SIMULACIÓN NUMÉRICA CFD APLICADA AL ESTUDIO Y OPTIMIZACIÓN DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE PANELES FOTOVOLTAICOS INTEGRADOS EN CUBIERTA

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1 SIMULACIÓN NUMÉRICA CFD APLICADA AL ESTUDIO Y OPTIMIZACIÓN DEL COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE PANELES FOTOVOLTAICOS INTEGRADOS EN CUBIERTA Dr. Ing. Marcos Oswaldo Quispe Flores marcos.quispe@teksode.com Dr. Ing. Juan Raúl Massipe Hernández raul.massipe@teksode.com Mg. Ing. Juan Gabriel Ruiz Rodríguez juan.gabriel@gmx.es TEKSODE International Consulting (Barcelona, España), Resumen. En el presente trabajo se lleva a cabo un estudio del comportamiento térmico de paneles fotovoltaicos FV integrados en cubierta. Este tipo de estudio es fundamental durante la fase de diseño de los canales de ventilación de aire, los cuales deben garantizar el enfriamiento adecuado de los paneles fotovoltaicos, debido una condición fundamental: la eficacia del enfriamiento de los canales de ventilación repercute directamente en la eficiencia de conversión fotovoltaica de los paneles. Los modelos de instalación integrados en cubierta merecen una especial atención, por cuanto carecen de los espacios de aire para enfriamiento que si se tienen en los modelos no integrados. Para llevar a cabo esta investigación se ha hecho uso de simulaciones numéricas de alto nivel CFD (Computational Fluid Dynamics). Se estudian seis casos distintos, diferenciados entre sí por su configuración geométrica, así como por su condición de sistema solar activo o pasivo. Palabras clave: FV (Panel fotovoltaico), BIPV (Paneles fotovoltaicos integrados en edificios), CFD (Dinámica de fluidos computacional) 1. INTRODUCCIÓN Por regla general, se distinguen dos modelos de instalación sobre cubierta de paneles fotovoltaicos (FV): integrados y no integrados. La elección de uno u otro modelo depende de muchos factores, como pueden ser: criterios de diseño arquitectónico, optimización de espacios físicos disponibles en la instalación, búsqueda de la máxima eficiencia de conversión fotovoltaica, etc. Son ejemplos de modelos no integrados (Fig. 1a) los paneles fotovoltaicos instalados en viviendas unifamiliares, escuelas, hospitales, estacionamientos, etc., mientras que los modelos integrados (Fig. 1b) los podemos encontrar en cubiertas de edificios, caballerizas, almacenes, etc. Figura 1 Ejemplos de modelos de instalación sobre cubierta de paneles fotovoltaicos: (a) No integrado, (b) Integrado. En las instalaciones integradas en cubierta, los paneles fotovoltaicos deben instalarse juntos herméticamente, sin dejar espacio entre ellos. Para conseguir el enfriamiento de dichos paneles se utiliza un canal de ventilación de aire ubicado debajo de ellos, con circulación natural o forzada. En este caso, las temperaturas máximas de los paneles son más elevadas respecto a las instalaciones no integradas, al haber menos espacio para la circulación del aire. Se conoce que temperaturas elevadas en los paneles fotovoltaicos afectan negativamente a la eficiencia de conversión fotovoltaica y por consiguiente a la generación de electricidad. Por ejemplo, en el caso de los paneles de silicio cristalino se reporta una caída de la potencia generada de hasta 0,5% por cada grado centígrado de aumento en su temperatura. En algunos casos, si el diseño es inapropiado, las altas temperaturas pueden incluso dañar la integridad física de la planta FV,

