Evaluacion de un Sistema Hıbrido para mejorarla Eficiencia de Conversion de Energıa en

Paneles FotovoltaicosMauricio Dıaz Vasquezmaurodiaz 95@hotmail.com

Juan C. Valencia Espitiajcvalencia22@hotmail.com

Resumen— En el presente trabajo de grado se realiza eldiseno, implementacion y las pruebas de funcionamientode un sistema hıbrido para paneles solares fotovoltaicos,con el objetivo de mejorar la eficiencia de conversion deenergıa electrica, y por lo tanto aumentar la produccionde energıa de un panel solar a traves del dıa. Dichosistema hıbrido es la integracion de un sistema de rastreo,un sistema de enfriamiento y un sistema de adquisicion yalmacenamiento de datos.

El estudio se realizo en 7 dıas en la ciudad deGuadalajara de Buga - Colombia, en donde se realizanpruebas con cargas electricas y ceramicas al veinte,cuarenta, sesenta, ochenta y ciento por ciento de lapotencia nominal de un panel de 255W ubicado en elsistema hıbrido. Ademas, se compara con un sistemafotovoltaico de montura fija para el cual tambien seconectan las mismas cargas, igualmente para un panelsolar de 255W. Para realizar el estudio se analizanlas variables de potencia entregada de ambos sistemas,radiacion solar, temperaturas del sistema fijo e hıbrido,temperatura ambiente y las temperaturas de refrigeraciony desague del sistema de enfriamiento. Los resultadosobtenidos indican que la eficiencia de conversion delsistema hıbrido es 5% mayor comparada con la obtenidapor el sistema de montura fija; o en terminos deproduccion de energıa, es decir, en Vatios-hora puedeproducir alrededor de 40% mas de energıa electrica.

Index Terms—Energıa electrica, potencia, energıa solar,eficiencia electrica, eficiencia termica.

I. INTRODUCCIONDurante la captacion de la radiacion solar, los pa-

neles solares se ven afectados por diferentes factoreslos cuales disminuyen la eficiencia de conversion deenergıa electrica, estos factores son la incidencia noperpendicular de los haces de radiacion solar sobrela superficie del panel debido al movimiento de latierra con respecto al sol, el efecto negativo que

tiene el aumento de la temperatura de trabajo delos paneles solares en la potencia generada y lasperdidas por reflexion. En este trabajo se busca desa-rrollar un prototipo nombrado como Sistema Hıbri-do, integrado por un sistema de rastreo mecanicodel sol, un sistema de enfriamiento lıquido y unsistema de adquisicion y toma de datos. Con laimplementacion de este sistema, se busca compararel rendimiento energetico de este sistema con unsistema de montura fijo inclinado 15◦C hacia el surconectado directamente a diferentes cargas electri-cas durante cada dıa de medicion-i.e., una cargaelectrica para cada dıa del mismo valor para cadasistema, analizando la potencia generada por ambossistemas bajo las mismas condiciones del clima yde radiacion.

Figura 1. Ubicacion del sistema fijo e hıbrido a la orientacion einclinacion adecuada.

II. MARCO TEORICO

Energıa y Potencia

La energıa es la capacidad de generar trabajo-e.g., mover un cuerpo contra una fuerza que seopone. Su unidad estandar es el Julio [J] [1] oVatio-hora [Wh].

La potencia es la capacidad de generar untrabajo en un tiempo determinado. La unidadestandar de potencia es el Vatio [W = J

S] [1].

Inclinacion y Orientacion del Panel Solar

Para orientar e inclinar un panel solar es impor-tante entender el comportamiento de la radiacion so-lar terrestre en el lugar de instalacion por medio delconcepto de coordenadas solares. Con este sistemade coordenadas se estudia el movimiento aparentedel sol alrededor de la tierra, que asume que es elsol quien ”se mueve’ con respecto al observador. Larelacion geometrica entre un plano ubicado en cual-quier lugar de la tierra a una orientacion especıfica yun haz de radiacion solar en cualquier momento delano puede ser descrita en la ecuacion 1 por mediode la Latitud (φ), la declinacion solar (δ), el angulohorario (ω) y el angulo cenital (θz), asumiendo quela superficie esta orientada hacia el sur y que lasuperficie va a estar perpendicular a los rayos delsol.

cos(θz) = cos(φ)cos(δ)cos(ω)+ sin(φ)sin(δ) (1)

El angulo azimutal γs, el cual define el desplaza-miento angular del sol tomando como referencia elsur hasta la proyeccion de un haz de radiacion enun plano horizontal, esta descrito por la ecuacion 2,donde sign es la funcion signo, la cual es igual a 1cuando ω es positivo, -1 cuando ω es negativo y 0para valores nulos de ω [2].

