análisis energético y exergético para un sistema hibrido...

MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO

Tema A4 Termofluidos: (Energía Solar)

Análisis energético y exergético para un sistema hibrido fotovoltaico térmico

Vicente Flores, Jorge Bedolla, Marcos Bedolla

Instituto Tecnológico de Apizaco, Av. Instituto Tecnológico S/N, Apizaco 90300, Mexico

*Vicente Flores, correo electronico :[email protected]

R E S U M E N

La energía que absorbe un módulo fotovoltaico se representa como energía térmica y eléctrica. La energía térmica se

manifiesta como calentamiento de la placa, por arriba de la temperatura ambiente y de la temperatura estándar de

operación del módulo. Se presentan los resultados de una investigación realizada a un sistema hibrido fotovoltaico

térmico, con el propósito de evaluar el desempeño térmico, eléctrico y exergético. El diseño hibrido se obtiene a partir de

un módulo fotovoltaico con acoplamiento de un recuperador de calor tipo canal. Se obtienen valores de eficiencia térmica

que van de 12% a 63%. La eficiencia eléctrica varia 4.5% al pasar de flujo natural ha forzado y no se muestra influencia

significativa de la temperatura de operación, la eficiencia exergética depende del coeficiente de Carnot y este crece

conforme la temperatura de salida del fluido crece, por lo que con flujo natural la eficiencia exergética es máxima.

Palabras Clave: sistema hibrido solar, Análisis energético, exergético.

A B S T R A C T

The energy absorbed by a photovoltaic module is represented as electric and thermal energy. Thermal energy is manifested

as heating of the module, above the ambient temperature and the standard operating temperature. In this work the results

of an experimental investigation of a photovoltaic thermal hybrid system are presented, with the purpose of evaluating the

thermal, electrical and exergetic performance. The hybrid design is obtained from a photovoltaic module to which a heat

exchanger is coupled on the rear surface consisting of a finned channel. Thermal efficiency values ranging from 12% to

63% are obtained and these depend on the mass flow rate, as well as the overall efficiency. The electric efficiency varies

4.5% when passing from natural to forced flow and does not show significant influence of the operating temperature, the

value of the exergetic efficiency depends on the Carnot coefficient and this of the maximum temperature of the fluid, with

natural flow the exergetic efficiency is maximum.

Keywords: Hybrid solar system, energy, exergy analyses.

1. Introducción

La tecnología solar fotovoltaica térmica (FVT) es capaz de

producir electricidad y calor al mismo tiempo con un mejor

desempeño global en comparación con las dos tecnologías de

forma separada [1], por lo que esta nueva tecnología presenta

atractivas ventajas en su aplicación, en sectores como el

doméstico y agrícola. El sistema hibrido solar Fotovoltaico

Térmico que simultáneamente producen electricidad y calor,

actualmente es considerado el equipo solar más efectivo [2]. En

este contexto, se han diseñado diferentes configuraciones de

sistemas térmicos para ser acoplados a módulos

fotovoltaicos creando sistemas híbridos [3, 4, 5] siendo el

objetivo principal aumentar la eficiencia eléctrica del

módulo a través de su enfriamiento, acercando la

temperatura de operación real a la temperatura de diseño

(298.15 K). [6], ellos estudian de forma experimental el

enfriamiento de módulos fotovoltaicos empleando un canal

de aire, donde se hace notar la influencia del espacio de aire

creado entre el canal y la superficie del módulo, de la

relación de aspecto del canal y de la ventilación forzada.

Para aumentar la eficiencia en la remoción de calor, se han

empleado sistemas que operan a base de agua o aire como

fluido de transferencia de calor, sistemas con obstáculos o

aletas en convección natural y forzada y sistemas con uno o

doble paso del fluido a través de la placa del módulo

ISSN 2448-5551 TF 193 Derechos Reservados © 2017, SOMIM


fotovoltaico para aumentar la ganancia de calor. En este

contexto una conclusión del trabajo de [3], es que en climas

fríos con temperatura ambiente cercana a 20°C no se tienen

resultados favorables de enfriamiento en el módulo y por lo

tanto ninguna mejoría en el desempeño eléctrico del mismo,

cuando se emplea aire como fluido de transferencia de calor.