2 afectando los propios paneles fotovoltaicos, así como sus conexiones y componentes eléctricos anexos. Los máximos valores de temperatura que alcanzan los sistemas integrados se convierten en la variable térmica más crítica del diseño. Está reportado que las temperaturas de los paneles fotovoltaicos deben mantenerse por debajo de 70 ºC (Wen I Jyh et al, 2008). Otra desventaja de los modelos integrados respecto a los no integrados es la inevitable aparición de elevados gradientes de temperatura entre los paneles, a lo largo del canal de ventilación. Se conoce que las diferencias elevadas de temperatura entre cadenas de módulos FV, conectadas en paralelo, pueden provocar gradientes de voltaje que agravan aún más los problemas térmicos, generando nuevas fuentes de disipación de calor en puntos localizados. El diseño apropiado del canal de ventilación de aire depende de muchos factores como: el espesor del canal, la forma de su entrada y salida, su inclinación, su longitud, la forma de los marcos y separadores, las propiedades físicas de los materiales, etc. (Alain Guiavarch et al, 2006). La disipación de calor en los paneles fotovoltaicos combina mecanismos complejos de transferencia de calor por conducción, convección y radiación, cuya fenomenología difícilmente puede ser abordada con métodos de cálculo convencionales. Estudios de este tipo necesitan el uso de técnicas avanzadas de análisis, como son las simulaciones numéricas de alto nivel CFD (Computational Fluid Dynamics) (John David Anderson, 1995). En base a estas técnicas, en el presente trabajo se estudia el comportamiento térmico de los paneles fotovoltaicos, integrados sobre la cubierta, con el fin de proponer diseños óptimos de los sistemas de enfriamiento por aire, con convección natural o forzada, que nos permitan evitar valores críticos de temperaturas en los paneles y, por consiguiente, mejorar su rendimiento y garantizar la fiabilidad técnica del sistema. Las simulaciones numéricas CFD nos permiten obtener una descripción detallada de la distribución de las variables del fluido (temperaturas, velocidades y presiones). La ventaja de este tipo de estudio es que los diseños propuestos pueden ser simulados en una fracción muy reducida de tiempo, comparado al caso de tener que construir montajes experimentales, con el costo añadido que ello conlleva. 2. MODELOS DE ESTUDIO 2.1 Descripción de los casos Figura 2 Modelo geométrico bidimensional, conformado por una habitáculo, sobre cuya cubierta se dispone de una cadena integrada de cinco paneles fotovoltaicos. En la Fig. 2 se representa el modelo geométrico estudiado. El caso corresponde a un habitáculo bidimensional en el plano x y, cuya cubierta está inclinada 19 grados respecto del plano horizontal. El modelo bidimensional está justificado debido a que se considera que la tercera dimensión es mucho mayor en longitud respecto a las otras dos dimensiones, tal y como se presenta en aplicaciones reales. Por encima de la cubierta se ha colocado una cadena integrada de cinco paneles fotovoltaicos, que mantienen una separación de 13 cm respecto de la cubierta; dicho espacio actúa como canal de ventilación de aire. Tomando como referencia el modelo general de la Fig. 2, en el presente trabajo se han simulado numéricamente seis casos, que corresponden a la combinación de cuatro tipos de canales, distintos geométricamente entre sí, y a su condición de sistema solar activo o pasivo. En las Fig. 3 a 8 se describen los principales detalles de cada uno de los casos.

3 Figura 3 Caso A: Canal de ventilación con separador de aluminio de sección 3 x 3,7 cm. Figura 4 Caso B: Canal de ventilación con separador de aluminio reducido de sección 3,7 cm x 7,7 mm. Figura 5 Caso C: Canal de ventilación con obstáculos periódicos de sección 3,7 x 3,7 cm, ubicados en su base, y con separador de aluminio reducido de sección 3,7 cm x 7,7 mm.

4 Figura 6 Caso D: Inclusión de un canal de ventilación paralelo al canal principal, ambos están separados mediante un material aislante térmico. La longitud del nuevo canal es de 300 cm y su ancho es 3,7 cm. Se han practicado dos aperturas adicionales en el material aislante de 3,7 cm para el paso del aire. La sección del separador de aluminio reducido es 3,7 cm x 7,7 mm. Figura 7 Caso E: Geometría similar al caso B, sobre la cual se ha incluido un sistema de ventilación forzada en la entrada del canal, para mantener el flujo de aire a una velocidad media de 3 m/s. Figura 8 Caso F: Geometría similar al caso C, sobre la cual se ha incluido un sistema de ventilación forzada en la entrada del canal, para mantener el flujo de aire a una velocidad media de 3 m/s.

