VIABILIDAD DE REFRIGERAR UNA CÉLULA FOTOVOLTAICA CONCENTRADA

Transcripción

1 VIABILIDAD DE REFRIGERAR UNA CÉLULA FOTOVOLTAICA CONCENTRADA Autor: García Martín, Carlos. Directores: Raya, Al-Dadah y Mahmoud, Saad. University of Birmingham; ICAI-Universidad Pontificia Comillas de Madrid. RESUMEN DEL PROYECTO La energía solar es una de las fuentes de energía renovable más prometedoras. Existe una diversidad de formas en que esta energía puede ser utilizada; las más importantes son mediante paneles solares fotovoltaicos y mediante colectores térmicos. Los paneles fotovoltaicos se usan para obtener electricidad mientras que los colectores se usan para obtener agua caliente. Ambos sistemas son tecnológicamente distintos y por tanto independientes el uno del otro. Incrementar la radiación en una célula fotovoltaica incrementa su generación de electricidad. Esto puede ser realizado utilizando concentradores solares en los paneles. Sin embargo, este incremento de radiación produce un sobrecalentamiento de las células y por tanto, el deterioro de su eficiencia. Debido a esta reducción del rendimiento, es necesario refrigerar las células fotovoltaicas con el fin de mitigar este problema. El agua obtenida de la refrigeración se puede usar para agua caliente sanitaria o para calefacción. Este proyecto evalúa la viabilidad técnica y económica de refrigerar un panel fotovoltaico con sistema de concentración. De cara a esta evaluación, un sistema de refrigeración basado en un intercambiador de calor situado en la parte trasera del panel ha sido diseñado y optimizado. Además de este intercambiador de calor, el sistema necesario para concentrar la radiación solar también ha sido calculado y analizado. Este elemento tiene la finalidad de concentrar la máxima radiación posible sin la ayuda de un sistema de seguimiento. Para poder determinar la viabilidad de este tipo de paneles, se analizó el coste de su adquisición e instalación así como el ahorro derivado de su uso en una vivienda. Estos resultados se compararon con una instalación de paneles fotovoltaicos convencionales. Es más, con la finalidad de poder evaluar las posibles situaciones en que los paneles se pueden utilizar, estos cálculos se realizaron para tres situaciones distintas; cuando la casa está conectada a la red, cuando está desconectada y por último cuando únicamente

2 las necesidades térmicas están cubiertas. A través de estos análisis se ha conseguido averiguar en qué casos está tecnología resulta mejor. Finalmente, el último objetivo de este proyecto fue comprobar en aquellos casos en los que resultó ventajoso utilizar paneles concentrados, si era posible mejorar este resultado usando en lugar de esta tecnología, paneles fotovoltaicos convencionales acompañados de una instalación térmica. Esta comprobación también se llevo a cabo para aquellos casos en los que utilizar paneles concentrados no era la opción óptima. La tasa de retorno de la inversión fue el parámetro utilizado para poder decidir cuál era la configuración óptima. Los resultados obtenidos en este proyecto se pueden resumir en tres. En primer lugar, una instalación fotovoltaica para casas desconectadas de la red necesita una gran cantidad de paneles y baterías. Este gran número de elementos son necesarios para poder satisfacer las necesidades eléctricas que requiere cubrir completamente el consumo eléctrico durante todo el año. Es por ello por lo que una instalación desconectada de la red resulta cara en comparación con la energía que puede ahorrar. Por este motivo, invertir en un sistema de refrigeración ayuda a reducir el número de años necesarios para amortizar la instalación. En segundo lugar, las casas conectadas a la red, dado que no requieren baterías y el número de paneles fotovoltaicos es menor por la posibilidad de adquirir electricidad de la red, presentan un menor periodo de recuperación de la inversión. Es por ello por lo que invertir dinero extra en una instalación con paneles híbridos no ayudará a reducir el periodo de amortización de la instalación aunque se produzcan ahorros anuales mayores. En tercer lugar, una instalación térmica puede ser diseñada cubriendo parcial o totalmente las necesidades de agua caliente requeridas. En cualquiera de estos casos, aunque la inversión a realizar es mayor que cuando se refrigeran los paneles convencionales, esta inversión se recupera antes. La razón de ello es porque los ahorros anuales son mayores para cualquiera de los dos casos. El precio de ambas instalaciones son parecidos ya que las dos utilizan los mismos elementos hidráulicos; la única parte que varía es el número de colectores, los cuales están parcialmente subvencionados. Cálculos realizados en este proyecto muestran como cualquiera de estas dos configuraciones presenta un mayor rendimiento en comparación con una instalación en la que se usan paneles híbridos; siendo este el motivo por el cual es mejor instalar un colector convencional en una vivienda.