De lo anterior, uno de los objetivos por el que se desarrollan

sistemas híbridos no se justifica, proponiéndose sistemas de

cogeneración para disponer además de la energía eléctrica,

energía térmica. Sin embargo, la mayor dificultad en este

contexto reside en el acoplamiento del sistema térmico o

mecanismo de remoción de calor empleado para retirar

energía del módulo, ya que en todos los casos se protege a

la placa del módulo de un posible daño físico, lo cual reduce

la capacidad de remoción de calor desde el modulo hacia el

fluido de trabajo. [7] hace un estudio comparativo del

comportamiento térmico, hidráulico y eléctrico de cuatro

configuraciones diferentes de canales como calentadores de

aire, acoplados a un panel fotovoltaico, siendo el flujo de

aire y su trayectoria a través del módulo lo que crea mayor

efecto en el comportamiento del sistema. Casos de estudio a

sistemas híbridos que caracterizan su comportamiento es

como el que presenta [8], sobre el manejo y monitoreo de un

sistema de cogeneración FVT y resalta las diferencias contra

sistemas individuales fotovoltaico y fototérmico en la que

muestra la importancia de monitorear el máximo de

variables en este tipo de sistemas, en las que deberán

incluirse parámetros térmicos y eléctricos y donde uno de

los parámetros fundamentales y que requieren mejorar su

medición es la temperatura de la celda solar, parámetro de la

que depende el desempeño global de un sistema hibrido

fotovoltaico térmico.

Por lo anterior, en este trabajo se presentan los resultados

de un estudio energético y exergético de un sistema hibrido

con base en la temperatura de operación y en la variación del

flujo másico, diseñado para cumplir con dos propósitos,

reducir el calentamiento del módulo fotovoltaico para

mejorar su desempeño eléctrico y generar energía térmica

mediante un recuperador de calor y la circulación de aire,

con esto el sistema simultáneamente genera energía eléctrica

y energía térmica. Los sistemas FVT aire tienen mayor

ventaja en su aplicación y operación en el modo termosifón

que los FVT agua, en principio porque la tecnología de

ventilación es más sencilla y en segundo porque la densidad

del aire es muy baja y la circulación del fluido ocurre a

menor gradiente térmico que en el caso del agua.

2. Marco teórico

2.1. Balance de energía para el Modulo Fotovoltaico

El balance de energía para un módulo fotovoltaico se

expresa como la energía solar absorbida por el módulo igual

a la pérdida de energía térmica que se transfiere desde la

superficie frontal, más la energía térmica que se transfiere

desde la superficie posterior del módulo al ambiente, más la

energía eléctrica, lo anterior en forma de ecuación se expresa

como [9]:

𝛼𝑐𝛽𝑚𝐺𝐴𝑚 = 𝑈𝑠𝑎(𝑇𝑐 − 𝑇𝑎)𝐴𝑚 + 𝑈𝑝𝑎(𝑇𝑠𝑝 − 𝑇𝑎)𝐴𝑚 +𝛽𝑚𝜂𝑐𝐼𝑡𝐴𝑚 (1)

Donde:

αc: absortividad de la celda

βm:factor de empaquetamiento del modulo

G: irradiancia solar

Am: superficie del módulo fotovoltaico

Usa: coeficiente global de transferencia de calor, desde la

superficie frontal del módulo al ambiente

Upa: coeficiente global de transferencia de calor, desde la

superficie posterior del módulo al ambiente

Tc: temperatura de operación de la celda

Ta: temperatura ambiente

𝜂c : eficiencia de la celda.

