DISEÑO, CONSTRUCCION Y EVALUACION DE UN SISTEMA SOLAR HIBRIDO FOTOVOLTAICO/ TÉRMICO PARA AUMENTAR LA EFICIENCIA DE UN PANEL SOLAR Bach. Oswaldo E. Hancco Apaza Lic. Raúl Luque Alvarez Lic. Alberto Montoya Portugal Mcs. Ernesto Palo Tejada Mcs. Miguel Vizcardo Cornejo

1. UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN AREQUIPA FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y FORMALES ESCUELA PROFESIONAL DE FISICA LABORATORIO DE ENERGÍA SOLAR DISEÑO, CONSTRUCCION Y EVALUACION DE UN SISTEMA SOLAR HIBRIDO FOTOVOLTAICO/ TÉRMICO PARA AUMENTAR LA EFICIENCIA DE UN PANEL SOLAR Bach.Oswaldo E. HanccoApaza * Lic. Raúl Luque Alvarez Lic. Alberto Montoya Portugal Mcs. Ernesto PaloTejada Mcs. Miguel VizcardoCornejo

2. RESUMEN El presente proyecto de investigación trata sobre formulaciones teóricas, diseño, construcción y evaluación de un sistema solar híbrido fotovoltaico / térmico (SSH FV/T) para aumentar la eficiencia de un panel fotovoltaico (FV). La motivación aparte de incrementar la eficiencia del panel FV, es aprovechar la energía térmica para uso domestico, teniendo en cuenta el sistema de refrigeración incorporado al panel FV. Se formularon modelos matemáticos de todo SSH FV/T , se describen también los métodos e instrumentos para determinar experimentalmente la medición de parámetros en el proceso de funcionamiento del SSH FV/T. Analizando los datos y curvas de las temperaturas en función del tiempo se observo que mientras se tenga un fluido de agua constante en el SSH FV/T, tendremos buena refrigeración en el panel FV y hemos obtenido un incremento en la eficiencia del panel FV de: 9.06 % a 14.4 % en el primer ensayo y 10.25 % a 12.14 % en el segundo ensayo , al mismo tiempo se pudo aprovechar la energía térmica; llegando a una temperatura máxima de 34º C que es lo suficiente para usos sanitarios, a pesar de no tener un buen aislamiento térmico.

3. INTRODUCCIÓN La eficiencia de los paneles FV; en el mercado, comprendidos entre un 10 % a 25 %, comparada con la energía solar total solo se aprovecha 1/4 parte en forma de electricidad, esta eficiencia se reduce cuando hay un aumento de temperatura en las celdas FV. La idea seria construir un sistema de refrigeración que nos permita aumentar la eficiencia y a la vez aprovechar la energía térmica; dichos paneles FV estarían montados con un absorbedor integrado similar al que es utilizado en un sistema para calentamiento de agua con radiación solar directa. Construir y diseñar un sistema solar Fotovoltaico / térmico en un solo panel es una solución viable que nos permitirá resolver problemas de eficiencia eléctrica del panel FV y poder aprovechar la energía térmica. El objetivo general; aumentar la eficiencia del panel FV, para esto se diseño y construyo un sistema de refrigeración que utilizara un flujo de agua. Una evaluación experimental nos permitirá saber cuanto es la energía térmica entregada por el panel FV bajo condiciones ambientales y con aislamiento. Un análisis teórico matemático de la parte térmica de todo el sistema solar híbrido FV / T, nos permitirá obtener el rendimiento térmico del sistema.

4. I. Diseño y construcción del Sistema Solar Híbrido Fotovoltaico / Térmico (SSH FV/T) 1.1 Descripción general: Out water Figura 1: partes del sistema solar hibrido fotovoltaico / térmico Insulated In water 1.2 Construcción del prototipo: Parte posterior del Panel fotovoltaico Absorber plate Al Sistema refrigerante Tube Cu Figura 2: sistema de refrigeración incorporado al panel fotovoltaico

5. Se han instalado aislantes térmicos en los lados interiores y en la cara posterior del panel, esto para minimizar las perdidas de temperatura Aislantes térmicos Figura 3: colocación del aislante térmico de todo el sistema hibrido fotovoltaico / térmico

6. 1.4 Balance de energía del SSH FV/T Circuito térmico Modelo físico : Ctte entre el producto de la masa y el calor específico [J/K] : Área del panel FV [m2] : Radiación solar [W/m2] :Coefic. Transfe. de calor por Cond. Radiac. y convec. [W/m2K] 1.4.1 Balance de energía para la celda solar : Energía [W] : Temperatura del panel FV [K] : Temperatura ambiente [K] : Temperatura de la placa [K] : Absortancia del panel FV

7. 1.4.2 Balance de energía de la placa absorbedora : Temperatura del fluido [K] : Taza de masa del fluido [Kg/s] : Calor Específico [J/Kg.K] : Temperatura de salida del fluido : Temperatura de entrada del fluido 1.4.3 Balance de energía para el fluido : Masa de la placa de Aluminio [Kg] : Calor especifico del Aluminio [J/Kg.K] : Calor útil entregado por la placa al tubo en la interfase [W/m] : Longitud del tubo en la dirección del fluido [m] 1.4.4 Eficiencias térmicas y eléctricas

8. II. DETERMINACION EXPERIMENTAL Y ANALISIS DE DATOS 2.1 Determinación experimental de la curva I-V y temperatura de enfriamiento del sistema solar híbrido FV/T (17/01/09). de 10:45 am. Hasta las 12:30 pm. la temperatura de placa alcanza un máximo de 40.7 ºC, con esta temperatura tomamos datos de corriente y voltaje hasta las 12:50 pm. A partir de las 12:57 pm encendemos el sistema de refrigeración y vemos que la temp. descendió a 26.5 ºC, tomamos datos de corriente y voltaje, hasta las 13:07 pm. Esto debido a la aparición de nubes. Figura 2.1: Esta figura muestra la disposición de los equipos de medida para la parte térmica y parte eléctrica Figura 2.2: condiciones ambientales de trabajo de radiación solar, velocidad de viento (17/01/09).