γs = sign(ω)

∣∣∣∣∣ arc cos(cos(θz)sin(φ)− sin(δ)

sin(θz)cos(φ)

)∣∣∣∣∣(2)

Ademas, el angulo de superficie azimutal γ tomavalores de 90◦ o -90◦ dependiendo del signo delangulo azimutal:

γ =

{90◦ si γs > 0

−90◦ si γs ≤ 0(3)

A partir de la ecuacion 1, 2 y 3, la inclinacion βpara una superficie que hace seguimiento del sol deeste a oeste esta dada por:

β =

{− arctan(tanθz| cos(γ − γs)|) si ω < 0

arctan(tanθz| cos(γ − γs)|) si ω ≥ 0(4)

Finalmente, a partir de la ecuacion 4 se calculoel angulo de inclinacion que debe tener el paneldurante los 365 dıas del ano, desde las 7 de lamanana hasta las 5 de la tarde para que el angulode incidencia de los haces de radiacion sean aproxi-madamente perpendiculares a la superficie del panelsolar. En la figura 2, se muestra una grafica entres dimensiones, donde el eje z es el angulo deinclinacion, el eje y es los dıas del ano y el eje xson las horas del dıa.

Figura 2. Angulo del panel respecto a la horizontal para que el hazde radiacion solar incida perpendicularmente.

Radiacion Solar

La radiacion solar es la energıa solar recibidasobre una superficie horizontal durante un periododeterminado, generalmente en un dıa. La radiacionpuede describirse matematicamente como se mues-tra en la ecuacion 5, que relaciona la cantidad deenergıa solar que llega en un metro cuadrado.

G =kW

m2(5)

Eficiencia Electrica

La eficiencia es el cociente entre la potenciaP que puede entregar la celda a la carga y laradiacion solar G proveniente del sol que incide enla superficie A de la celda. En otras palabras, laeficiencia permite saber que porcentaje de energıaproveniente del sol esta siendo convertida en energıaelectrica. Ver ecuacion 6.

η =P

GA(6)

Eficiencia Termica

La eficiencia termica en un sistema de refrige-racion con agua, esta dada por la tasa de energıatermica extraıda del agua que circula a traves dela superficie del panel(Q) y debido a esto se elevasu temperatura, ademas, depende del area del panelsolar (A) y la radiacion solar (G). En consecuencia,la eficiencia termica esta dada por la siguienteecuacion [3]:

ηth =Q

G ∗ A(7)

Donde Q esta definido como:

Q = magua ∗ Cpagua(Tsalida − Tentrada) (8)

magua y Cpagua son el caudal masico y el calorespecıfico del agua respectivamente.

Influencia de la temperatura en la Celda Solar

La figura 3 ilustra la influencia de la temperaturaen la potencia generada por la celula solar; se ve,que entre mayor sea la temperatura de la celula,menor es la potencia generada. Tıpicamente, lospaneles solares pueden alcanzar temperaturas demas de 60◦C por su continua exposicion a los rayosdel sol, lo que ocasiona que el panel no trabaje enun buen rendimiento.

Figura 3. Influencia de la temperatura en la potencia entregada poruna celula solar [4].

III. IMPLEMENTACION DEL SISTEMAHIBRIDO

El sistema hıbrido tiene como finalidadmaximizar la captacion de energıa del panelsolar, minimizando tres fenomenos que afectan lacaptacion de energıa: la incidencia no perpendicularde los haces de radiacion solar sobre el panel solar,por lo que se contruyo un rastreador solar de uneje para seguir el sol durante el dıa; la influencianegativa de la temperatura con respecto a lapotencia generada por el panel solar y las perdidaspor reflexion, y debido a estos dos ultimos factoresse implemento un sistema de enfriamiento conagua, con el fin de disminuir la temperatura deoperacion del panel y tambien reducir las perdidaspor reflexion, lo anterior se debe a que el ındice derefraccion del agua es 1,3, medio intermedio entreel aire el cual tiene un ındice de refraccion de 1 y elvidrio del panel con un ındice de aproximadamente1,5.

Ası pues, el sistema hıbrido es integrado por3 sistemas: el sistema de rastreo, el sistema deenfriamiento y el sistema de toma y adquisicion dedatos. Ver figura 4.

Figura 4. Sistema hıbrido integrado por el sistema de rastreo, deenfriamiento y de adquisicion y toma de datos.