Tsp: temperatura de la superficie posterior de la celda

La eficiencia de la celda en función de la temperatura de

operación se escribe como [9]:

𝜂𝑐 = 𝜂𝑜(1 − 𝛽𝑜(𝑇𝑐 − 𝑇𝑜)) (2)

𝜂o: eficiencia estándar en condiciones estándar

βo: factor de eficiencia dependiente de la temperatura

To: temperatura de la celda a la cual se tiene la eficiencia

optima

Tc: temperatura de operación de la celda

𝜂c: eficiencia de la celda

La potencia eléctrica generada por el módulo fotovoltaico

depende de las condiciones de operación tales como: la

temperatura del módulo fotovoltaico y la intensidad de la

irradiancia solar. En términos de estos parámetros y

condiciones de referencia, la potencia y la eficiencia

eléctrica se escriben como sigue [10]:

𝑃𝑒𝑙 = 𝑉𝑟𝐼𝑟 [1 − 𝛽𝑜(𝑇𝑐 − 𝑇𝑟) + 𝛿𝑙𝑛 (𝐺

𝐺𝑟𝑒𝑓)]

(3)

𝜂𝑒𝑙 = 𝜂𝑟 [1 − 𝛽𝑜(𝑇𝑐 − 𝑇𝑟) + 𝛿𝑙𝑛 (𝐺

𝐺𝑟)] (4)

Donde βo y δ son el coeficiente de temperatura para la

generación de energía eléctrica y el coeficiente de

irradiación solar respectivamente, Vr (30 Volts) e Ir (8.3

Amperes) voltaje y corriente de referencia respectivamente

para el módulo en estudio. Los parámetros anteriores en

condiciones de referencia para el modulo fotovoltaico usado

en este estudio son los siguientes, [11].

Eficiencia eléctrica de referencia 𝜂r = 15%

Temperatura de referencia del módulo Tr = 298.15 K

Irradiancia solar de referencia Gr = 1000 W/m2

Coeficiente de temperatura, βo = 0.0045



Coeficiente de irradiación solar, δ = 0.052

2.2. Balance de energía para el Sistema térmico

La energía absorbida por el módulo y que no se transforma

en energía eléctrica se, transforma en energía calorífica,

mediante la cual opera el sistema térmico. Se expresa la

energía transferida por la superficie posterior del módulo o

la energía absorbida por el sistema térmico igual a la energía

que se transfiere desde la base y paredes laterales del sistema

térmico al ambiente, más la energía absorbida por el fluido.

𝑈𝑝𝑎(𝑇𝑠𝑝 − 𝑇𝑎𝑙)𝐴𝑚 = 𝑈𝑏𝑙(𝑇𝑐𝑛 − 𝑇𝑎)𝐴𝑐𝑛 + �̇�𝑐𝑝(𝑇𝑠 − 𝑇𝑒𝑛) (5)

Donde:

Tcn: temperatura del canal

Tal : temperatura de los alrededores

Acn: área de la superficie del canal

Ts : temperatura del fluido en la salida.

Ten: temperatura del fluido en la entrada

Uw: coeficiente global de transferencia de calor, desde la

base y las paredes del sistema térmico al ambiente

El calor que la superficie posterior del módulo fotovoltaico

entrega al aire, se evalúa como

Por radiación: 𝑞𝑟 = 휀𝑓𝜎𝐴𝑟(𝑇𝑝𝑣−𝑟4 − 𝑇𝑎𝑖𝑟

4 ) (6)

Por convección: 𝑞𝑐𝑜𝑛𝑣 = ℎ𝐴𝑟(𝑇𝑝𝑣−𝑟 − 𝑇𝑎𝑖𝑟) (7)

Donde:

ε: emisividad de la superficie

ƒ: factor geométrico

σ: constante de Stephan Boltzmann

Ar : área de la superficie posterior

Tsp: temperatura de la superficie posterior

Tair: temperatura del aire

h: coeficiente de transferencia de calor por convección

La relación entre la energía útil entregada y la energía solar

incidente, de acuerdo a la primera ley de la termodinámica,

es:

𝜂𝑡 =𝑄𝑢

𝐴𝑚 𝐺 (8)

La energía útil puede obtenerse a partir de la siguiente

ecuación, [13].