9. Análisis de la parte térmica del SSH FV/T. Figura 2.3:se muestra la evolución de la temperatura en función del tiempo la temperatura de la placa decae cuando encendemos el sistema de refrigeración; de 40.7 ºC hasta 26.5 ºC,A pesar de que el tanque de almacenamiento no esta aislado;

10. Análisis de la parte eléctrica del SSH FV/T. 26.5ºC 26.5ºC Voc = 19.8 V Isc = 3.20 A. 40.2ºC 40.2ºC Figura 2.4: Comportamiento de las curvas I-V y Potencia en función del voltaje, sin refrigeración, con refrigeración. Sin refrigeración: t= 12:35……12:50 pm. T = 40.2ºC aprox. Potencia salida = 24.18 W Potencia entrada = 266.83 W ε = 0.0906 ε = 9.06 % Con refrigeración: t= 12:55……13:07 pm. T = 26.5ºC aprox. Potencia salida = 40.18 W Potencia entrada = 278.053 W ε = 0.144 ε = 14.4 %

11. 2.2 Determinación experimental de la curva I-V, temperatura de enfriamiento del sistema híbrido, utilizando un panel FV normal de referencia. (24/01/09) A partir 10:34 am. de monitoreamos las temperaturas (Temp de la placa, entrada, salida, tanque y Temp. del panel FV normal); hasta que la placa alcance un máx. de temp. en equilibrio de 57ºC, esto es hasta las 12:14 pm, a partir de ese instante comienza el encendido de la bomba con un caudal máximo de 0.204 L/s Con la bomba en funcionamiento y visto que la temperatura de la placa alcanzo un equilibrio de 35ºC, a partir de 12:59 pm se procedió a tomar datos de corriente y voltaje para los dos sistemas (híbrido y normal) simultáneamente hasta la 13:10 pm. Figura 2.5: disposición de los paneles FV híbrido y normal. Figura 2.6: condiciones ambientales de trabajo, radiación solar y velocidad de viento (24/01/09).

12. Análisis experimental del sistema térmico Figura 2.6: comportamiento de las temperaturas de todo el sistema térmico. Según la figura 2.6; vemos como la temperatura de la placa decae cuando se enciende el sistema de refrigeración, la temperatura de entrada, salida y del tanque se ponen en equilibrio después del encendido llegando a una temperatura máxima de 34ºC aproximadamente; esto debido a que el sistema de refrigeración es un circuito cerrado y de flujo forzado. Utilizando un caudal máximo de 0.204 L/s, las temp. de entrada y salida, calculamos la eficiencia térmica, llegando a una eficiencia térmica de 37 %.

13. Análisis experimental del sistema eléctrico (curvas I-V) Figura 2.7: I-V hay una diferencia de aproximada de 5.4ºC. De esta grafica vemos que las potencias máximas de salida están en un intervalo de 44,082 W con refrigeración y 40,754 W sin refrigeración. Sin refrigeración:Con refrigeración: t= 12:59……13:10 pm. t= 12:59……13:10 pm. T = 40.6ºC (promedio) T (placa) = 35.2ºC (promedio) Potencia máxima salida = 40.75 W Potencia máxima salida = 44.58 W Potencia entrada = 3870.3 W Potencia entrada = 3870.3 W ε = 0.1025 ε = 0.1214 ε = 10.25 % ε = 12.14 % Eficiencia total del sistema es 49.14 %

15. BIBLIOGRAFÍA [1] Dr. Aníbal Valera P. “ENERGIA SOLAR”, UNI 1993. [2] Frank, Krath, Mark S. Boh, “Principios de transferencia de calor “, Thomson Leaning, 6 Edición, México, 2001. [3] John A. Duffie and W. A. Beckman, “Solar engineering of thermal processes”, second edition, wiley, New York 1991. [4] Y.Sukamongkol, S. Chungpaibulpatana, and W. Ongsakul, “A Simulation Model for Predicting the Performance of a Solar Photovoltaic System with Alternating Current Loads,” Renewable Energy Journal, 27 (2002), P 237-258. [5] Yod Sukamongkol A SIMULATION MODEL FOR PREDICTING THE TRANSIENT PERFORMANCE OF A HYBRID PV/T FORCED-CIRCULATION SOLAR WATER- HEATING SYSTEM, Sirindhorn International Institute of Technonlgy, Thammasat University, P.O.Box 22, 12121, Thailand, Phone:+662 9869006 ext 2505. [6] Satinder Pal Singh and S. Ashok, The Development of a portable hybrid system simulation model, Department of Mechanical Engineering. [7] Panel Solar Híbrido Fotovoltaico/ Térmico Con Incremento De Eficiencia En Sistema Fotovoltaico, luis@panelsolarhibrido.es

16. Gracias Escuela Profesional de Física Laboratorio de energía solar waldo.1203@gmail.com Arequipa Noviembre 2009