Los científicos afirman que los sistemas fotovoltaicos en combinación con la refrigeración termoeléctrica pueden amortizarse en 6 años

Un equipo de investigadores de la Universidad Central de Tecnología de Sudáfrica ha desarrollado un módulo solar que incorpora un sistema de refrigeración basado en un enfriador termoeléctrico (TEC).

Los TEC pueden convertir el calor en electricidad a través del "efecto Seebeck", que ocurre cuando una diferencia de temperatura entre dos semiconductores diferentes crea un voltaje entre las dos sustancias. Estos dispositivos se utilizan normalmente en aplicaciones industriales para convertir el exceso de calor en electricidad. Sin embargo, debido a su alto costo y potencia limitada, aún no se han podido utilizar a gran escala.

“El sistema PV-TEC propuesto en este estudio consta de un panel fotovoltaico con un dispositivo TEC adjunto en la parte posterior, un disipador de calor adjunto al lado opuesto del dispositivo termoeléctrico y un mecanismo de conmutación”, explican los científicos. “El TEC funciona con el panel fotovoltaico que se supone que debe enfriar.”

El grupo realizó una simulación numérica para evaluar el rendimiento del sistema. También se configuró una función de optimización para maximizar el rendimiento, tratando de mantener una temperatura objetivo entre 23 C y 27 C cuando la temperatura de la celda supera los 25 C. El panel fotovoltaico utilizado en la simulación tenía una potencia de salida de 100 W, una eficiencia del 17,8 por ciento. y un tamaño de 20.200 cm3. El TEC tenía una corriente máxima de 6,1 A, un voltaje máximo de 17,2 V y un tamaño de 6,08 cm3. El disipador de calor tenía una resistencia térmica de 2,6 C/W y un tamaño de 39,2 cm3.

“Para el escenario estudiado se utilizaron datos meteorológicos de Bloemfontein, Estado Libre, Sudáfrica”, dijeron los investigadores. "El conjunto de datos específico incluye irradiancia global difusa horizontal, difusa normal y horizontal, así como valores de temperatura ambiente que describen un día típico de invierno el 17 de julio de 2021 y un día de verano el 17 de enero de 2021".

Se analizó el funcionamiento del sistema tanto para un día de verano como para un día de invierno, y se comparó su rendimiento con el de un panel fotovoltaico de referencia sin TEC ni disipador de calor. En las condiciones invernales simuladas, la temperatura de la celda nunca superó los 25 °C, por lo que el TEC no estaba activo.   Por lo tanto, se midieron una temperatura máxima de 22,9 °C, una potencia de salida constante de 86,9 W y una producción de energía total de 363,47 Wh tanto en el caso PV-TEC como en el de referencia.

En verano, sin embargo, se utilizó TEC y permitió que el panel alcanzara una potencia máxima de 104,1 W, en comparación con los 94,4 W en el caso de referencia. La temperatura máxima en el caso de referencia fue de 36,1 C, mientras que el PV-TEC no superó los 25 C. En el caso de TEC se logró una eficiencia energética de 603,60 Wh, frente a 547,65 Wh en el caso de referencia. "Los resultados de nuestro modelo propuesto muestran una mejora significativa en la producción de energía, especialmente un 9,27 por ciento en verano", señalan los científicos.

Basándose en estos resultados, los investigadores llevaron a cabo un análisis económico con una vida supuesta de 20 años para PV y PV-TEC y un aumento anual del precio de la electricidad del 10 por ciento y una tasa de interés del 6 por ciento. Si bien se supuso que el precio inicial solo del módulo solar de 100 W sería ZAR 1235 ($66,9), el costo total para el caso PV-TEC fue ZAR 1562,77.

“El punto de equilibrio se alcanza relativamente temprano durante la vida operativa del proyecto. En concreto, ocurre a los 6,5 años”, concluyeron los científicos. "El análisis económico también mostró un ahorro de costes de ZAR 2.905,61, lo que corresponde a un ahorro del 10,56 por ciento durante toda la vida útil del proyecto de 20 años".