𝑄𝑢 = 𝐴𝑐𝐹𝑅[𝐺(𝜏𝛼) − 𝑈𝐿(𝑇𝑒𝑛 − 𝑇𝑎)] (9)

O también

𝑄𝑢 = �̇�𝑐𝑝(𝑇𝑠 − 𝑇𝑒𝑛) (10)

La eficiencia térmica del sistema FVT, se obtiene como

sigue:

𝜂𝑡 =�̇�𝑐𝑝(𝑇𝑠−𝑇𝑒𝑛)

𝐺𝐴𝑚 (11)

Y se evalúa como una función de la relación ΔT/G,

Donde:

ΔT = Ten - Ta

Ta : temperatura ambiente

cp : calor específico del fluido de trabajo

Qu: Calor útil

FR : factor de remoción de calor

ṁ: flujo másico

Puesto que la energía eléctrica es más valorable que la

energía térmica, la calidad diferente de la energía térmica y

eléctrica deben tomarse en consideración para evaluar la

eficiencia global del sistema hibrido [9]. Por lo que la

energía neta entregada por el sistema hibrido se evalúa

convirtiendo la energía eléctrica de salida en su equivalente

en energía térmica más la energía térmica de salida del

sistema. Mientras que la exergía neta se calcula convirtiendo

la energía térmica en su equivalente en energía eléctrica,

usando el principio de Carnot, más la energía eléctrica del

sistema [9].

𝜂𝐹𝑉𝑇 = (𝜂𝑒𝑙

𝜂𝑝𝑜𝑡)

𝐹𝑉𝑇

+ 𝜂𝑡 (12)

Mientras que la eficiencia exergética se calcula como

sigue:

𝜂𝐹𝑉𝑇𝑒𝑥 = 𝜂𝑒𝑙 + 𝐶𝐹. 𝜂𝑝𝑜𝑡 (13)

Donde:

ηpot : la eficiencia de generación de potencia eléctrica para

una planta convencional = 0.38 [9]

CF: el coeficiente de Carnot, ec. (14) [9].

𝐶𝐹 = 1 −𝑇𝑎−𝑠𝑡𝑝

𝑇𝑜 (14)

Tr =Ta-stp= 298.15 K

Finalmente la eficiencia global del sistema se obtiene como

sigue:

𝜂𝑔𝑙 = 𝜂𝑒𝑙 + 𝐶𝐹𝜂𝑡 (15)

3. Sistema híbrido experimental

El sistema hibrido experimental consiste de un módulo

fotovoltaico de silicio policristalino de 250 W con

dimensiones de 0.96 m de ancho por 1.60 de longitud, figura

1a, en el módulos se acopla por la parte posterior el sistema

térmico de recuperación de calor, que consiste de un canal

de sección transversal variable y aletas rectangulares, ver



figura 1b. La longitud del canal es de 1.665m, 0.99 de ancho

y la profundidad varia de 0.125m en la entrada del flujo de

aire a 0.046m en la salida del flujo, el número de aletas es

de 189, distribuidas uniformemente a lo ancho y largo del

canal adoptando una configuración alternada con base en la

dirección del flujo de aire. Las dimensiones de las aletas son

de 0.045m de ancho y su altura varia a la vez que la sección

transversal del canal cambia con el propósito de hacer

contacto con la superficie posterior del módulo fotovoltaico,

así como generar un patrón de flujo que provoque de forma

efectiva la remoción de calor desde la superficie posterior

del módulo fotovoltaico. Adicionalmente se instala una

chimenea con el propósito de generar el tiro natural a través

de él y con la posibilidad de colocar un extractor de aire que

induzca a un flujo forzado.

a)

b)