Sistema de RastreoEl sistema de rastreo implementado es de un

grado de libertad, es el encargado de mover elpanel a traves del dıa para aumentar la incidenciade los haces de radiacion solar sobre este, dichomovimiento se basa en las ecuaciones obtenidasen la seccion Inclinacion y Orientacion del PanelSolar. Para llevar a cabo el movimiento, el sistemade rastreo esta compuesto por un sistema mecani-co, el cual se encarga de soportar el panel solar,un motor electrico DC (actuador), una fuente dealimentacion de corriente continua y finalmente elsistema electronico, compuesto por subsistemas depotencia, sensores y control.

Sistema de EnfriamientoEl sistema de enfriamiento es quien se encarga

de refrigerar la superficie frontal del panel solarmediante la generacion de una pelıcula de agua, lacual era bombeada por medio de motobombas DCde 12V, las cuales se ubicaban en un recipiente dearcilla que almacenaba el agua. Ademas el sistematiene un circuito cerrado de circulacion de agua quepermite que el agua circule (por medio de mangue-ras) desde el recipiente de almacenamiento, pase porel panel y finalmente retorne al recipiente medianteun sistema de recuperacion de agua constituido pordesagues a los extremos del panel.

Sistema de Adquisicion y Toma de DatosLas variables fısicas medidas para el sistema de

montura fija son la temperatura en la parte centraltrasera del panel, el voltaje y la corriente a laque esta sometida la carga; para el sistema hıbridoson la temperatura en la parte central trasera delpanel, la temperatura de refrigeracion del agua, latemperatura de desague del agua, la temperaturaambiente, la radiacion solar a la que esta expuestoel experimento, el voltaje y corriente a la que estasometida la carga, el voltaje y la corriente a la queopera el motor del sistema y la posicion angular delmismo.

IV. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTOUna vez ya instaladas ambas estructuras, tanto

el sistema fijo como el hıbrido a la inclinacion yorientacion adecuada, se analizo el comportamientode ambos sistemas en siete dıas desde las ocho de

la manana hasta las cuatro de la tarde. Las pruebasconsistıan en cada dıa conectar una carga resistivadel mismo valor —a cada uno de los sistemas,cuyo objetivo era analizar el desempeno de ambossistemas al variar la carga. Inicialmente, se conectouna carga que demandaba aproximadamente el 20 %de la potencia nominal de cada sistema, el segundodıa, una carga del 40 % y ası sucesivamente hastallegar a una carga que demandara el 100 % dela potencia nominal de cada sistema. El cambioresistivo de las cargas durante los dıas del expe-rimento se realizaron bajo las mismas condicionesclimaticas cambiando el punto de trabajo de ambossistemas, con el fin de analizar el comportamientoen la potencia generada de ambos sistemas cuandola potencia de consumo de las cargas se acercaban allımite de las capacidades energeticas de los paneles,llevando a ambos sistemas al lımite para extraerla corriente maxima que pueden entregar en lasmismas condiciones y ası, poder compararlos. Paraanalizar el desempeno se midio la potencia realentregada por cada sistema, midiendo el voltaje y lacorriente de cada uno de ellos durante las ocho horasde prueba cada 5 minutos, con el fin de obtener laenergıa producida y la eficiencia de conversion deenergıa del sistema hıbrido y el sistema fijo, estosdatos de potencia se enviaron a una hoja de Excela traves de internet en Google Drive.

V. RESULTADOS

En esta seccion se muestran los resultados ob-tenidos, en cuanto se refiere a energıa producida,eficiencia electrica y termica, temperaturas del sis-tema fijo e hıbrido, temperaturas de refrigeracion yde desague. En total fueron 6,828 datos recolectadosen 7 dıas de medicion, tambien, se realizaron tomasinfrarrojas que muestran cualitativamente el com-portamiento de las temperaturas de los paneles deambos sistemas. Finalmente, los datos son tratadosy analizados con el objetivo de hallar conclusionessobre el sistema implementado.

Resultados Electricos

A modo de resumen, la tabla I y la tabla IImuestran los datos obtenidos de la radiacion pro-medio para cada experimento, la energıa producidaen el dıa y el promedio de la eficiencia del dıapara el sistema fijo y el sistema hıbrido. Notese

como la produccion de energıa del sistema Hıbridoes siempre mayor a la produccion de energıa delsistema fijo.