3 Por tanto, se ha podido concluir que independientemente si las casas están conectadas o desconectadas de la red, siempre será una mejor opción tener dos instalaciones distintas, una instalación convencional fotovoltaica capaz de satisfacer las necesidades eléctricas, y una instalación térmica encargada de cubrir las necesidades de agua caliente. Si estas dos instalaciones son usadas de forma individual, la casa estará parcial o completamente energéticamente independiente de la red; siendo posible recuperar la inversión más rápidamente en comparación con una instalación fotovoltaica concentrada con sistema de refrigeración. El único inconveniente que presenta el no utilizar una instalación híbrida, es que las dos instalaciones convencionales necesitan más espacio para su funcionamiento. No obstante, estas conclusiones deberán ser revisadas en los próximos años para comprobar si han cambiado con la reducción del precio esperado para la tecnología solar. A modo de recapitulación, decir que este proyecto trató en un primer lugar el diseño óptimo de un sistema de concentración y refrigeración para un panel fotovoltaico. Una vez que se obtuvo ese diseño, se utilizó para dimensionar una instalación eléctrica y térmica para una vivienda. Estos resultados obtenidos se compararon con la tecnología fotovoltaica y térmica convencional. Analizando ambos estudios, se comprobó que aunque la idea de un panel híbrido podría ser el futuro, resultó ser menos eficiente que si las dos tecnologías convencionales eran instaladas de forma separada. Es por tanto, por lo que únicamente estaría justificado el uso de estos paneles híbridos en casas donde no se disponga del espacio necesario para instalar ambas instalaciones de forma individual. Estas conclusiones han sido contrastadas con el mercado solar, en donde únicamente se pueden encontrar estas tecnologías de forma separada. Es por tanto, por lo que se concluye que los resultados obtenidos son veraces ya que coinciden con el mercado.

4 FESEABILITY OF COOLING CONCENTRAED PV CELLS Author: García Martín, Carlos. Directors: Raya, Al-Dadah y Mahmoud, Saad. University of Birmingham; ICAI-Universidad Pontificia Comillas de Madrid. PROJECT SUMMARY Solar energy is one of the most promising renewable energy sources. There are many different ways in which this energy can be seized; the most important way is through solar photovoltaic panels and thermal collectors. Photovoltaic panels are used to produce electricity, whereas thermal collectors are used to produce hot water. Both systems are completely different and independent from each other. Increasing energy input on a PV cell should increase its electricity output. This may be done by concentrating the solar radiation on the panel. However; this may also result in overheating the PV cells and hence, the deterioration of the cell s efficiency. This efficiency decreases with temperature and as a result, the cooling of PV cells using water is required in order to overcome this overheating problem. This water may be used for hot water services or heating purposes. This project evaluates if it is feasible and economically worthwhile to cool a PV panel. In order to investigate this if this is possible, a cooling system based on a heat exchanger attached to the back of the panel will be design and optimised. In addition to this cooling system, a concentration device will also be developed. This device will have to concentrate as much radiation as possible on the panel, without using a tracking system. In order to find out the feasibility of these panels, an installation for a conventional house will be calculated using the concentrated cooled panels. The same experiment will also be conducted using conventional PV panels. Using the same installation with different types of panels will uncover which configuration is the best option. Moreover, these calculations will be carried out in three different scenarios; when the house is connected to the grid; when it is disconnected and; when just thermal needs are satisfied. Furthermore, this project also aims to find out if the feasibility of this technology depends on a certain type of connection. Finally, last objective of this project is to ascertain in cases where it is a better solution to use concentrated cooled PV panels, if this result could be improved using a conventional installation accompanied by a thermal installation instead. This calculation

5 will also be carried out for those cases when concentrated cooled panels do not help to reduce the return of the investment. ROI is the economical parameter that will be used to decide what is the best configuration. There are three main results that summarise the project. The first one is that PV installation for houses disconnected from the grid requires a large number of panels and batteries to satisfy electrical needs. To completely cover these needs would mean that the installation would be oversized for nearly the entire year. This fact makes it very costly when compared with the money that could be saved. Hence, if some extra money is invested in a cooling system, extra savings will help to reduce the number of years required to recover the investment made. On the other hand, houses connected to the grid, due to the fact that they do not require storage batteries and require a smaller number of panels because electricity can be purchased from the grid, are also cost effective. For this reason, it has a short time of return of investment. Therefore, if the system is upgraded into a cooled concentrated system, this extra investment does not help to reduce recovering time, it just helps to produce higher annual savings. The third and last result is that thermal installation can be designed to cover partial or total thermal needs. Is has been justified that although investment is higher when total needs are satisfied, this investment can be recovered faster. Reason for this, is because savings are bigger and its cost does not differ a lot from a partial thermal installation. Its prices are similar because either option has the same hydraulic system; the only part that varies between them is the number of collectors, which is the only part granted of the installation. In addition to this, analysis shows that both thermal configurations have a better efficiency than a concentrated cooled PV one. Therefore, any of them is a better solution to install in a house. According to data obtained from different scenarios analyzed, can be concluded that independently if houses are connected or disconnected from the grid, it will always be a better option to have two different installations; a photovoltaic one capable to supply electrical needs, and a thermal one in charge to cover thermal necessities. If these two technologies are installed, house will be partially or completely energy dependent and it will be possible to recover the investment faster than if a conventional PV installation is concentrated and cooled. The only drawback from this last configuration is that requires more space than upgrade a conventional installation. Nevertheless, this project should

6 be reviewed in the future in order to check if these conclusions have changed with the reduction of the price expected for PV installations in the following years. To sum up, this project looked in first place for an optimum design of a concentrated cooled PV panel. Once that design was obtained; it was used to calculate an electrical and thermal installation in a real house in order to compare its results with the one obtained with conventional photovoltaic and thermal installations. When results were analysed, it was proved that even the idea of a hybrid panel could be the future of these two technologies; this technology resulted to be less efficient than if the two conventional installations were carried out separately. However, It could be justified its usage in those houses without enough space for both systems. These conclusions were checked with the reality, where commercial solar companies either just offer PV panels, thermal collector or both of them; there is not any company which offers hybrid panels. Therefore it can be concluded that analysis carried out in this project are correct because match reality.