Figura 1.-a).-Sistema fotovoltaico experimental y b).- canal para flujo de

aire de sección variable con aletas

El sistema de canal de recuperación de calor incluyendo las

aletas, se construye con lámina galvanizada zintro, para

evitar problemas de degradación por la presencia de aire

húmedo. Para evaluar el desempeño del sistema térmico y

eléctrico se experimentó en los periodos donde las

cantidades de irradiancia solar y temperatura ambiente son

máximas y mínimas, mayo y enero respectivamente. Se

registraron las variables de temperatura del aire en la salida

del canal, temperatura en la placa del módulo en la parte

inferior y superior, voltaje, corriente y las variables

climáticas de temperatura ambiente, velocidad del viento e

irradiancia solar. El tiempo de pruebas fue de 4 horas y el

registro de las variables cada 10 minutos a través de un

sistema de adquisición de datos. El sistema se instaló con

orientación norte-sur, e inclinación de 19° con respecto a la

horizontal, equivalente a la latitud del el sitio de pruebas.

4. Resultados y análisis

Se experimentó el sistema con velocidades de flujo que van

desde la que se genera de forma natural por las

características de diseño del sistema 0.8 m/s hasta la

velocidad que provoca la mínima temperatura de operación

del módulo 5.5 m/s y 37°C respectivamente. El efecto de la

variación de la velocidad del fluido y en consecuencia el

flujo másico en el comportamiento del sistema hibrido se

presenta a continuación. La figura 2 y 3 representan la

distribución de temperatura en la superficie del módulo; la

figura 2 corresponde a cuando el flujo es natural, en la que

se observa que el comportamiento de la temperatura es

influenciado por los niveles de irradiancia, comienza con

temperatura baja, al aumentar la irradiancia solar, también

aumenta la temperatura, posteriormente ambos descienden,

en este caso; el flujo de aire que provoca el retiro de calor en

el módulo tiene poco efecto. Cuando la remoción de calor es

forzada y se tiene un control del flujo másico, este crea

mayor efecto en la temperatura del módulo que la irradiancia

solar. Se comienza con temperatura alta y una vez interactúa

el flujo de aire provocando el enfriamiento de la placa su

temperatura desciende, mientras que la irradiancia solar se

mantiene con valores altos, ver figura 3.

Figura 2.- Distribución y comportamiento de las temperaturas en la

superficie del módulo, con flujo natural.