5 Las principales características de cada uno de los casos se describen a continuación: Caso A (Fig. 3): Sistema pasivo, cuya cubierta está inclinada 19º respecto de la horizontal. Se considera una cadena de cinco paneles fotovoltaicos, de 75 cm de longitud cada uno y de espesor 3,85 mm. Todos ellos están integrados sobre la cubierta, unidos entre sí mediante separadores de aluminio de sección 3 x 3,7 cm. Se asume una separación de 13 cm entre los paneles fotovoltaicos y la cubierta del habitáculo. Caso B (Fig. 4): Sistema pasivo, cuyas características geométricas son similares al caso A, excepto en el tipo de separador de aluminio, que en este caso es reducido, con sección 3,7 cm x 7,7 mm. Caso C (Fig. 5): Sistema pasivo, cuyas características geométricas son similares al caso B, excepto en la forma de la base del canal de ventilación. Con la finalidad de estudiar los efectos de turbulencias en el aire, se han agregado obstáculos periódicos en la base del canal (de sección 3,7 x 3,7 cm), separados entre sí por una distancia de 33,8 cm. Caso D (Fig. 6): Sistema pasivo, basado en la geometría del caso B, sobre la cual se ha incluido un canal de ventilación paralelo al canal principal, ambos separados mediante un material aislante térmico. La longitud de este nuevo canal cubre la distancia de los primeros cuatro paneles fotovoltaicos, siendo su longitud total de 300 cm y su ancho de 3,7 cm. Con la finalidad de dar paso al aire de ventilación, se han practicado dos aperturas en el material aislante de 3,7 cm, ubicadas en las partes central y final del canal de ventilación paralelo. El objetivo del nuevo canal es obtener aire de refrigeración en las zonas finales de la cadena de paneles, bajo condiciones de temperatura de aire a la entrada. Caso E (Fig. 7): Sistema activo, en este caso se repiten las características geométricas del caso B, siendo la diferencia principal la inclusión de un sistema de ventilación forzada en la entrada del canal, que nos permita mantener una velocidad media del aire en 3 m/s. Caso F (Fig. 8): Sistema activo, basado en la geometría del caso C, sobre la cual se ha incluido un sistema de ventilación forzada en la entrada del canal, que nos permita mantener una velocidad media del aire en 3 m/s. 2.2 Condiciones de modelización Los casos estudiados están gobernados por las ecuaciones de Navier Stokes (conservación de la masa, cantidad de movimiento y energía). Para llevar a cabo el análisis numérico se ha hecho uso del código comercial CFD FLOTRAN, componente del software de uso general ANSYS. Como condiciones principales de simulación se han considerado flujo incompresible en régimen permanente, laminar o turbulento según el caso, propiedades físicas variables y geometrías bidimensionales. Todos los casos han sido validados numéricamente mediante un estudio de densificación de la malla. El estudio de validación nos ha permitido obtener los resultados asintóticos de las variables de interés: los campos de velocidad y temperatura. Para la partes sólidas del modelo: panel fotovoltaico, separadores de aluminio y material aislante, se han considerado las conductividades térmicas: 0,16; 209 y 0,065 W/mK, respectivamente. Para las condiciones de ambiente exterior lejano se considera que la velocidad media es de 1 m/s y la temperatura ambiental igual a 24ºC. Para las condiciones de irradiación, se considera que el valor medio de la potencia superficial exterior es igual a 1000 W/m 2. Como valor práctico se estima que el 54,7% de la potencia superficial exterior es la cantidad que debe disipar en forma de calor cada panel fotovoltaico. Este es el valor de la radiación solar que en el panel se convierte en energía térmica, descontando las cantidades de radiación solar que se pierden por reflexión y la que se transforma en energía eléctrica. 3. RESULTADOS Para el caso A se ha obtenido el peor comportamiento desde el punto de vista térmico. El pico de temperatura se ubica en la parte final del primer panel fotovoltaico, con una valor de 109,6 ºC (Fig. 9), dato muy por encima del valor recomendado (Wen I-Jyh et al, 2008). En este panel también se obtiene el máximo gradiente de temperatura: 78,3 ºC (Fig 10). Los resultados obtenidos del mapa de velocidades (Fig. 11) nos permiten apreciar que los órdenes de magnitud de esta variable son muy bajos en la parte inferior inmediata de los paneles fotovoltaicos respecto de otras zonas, lo que repercute negativamente en el proceso de transferencia de calor y por consiguiente empeora la disipación calor. La causa principal de este comportamiento es el modelo de separador de aluminio, cuyas dimensiones obstaculizan el flujo de aire y generan zonas de estancamiento aguas abajo de su posición. Evaluando las zonas de aire en la parte superior del canal, expuestas al ambiente, se obtiene velocidades bajas en los primeros paneles, lo que agrava aún más la disipación de calor y condiciona a que el primer panel tenga el peor comportamiento térmico. Esto depende fundamentalmente del perfil aerodinámico del panel en la entrada del canal y de la dirección de impacto de los vectores de velocidad del aire. Los resultados del caso B mejoran sustancialmente los obtenidos en el caso anterior. La causa principal de esta diferencia es la modificación de la geometría del separador de aluminio. En este caso el separador ejerce una mínima obstrucción al paso del aire, desapareciendo las zonas de estancamiento de aire que se presentaban en el caso A. Es decir, con esta modificación se ha conseguido optimizar el proceso de disipación de calor. La temperatura máxima