Tabla IRESULTADOS ELECTRICOS DEL SISTEMA DE MONTURA FIJO

Carga Radiacion Promedio Energıa S.Fijo η S.Fijo20% 343,77W/m2 291,86Wh/dıa η = 6,61%40% 597,33W/m2 688,83Wh/dıa η = 9,88%60% 614,04W/m2 762,74Wh/dıa η = 9,41%80% 628,34W/m2 931,13Wh/dıa η = 11,23%80% 704,84W/m2 1064,59Wh/dıa η = 11,93%100% 521,05W/m2 703,30Wh/dıa η = 8,22%100% 661,91W/m2 291,86Wh/dıa η = 6,61%

Tabla IIRESULTADOS ELECTRICOS DEL SISTEMA HIBRIDO

Carga Radiacion Promedio Energıa S.Hıbrido η S.Hıbrido20% 343,77W/m2 351,76Wh/dıa η = 8,10%40% 597,33W/m2 849,85Wh/dıa η = 912,22%60% 614,04W/m2 945,06Wh/dıa η = 11,38%80% 628,34W/m2 1250,11Wh/dıa η = 15,47%80% 704,84W/m2 1455,29Wh/dıa η = 16,96%100% 521,05W/m2 989,20Wh/dıa η = 11,92%100% 661,91W/m2 1467,28Wh/dıa η = 17,33%

Al analizar los datos de produccion energetica enambos sistema, vale la pena analizar la diferencia depotencia que pudo generar mas el sistema hıbrido enel dıa, variable a la que se le denomina porcentajeadicional de potencia generada por el sistema hıbri-do sobre el sistema fijo. Estos valores numericos seilustran en la tabla III.

Tabla IIIPORCENTAJE ADICIONAL DE ENERGIA PRODUCIDA POR EL

SISTEMA HIBRIDO SOBRE EL SISTEMA FIJO.

Carga Radiacion Porcentaje Adicional de potencia20% 343,77W/m2 22,70%40% 597,33W/m2 23,38%60% 614,04W/m2 23,90%80% 628,34W/m2 37,15%80% 704,84W/m2 40,48%100% 521,05W/m2 40,85%100% 661,91W/m2 39,52%

Con la informacion obtenida de la tabla III, seobserva que los mejores rendimientos del sistema

hıbrido ocurrieron cuando la carga esta en el 80% y100% de la capacidad de los paneles. Se recalca quelas mediciones se hicieron en igualdad de condicio-nes climaticas, de radiacion y de carga electrica paraambos sistemas. Ası pues, la figura 5 muestra comoes la diferencia de produccion del sistema hıbridodurante el dıa para todas las pruebas realizadas.

Figura 5. Porcentaje adicional de potencia generada por el sistemahıbrido sobre el fijo

En la figura 5 se observa que los mejores resulta-dos se dan en horas de la manana, comportamientoque obedece a la epoca en que se realizaron laspruebas cercanas al solsticio de invierno y a lacaptacion de la radiacion solar del sistema hıbridoproducto del rastreo solar.

Resultados TermicosEn la tabla IV y la tabla V muestran los datos

obtenidos de la radiacion promedio para cada ex-perimento, el promedio de la temperatura ambiente,de la temperatura del panel del sistema fijo, de latemperatura del sistema hıbrido y de la eficienciatermica de este.

Tabla IVRESULTADOS TERMICOS SISTEMA FIJO.

Carga Radiacion T. Ambiente T. Fijo20% 343,77W/m2 28.34◦C 34.39◦C40% 597,33W/m2 32.82◦C 48.60◦C60% 614,04W/m2 32.29◦C 49.02◦C80% 628,34W/m2 35.06◦C 51.95◦C80% 704,84W/m2 34.28◦C 52.48◦C100% 521,05W/m2 32.45◦C 45.06◦C100% 661,91W/m2 35.35◦C 45.01◦C

Tabla VRESULTADOS TERMICOS SISTEMA HIBRIDO.

Carga Radiacion T. Ambiente T. Hıbrido η Termica20% 343,77W/m2 28.34◦C 29.05◦C 16.23%40% 597,33W/m2 32.82◦C 34.31◦C 41.07%60% 614,04W/m2 32.29◦C 34.65◦C 54.40%80% 628,34W/m2 35.06◦C 35.95◦C 47.48%80% 704,84W/m2 34.28◦C 35.89◦C 37.24%100% 521,05W/m2 32.45◦C 33.46◦C 56.93%100% 661,91W/m2 35.35◦C 36.34◦C 30.44%

Observando el valor de la temperatura del paneldel sistema fijo en IV y del panel del sistemahıbrido en V, es posible ver que la temperatura delpanel del sistema hıbrido es mucho menor a la delsistema fijo y tiende a parecerse a la temperaturaambiente. Respecto a la relacion de la eficienciatermica y la variacion de la carga, no se hayaun patron distinguido, por lo que la eficienciatermica depende, en este trabajo, de las condicionesclimaticas.