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Hora del día

T1 T2 T3 T4 T5 Ta G



Figura 3.- Distribución y comportamiento de las temperaturas en la

superficie del módulo, con flujo forzado

Para evaluar el desempeño del sistema hibrido se

experimentó con tres diferentes flujos másicos, el primero se

generó de forma natural y corresponde a un valor de 0.00924

kg/s, los siguientes fueron forzados de 0.043 kg/s y 0.0624

kg/s respectivamente. El desempeño del sistema tiene una

influencia significativa por el valor del flujo másico como

se observa en la figura 4, donde los gradientes de

temperatura decrecen con el aumento del flujo y viceversa,

también se observa en la figura que cuando el flujo no es

controlado, el gradiente de temperatura es más inestable y se

estabiliza al aumentar el flujo másico y con niveles de

irradiancia mayor, lo cual ocurre a la velocidad de 5.5 m/s

equivalente al flujo másico de 0.0624 kg/s, e irradiancia

solar entre 730 W/m2 y 870 W/m2. Entonces, el efecto de la

variación de flujo también se refleja en los parámetros donde

involucra cantidades térmicas, como la eficiencia térmica,

eficiencia global y eficiencia exergética, como se puede

observar en la figura 5, donde se grafican las eficiencias

térmicas para flujo natural y forzado. Al aumentar el flujo

másico de 0.00924 kg/s (flujo natural) a 0.0462 kg/s (flujo

forzado), la eficiencia térmica pasa de 18% a 34.8%, en este

caso la eficiencia eléctrica también tiene modificaciones, al

pasar de 12.8% a 13.4%, de aquí que la eficiencia global

cambia de 50% a 70%, y la eficiencia exergética disminuye

de 32.8% a 25.6%, como se observa en las figuras 6,7 y 8,

generadas para cada flujo másico de trabajo. En flujo

forzado de 0.0462 kg/s a 0.0624 kg/s la eficiencia térmica

pasa de 34.8% a 50.4% mientras que la eficiencia eléctrica

se mantiene sin cambios, se logra la más alta eficiencia

global en promedio de 89% y la eficiencia exergética tiene

pocos cambios, aun así disminuye por el aumento de la

velocidad de flujo, de 25.6% a 24.3%. La disminución de las

cantidades de la eficiencia exergética al pasar de flujo

natural a forzado se origina por que la eficiencia exergética

como lo establece la ecuación (14), está en función del

coeficiente de Carnot y este a su vez de la temperatura del

fluido en la salida del sistema hibrido, a mayor temperatura

del fluido en la salida mayor coeficiente de Carnot y mayor

eficiencia exergética. Como se observa en la figura 4, los

mayores gradientes de temperatura, es decir mayor

temperatura del fluido, se obtienen con flujo natural, por ello

la exergía es mayor.

Figura 4.- Gradiente térmico del fluido, entre la entrada y la salida del

sistema hibrido

Figura 5.- Eficiencia térmica instantánea del sistema hibrido

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lar

[W/m

2]

Tem

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atu

ra [

°C]

Hora del día

T1 T2 T3 T4 T5 Ta G

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G [W/m2]

m =0.0624 kg/s m=0.0462 kg/s m=0.00924 kg/s

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0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12

Efic

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térm

ica

(To-Ti)/G

Convección Forzada 1 "Convección natural"

Convección Forzada 2

ṁ = 0.00924 kg/s

ṁ = 0.0462 kg/s

ṁ = 0.0624 kg/s



Figura 6.- Desempeño energético y exergértico del sistema hibrido con ṁ

= 0.00924 kg/s


= 0.0462 kg/s


= 0.0624 kg/s

5. Conclusiones

En este trabajo se experimentó con un sistema hibrido

fotovoltaico térmico para evaluar su desempeño energético

y exergético. Los resultados han mostrado que el incremento

del flujo másico incrementa la eficiencia térmica, la global

de forma significativa, la eléctrica en un grado menor y

desciende la eficiencia exergética.

Se generó energía térmica con eficiencia en el rango de 42%

al 63% forzando la transferencia de calor con flujo másico

de 0.0462 kg/s y 0.0624 kg/s respectivamente, con flujo

natural las eficiencias son de alrededor del 12%, sin

sacrificar la eficiencia eléctrica del panel, esto se comprobó

al experimentar de forma simultánea con un módulo

fotovoltaico estándar. La reducción de temperatura del panel

por medio de la remoción de calor, mediante el flujo de aire

a través del canal fue de 12°C, logrado con velocidades de

flujo igual o mayor a 5.5 m/s; considerando que la

temperatura en la placa del módulo estándar es de entre 55°C

y 60°C. A pesar de la reducción en la temperatura del

módulo fotovoltaico no se mostró aumento significativo en

su eficiencia eléctrica. La eficiencia eléctrica en convección

forzada con respecto a cuándo opera en convección natural

aumenta el 4.5%, mientras que la eficiencia térmica es 65%

mayor en convección forzada con respecto a la natural. En

el caso de las eficiencias exergéticas, cuando el sistema

opera con flujo forzado estas oscilan entre 0.28% y 0.3% y

cuando el sistema opera en convección natural la eficiencia

exergética asciende hasta 0.52%. Finalmente, un sistema

hibrido solar proporciona simultáneamente electricidad y

calor alcanzando altos valores de conversión de la

irradiación solar absorbida, que el que podría lograse con un

sistema fotovoltaico estándar.

Agradecimientos

Al Tecnológico Nacional de México por el financiamiento

al proyecto “Estudio teórico experimental de técnicas de

enfriamiento en paneles fotovoltaicos para operar en niveles

de máxima eficiencia” Clave: 5704. 16-P. Los resultados se

publican en este trabajo.

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00.10.20.30.40.50.60.70.8

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