6 obtenida en el caso B es de 84,1 ºC (Fig. 12), mientras que el máximo gradiente de temperatura es de 46,4 ºC (Fig. 13). En la Fig. 14 se puede apreciar el flujo ininterrumpido del aire dentro del canal de ventilación, con valores bajos del campo de velocidades cerca de las partes sólidas, debido al comportamiento natural de zona de capa límite. En la configuración propuesta para el caso C, con obstáculos periódicos ubicados en la base del canal, el objetivo es romper las zonas de capa límite y crear movimientos turbulentos del aire, buscando mejorar el proceso de transferencia de calor. No se ha obtenido una diferencia significativa en los picos de temperatura con respecto al caso anterior, debido fundamentalmente a que el movimiento del fluido está basado en un sistema pasivo. La máxima temperatura obtenida fue de 83,9 ºC (Fig. 15), mientras que el máximo gradiente de temperaturas es 47,5 ºC (Fig. 16), obtenido en el primer panel, como en el caso anterior. La configuración propuesta para el caso D, con un canal de ventilación paralelo al canal principal, tiene como objetivo aportar aire en condiciones de temperatura de entrada hacia los paneles fotovoltaicos, próximos a la salida del canal de ventilación. Los resultados térmicos obtenidos no presentan grandes diferencias respecto de los casos B y C. La máxima temperatura obtenida fue 83,4 ºC (Fig. 18). El caso E corresponde a un sistema activo, tomando como referencia la geometría del caso B. Esta solución implica colocar algún mecanismo que condicione la convección forzada en la entrada del canal, manteniendo una velocidad media del aire en 3 m/s. Tal y como se esperaba, se aprecia una reducción importante de temperatura respecto de los casos anteriores. La temperatura máxima obtenida es 72,3 ºC (Fig. 20). El caso F es otra variante de sistema activo, tomando como referencia la geometría del caso C. Se impone para esta caso que la velocidad media del aire en la entrada del canal se mantenga en 3 m/s, a través de algún mecanismo de ventilación forzada. Este caso mejora sustancialmente las prestaciones de los sistemas pasivos anteriores, e incluso mejora moderadamente los valores obtenidos en el caso E. La temperatura máxima del caso F fue de 69,2ºC (Fig. 22). Figura 9 Caso A: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del primer panel fotovoltaico del canal de ventilación. Figura 10 Caso A: Distribución de temperaturas (ºC) en el primer panel del canal de ventilación. En este panel se obtiene el máximo gradiente de temperatura.

7 Figura 11 Caso A: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en la zona de impacto del aire con el primer panel fotovoltaico del canal de ventilación. Figura 12 Caso B: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del cuarto panel fotovoltaico del canal de ventilación. Figura 13 Caso B: Distribución de temperaturas (ºC) en el primer panel del canal de ventilación. En este panel se obtiene el máximo gradiente de temperatura.