Ahora, se analizara cualitativamente la influenciala distribucion de temperatura en el panel delsistema fijo y del sistema hıbrido en la figura 6,en donde la figura 6.a muestra una distribucion detemperatura mas elevada que la correspondiente ala del sistema hıbrido en 6.b, esta ultima muestrael efecto de la refrigeracion lıquida. Finalmente,la figura 6.c muestra una escala termica de lastemperaturas con las temperaturas maximas ymınimas presentes. Nota: estas tomas se realizaroncon la camara FLIRONE con las recomendacionesque se especificaban en [5].

(a) Imagen termograficadel sistema fijo

(b) Imagen termograficadel sistema hıbrido

(c) EscalaTermica

Figura 6. Imagenes termograficas de ambos sistemas y escalatermica con valores maximos y mınimos.

VI. CONCLUSIONES

Un sistema hıbrido para la mejora de eficienciade conversion y de produccion de energıafue disenado, implementado y caracterizado,el cual aumento su produccion de energıa (enWh) en un porcentaje de 40% con respecto alsistema fijo, ademas, se construyo basado en elprincipio de que el sistema de rastreo debe deguardar la posicion sin tener constantementeenergizado el actuador. Lo anterior, permitioalcanzar y superar los resultados esperados.De acuerdo a los resultados obtenidos de pro-duccion de energıa respecto a la variacion decarga electrica conectada al sistema hıbrido,fue mas eficiente trabajar con una carga electri-ca que este en un rango del 80% al 100% de lacapacidad del panel solar, pues de esta forma,el sistema hıbrido pudo producir alrededor de40% mas de energıa con respecto a un sistemafijo.Cuando un panel solar esta conectado directa-mente a una carga electrica de menor consumode potencia de la que puede entregar el panel,este necesitara de menor radiacion para satis-facer la demanda energetica de la carga.La eficiencia electrica del sistema hıbrido so-bre el sistema fijo puede ser hasta de η =5,03% mas, es decir, 42,16% mayor que elsistema fijo.Las instalaciones fotovoltaicas de montura fijaorientadas hacia el sur disminuyen su capta-cion de la radiacion solar desde el equinocciode primavera hasta el equinoccio de otonoen ubicaciones cercanas al Ecuador, es decir,desde marzo hasta septiembre, ya que dichainstalacion no estarıa tan expuesta a la ra-diacion directa del sol gracias al movimientoaparente de este.La temperatura de la parte trasera de los pane-les expuestos a la radiacion solar adquiere enpromedio 3◦C mas temperatura con respecto ala parte frontal.La distribucion de temperatura de la partefrontal del sistema hıbrido muestra que paradisminuir la temperatura de todas las seccionesdel panel es necesario que se refrigeren todaslas zonas, en otras palabras, no basta con

enfriar la mayor parte del panel.El sistema de refrigeracion con agua parapaneles solares, es un sistema el cual permiteelevar la temperatura del agua en algunos casoshasta 7◦C al hacer pasar una pelıcula de aguasobre la superficie frontal del panel, dichofenomeno permite que el sistema se puedaaprovechar como un calentador de agua paraotra aplicacion que lo requiera.Al poner en funcionamiento el sistema derefrigeracion una vez el sistema hıbrido fueinstalado, se observo que en el sistema dedesague ocurren fenomenos fısicos que no per-miten un adecuado drenaje del agua a ciertasinclinaciones, ocasionando que esta se filtrey se rebose. Por lo tanto, para un trabajofuturo, se recomienda disenar un sistema derefrigeracion que tome en consideracion losfenomenos fısicos observados (gravedad, pre-sion del aire, presion del agua, mecanica defluidos, inclinacion de una superficie) para undebido drenaje del agua.

REFERENCIAS

[1] Instituto Tipperary Kevin Healion. Capitulo 2. introduccion a laterminologıa de las energıas renovables. Tambie disponible en :http://www.exa.unicen.edu.ar/catedras/tecnoambiente/eyp.pdf.

[2] John A Duffie and William A Beckman. Solar engineering ofthermal processes. 1980.

[3] R Ramkumar, M Kesavan, CM Raguraman, and A Ragupathy.Enhancing the performance of photovoltaic module using claypot evaporative cooling water. In Energy Efficient Technologiesfor Sustainability (ICEETS), 2016 International Conference on,pages 217–222. IEEE, 2016.

[4] Angel Antonio Bayod Rujula. Energıas renovables. sistemasfotovoltaicos. 2009.

[5] FLIR. Thermal imaging cameras: a fast and reliable tool fortesting solar panels. Tambien disponible en : http://www.flir.co.uk/instruments/building/display/?id=41872.