sistema pasivo. La máxima temperatura obtenida fue de 83,9 ºC (Fig. 15), mientras que el máximo gradiente de temperaturas es 47,5 ºC (Fig. 16), obtenido en el primer panel, como en el caso anterior.

    La configuración propuesta para el caso D, con un canal de ventilación paralelo al canal principal, tiene como objetivo aportar aire en condiciones de temperatura de entrada hacia los paneles fotovoltaicos, próximos a la salida del canal de ventilación. Los resultados térmicos obtenidos no presentan grandes diferencias respecto de los casos B y C. La máxima temperatura obtenida fue 83,4 ºC (Fig. 18).

    El caso E corresponde a un sistema activo, tomando como referencia la geometría del caso B. Esta solución implica colocar algún mecanismo que condicione la convección forzada en la entrada del canal, manteniendo una velocidad media del aire en 3 m/s. Tal y como se esperaba, se aprecia una reducción importante de temperatura respecto de los casos anteriores. La temperatura máxima obtenida es 72,3 ºC (Fig. 20).

    El caso F es otra variante de sistema activo, tomando como referencia la geometría del caso C. Se impone para esta caso que la velocidad media del aire en la entrada del canal se mantenga en 3 m/s, a través de algún mecanismo de ventilación forzada. Este caso mejora sustancialmente las prestaciones de los sistemas pasivos anteriores, e incluso mejora moderadamente los valores obtenidos en el caso E. La temperatura máxima del caso F fue de 69,2ºC (Fig. 22).

    fig09

    Figura 9. Caso A: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del primer panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig10

    Figura 10. Caso A: Distribución de temperaturas (ºC) en el primer panel del canal de ventilación. En este panel se obtiene el máximo gradiente de temperatura.

    fig11

    Figura 11. Caso A: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en la zona de impacto del aire con el primer panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig12

    Figura 12. Caso B: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del cuarto panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig13

    Figura 13. Caso B: Distribución de temperaturas (ºC) en el primer panel del canal de ventilación. En este panel se obtiene el máximo gradiente de temperatura.

    fig14

    Figura 14. Caso B: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en la zona de impacto del aire con la base, en la entrada del canal de ventilación.

    fig15

    Figura 15. Caso C: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del cuarto panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig16

    Figura 16. Caso C: Distribución de temperaturas (ºC) en el primer panel del canal de ventilación. En este panel se obtiene el máximo gradiente de temperatura.

    fig17

    Figura 17. Caso C: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en la zona de impacto del aire con el primer panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig18

    Figura 18. Caso D: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del tercer panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig19

    Figura 19. Caso D: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en la zona de impacto del aire con la base, en la entrada del canal de ventilación.

    fig20

    Figura 20. Caso E: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del cuarto panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig21

    Figura 21. Caso E: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en la zona de impacto del aire con el primer panel fotovoltaico del canal de ventilación.

    fig22

    Figura 22. Caso F: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del quinto panel fotovoltaico del canal de ventilación.

     fig23

    Figura 23. Caso F: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en las proximidades de la parte final del cuarto panel del canal de ventilación.

    4. Conclusiones

    a) Comparando entre si los sistemas pasivos, se obtiene una mejor prestación de diseño en el caso B (Tab. 1). Si bien los valores de temperatura de los casos C y D son algo menores, sin embargo ambos necesitarían un proceso constructivo más complejo que en el caso B.

    b) La modificación propuesta para la geometría del separador de aluminio del caso A al caso B tiene un notable impacto en el comportamiento térmico de los paneles fotovoltaicos: se obtiene una reducción considerable en el pico de temperatura de 25,5 ºC.

    c) Como era de esperar, los resultados obtenidos en los sistemas activos (casos E y F) son mejores a los resultados de los sistemas pasivos. Se obtiene una reducción promedio del pico de temperatura del orden de 12 ºC. El uso de sistemas pasivos implica asumir los requerimientos económicos de los sistemas de ventilación forzada.

    d) Las temperaturas del caso F son moderadamente menores a las del caso E. La diferencia entre sus valores máximos de temperatura es de 3 ºC. Esta diferencia podría incrementarse, investigando otros modelos de obstáculos, alternativos al que se ha propuesto en este estudio.

    Tabla 1. Resumen de valores máximos de temperatura y velocidad para cada caso.

    Caso

    Sistema

    TMAX (ºC)

    VMAX (m/s)

    A

    Pasivo

    109,6

    2,1

    B

    Pasivo

    84,1

    2,4

    C

    Pasivo

    83,9

    2,1

    D

    Pasivo

    83,4

    2,2

    E

    Activo

    72,3

    3,2

    F

    Activo

    69,2

    3,2

    REFERENCIAS

    Alain Guiavarch, Bruno Peuportier, 2006. Photovoltaic collectors efficiency according to their integration in buildings. Solar Energy 80, 65–77

    ANSYS. www.ansys.com

    John David Anderson, 1995. Computational Fluid Dynamics. Kindle Edition.

    Wen I-Jyh, Chang Pei-Chi, Chiang Che-Ming, Lai Chi-Ming, 2008. Performance Assessment of Ventilated BIPV Roofs Collocating With Outdoor and Indoor Openings. Journal of Applied Sciences 8 (20): 3572 – 3582.

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    Genera 2015

    el 2015/02/22 en Calefacción y Refrigeración, Energía Eólica, Energía Solar Fotovoltaica, Otros Eficiencia Energética, Solar Térmica

    20150222_Genera2015_v2

    Feria Internacional de Energía y Medio Ambiente. Madrid 2015,

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