8 Figura 14 Caso B: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en la zona de impacto del aire con la base, en la entrada del canal de ventilación. Figura 15 Caso C: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del cuarto panel fotovoltaico del canal de ventilación. Figura 16 Caso C: Distribución de temperaturas (ºC) en el primer panel del canal de ventilación. En este panel se obtiene el máximo gradiente de temperatura.

9 Figura 17 Caso C: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en la zona de impacto del aire con el primer panel fotovoltaico del canal de ventilación. Figura 18 Caso D: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del tercer panel fotovoltaico del canal de ventilación. Figura 19 Caso D: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en la zona de impacto del aire con la base, en la entrada del canal de ventilación.

10 Figura 20 Caso E: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del cuarto panel fotovoltaico del canal de ventilación. Figura 21 Caso E: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en la zona de impacto del aire con el primer panel fotovoltaico del canal de ventilación. Figura 22 Caso F: Distribución de temperaturas (ºC). La máxima temperatura está ubicada en la parte final del quinto panel fotovoltaico del canal de ventilación.

11 Figura 23 Caso F: Distribución de velocidades (m/s). La máxima velocidad se ubica en las proximidades de la parte final del cuarto panel del canal de ventilación. 4. CONCLUSIONES a. Comparando entre si los sistemas pasivos, se obtiene una mejor prestación de diseño en el caso B (Tab. 1). Si bien los valores de temperatura de los casos C y D son algo menores, sin embargo ambos necesitarían un proceso constructivo más complejo que en el caso B. b. La modificación propuesta para la geometría del separador de aluminio del caso A al caso B tiene un notable impacto en el comportamiento térmico de los paneles fotovoltaicos: se obtiene una reducción considerable en el pico de temperatura de 25,5 ºC. c. Como era de esperar, los resultados obtenidos en los sistemas activos (casos E y F) son mejores a los resultados de los sistemas pasivos. Se obtiene una reducción promedio del pico de temperatura del orden de 12 ºC. El uso de sistemas pasivos implica asumir los requerimientos económicos de los sistemas de ventilación forzada. d. Las temperaturas del caso F son moderadamente menores a las del caso E. La diferencia entre sus valores máximos de temperatura es de 3 ºC. Esta diferencia podría incrementarse, investigando otros modelos de obstáculos, alternativos al que se ha propuesto en este estudio. REFERENCIAS Tabla 1. Resumen de valores máximos de temperatura y velocidad para cada caso. Caso Sistema T MAX (ºC) V MAX (m/s) A Pasivo 109,6 2,1 B Pasivo 84,1 2,4 C Pasivo 83,9 2,1 D Pasivo 83,4 2,2 E Activo 72,3 3,2 F Activo 69,2 3,2 Alain Guiavarch, Bruno Peuportier, Photovoltaic collectors efficiency according to their integration in buildings. Solar Energy 80, ANSYS. John David Anderson, Computational Fluid Dynamics. Kindle Edition. Wen I-Jyh, Chang Pei-Chi, Chiang Che-Ming, Lai Chi-Ming, Performance Assessment of Ventilated BIPV Roofs Collocating With Outdoor and Indoor Openings. Journal of Applied Sciences 8 (20):

12 THERMAL ANALYSIS OF BUILDING INTEGRATED PHOTOVOLTAIC PANELS USING NUMERICAL SIMULATION CFD Abstract. The thermal behaviour of building integrated photovoltaic panels has been investigated. This type of study is useful to defining an appropriate air ventilation channel for the integrated system. This part of the design affects directly the efficiency of the photovoltaic conversion in the panels. The main disadvantage of the building integrated photovoltaic system compared to the non integrated configuration is the lack of spaces for the air movement, which decrease the performance of the air refrigeration. For all the analysis CFD (Computational Fluid Dynamics) tools have been applied. Based on different geometrical models and on the status of the solar system, passive or active, six cases have been proposed for this work. Key words: PV (Photovoltaic Panel), BIPV (Building Integrated Photovoltaic), CFD (Computational Fluid Dynamics).