Un equipo internacional de investigación ha diseñado un novedoso sistema de refrigeración para módulos fotovoltaicos que incluye un material de cambio de fase (PCM, por sus siglas en inglés), aletas disipadoras de calor y agua. El sistema experimental utiliza la refrigeración pasiva, ya que aprovecha el calor latente de fusión del PCM y el calor latente de evaporación del agua.

Los PCM pueden absorber, almacenar y liberar grandes cantidades de calor latente en rangos de temperatura definidos. Se han utilizado a menudo en el ámbito de la investigación para la refrigeración de módulos fotovoltaicos y el almacenamiento de calor.

“El inconveniente del sistema FV-PCM se mitiga con el uso de aletas disipadoras de calor, que extraen eficientemente el calor del PCM. Mientras tanto, se sigue utilizando agua para acelerar el proceso de transferencia de calor mediante el almacenamiento de energía y la evaporación”, explican los investigadores.

En el artículo “An experimental investigation on coalescing the potentiality of PCM, fins and water to achieve sturdy cooling effect on PV panels” (Una investigación experimental sobre la combinación de la potencialidad del PCM, las aletas y el agua para lograr un fuerte efecto de enfriamiento en paneles fotovoltaicos), publicado en Applied Energy, el prototipo del sistema consiste en un panel fotovoltaico policristalino de 5 W incrustado con PCM HS 29 de unos 0,02 m de grosor.

El PCM HS 29, que tiene una temperatura de fusión de 29 ºC, se eligió en función de la ubicación y las características térmicas del sistema. Sobre la superficie inferior del PCM se adhiere una placa plana de aletas disipadoras de calor de 21 cm × 21 cm. El sistema se coloca dentro de un recipiente de plástico, con 3,3 litros de agua cubriendo las aletas.

El sistema se comparó con un panel fotovoltaico policristalino de referencia de 5 W sin refrigeración. El experimento se realizó en la ciudad de Madurai, en el sur de la India, a principios de octubre de 2020. Las características eléctricas, térmicas y de eficiencia se midieron diariamente desde las 9 de la mañana hasta las 5:30 de la tarde a intervalos de 30 minutos. Utilizando una serie de ecuaciones, algunos de los resultados se ampliaron para un sistema fotovoltaico a gran escala de 1 MW.

Según el equipo de investigación, la potencia diaria en W de la configuración propuesta era un 8,12% y un 9,39% superior a la del panel de referencia. Además, la potencia máxima obtenida con el panel refrigerado fue un 20,25% superior a la del panel de referencia.

“La potencia de salida del panel fotovoltaico de referencia oscila entre 2,579 W y 3,062 W el 3 de octubre, mientras que oscila entre 2,785 W y 3,538 W el 4 de octubre”, señalaron los investigadores. “Por otro lado, la potencia de salida de la configuración propuesta oscila entre 2,538 W y 3,336 W el 3 de octubre, y entre 2,880 W y 3,864 W el 4 de octubre”.

De media, el novedoso sistema ayudó a reducir la temperatura del panel en 10,14 ºC. La mayor diferencia de temperatura, 16,7 ºC, se obtuvo a las 10.30 horas del 4 de octubre. Cuando se amplió a una planta de 1 MW, los científicos comprobaron que el descenso de la temperatura prolongaba su vida útil de 25 a 31 años.

“El esquema de refrigeración fotovoltaica propuesto muestra una reducción adicional de CO2 del 9,4% en comparación con la energía solar fotovoltaica normal”, añaden los investigadores. “Con la técnica de refrigeración propuesta se puede conseguir una reducción de CO2 de 2.130,578 toneladas utilizando una fotovoltaica solar de 1 MW”. También añadieron que la estrategia de refrigeración permite ahorrar un 9,4% de energía al día, lo que, escalado a una planta de gran tamaño, supone 366,5 MW al año.

En cuanto a la eficiencia en términos relativos, los investigadores observaron que el sistema propuesto la mejoraba un 20,3% el primer día y un 13% el segundo. Sin embargo, la mejora media de la eficiencia osciló entre el 0,78% y el 1,08%.

“El sistema de refrigeración diseñado puede servir para paneles solares fotovoltaicos residenciales”, concluyen los académicos. “Este estudio piloto también puede dotarse de un sistema de recogida de calor del agua para formar un sistema PV-T. Además, esta investigación allana el camino para explorar la viabilidad de emplear este enfoque de refrigeración en paneles flotantes, ya que flotan en masas de agua sin movimiento”.

El grupo de investigación está formado por científicos de la australiana Universidad de Queensland, la estadounidense Universidad de California en Los Ángeles (UCLA) y la Escuela de Ingeniería Thiagarajar de Madurai (India).