CAPITULO I: INTRODUCCION

I.1.- Células y módulos fotovoltaicos

1.- Introducción

Efecto fotovoltaico: consiste en la generación de una fuerza electromotriz en el

metal al ser iluminado; la célula fotovoltaica (de silicio cristalino las más extendidas)

convierte radiación solar en energía eléctrica

2.- Características eléctricas

En la célula solar típica, la corriente generada en el semiconductor es extraída

por los contactos colocados en las caras anterior y posterior; al conectar éstos a un

circuito exterior conseguimos hacer circular por éste una intensidad I(A)

La curva I-V de una célula solar se puede obtener a partir del circuito

equivalente de dispositivo

La curva ideal de la célula se ve alterada por tres factores:

a) Factor de idealidad (m): toma valores entre 1 y 2 (1 en el caso ideal)

b) Resistencia en serie (Rs): resistencia interna de la célula, se debe a la resistencia

de los contactos y del propio material semiconductor

c) Resistencia en paralelo (Rp): se debe a imperfecciones en la unión p-n (Si tipo n

cargado positivamente y Si tipo p cargado negativamente)

Parámetros de funcionamiento: (para una célula solar)

- Intensidad de cortocircuito (Isc,cel): intensidad que se obtiene de la célula

cuando, en ausencia de cargas externas y tras haber sido cortocircuitada en

sus terminales, la tensión en bornes es nula.

Valor típico: 10 - 40 mA/cm2 célula

- Tensión en circuito abierto (Voc,cel): máxima tensión que puede obtenerse

de la célula cuando no hay conectado ningún consumo y la intensidad que

circula es nula.

Valor típico: 0,6 V

- Potencia máxima o potencia pico (Pcel): potencia máxima que puede generar

la célula bajo unas condiciones estándar de radiación incidente

, ,cel p cel p celP I V= ×

Estos parámetros son también válidos para caracterizar módulos

fotovoltaicos, ya que éstos están constituídos a partir de un conjunto de células

solares.

3.- Efecto de la temperatura

Cuando se produce un aumento de temperatura, la tensión de circuito

abierto disminuye (2,3 mV/ºC para el silicio); sin embargo, la intensidad se

mantiene prácticamente constante (en realidad aumenta ligeramente: 1,5 mA/ºC

para el silicio), esto supone que al aumentar la temperatura disminuya la

eficiencia (0,5%/ºC para el silicio)

4.- Efecto de la irradiancia

La intensidad de cortocircuito de una célula solar es directamente

proporcional a la intensidad de iluminación incidente; en cambio, la tensión en

circuito abierto no experimenta grandes variaciones al modificarse las

condiciones de radiación solar

Como consecuencia de lo anterior, la potencia generada es prácticamente

proporcional a la irradiancia. Consecuencias:

a) La proporcionalidad con la irradiancia permite el cálculo de la producción

diaria fácilmente

b) La estabilidad de las tensiones facilita el diseño de módulos para conseguir

tensiones determinadas aunque las irradiancias sean pequeñas. A pesar de

esto, para irradiancias menores de 200 W/m2 la producción de las células de

silicio es prácticamente despreciable.

I.2.- Análisis energético de un panel fotovoltaico

Para la realización de este análisis sería necesario tener en cuenta todos los

intercambios energéticos que tienen lugar entre el panel y su entorno; en general, con el

fin de simplificar el cálculo, se determina la temperatura del panel a partir de la

expresión siguiente:

20 [1.1]800

TONCTp Ta I−= + ×

Tp: temperatura de panel (K)

Ta: temperatura ambiente (K)

I: irradiancia (W/m2)

TONC: Temperatura de Operación Nominal de la Célula (K)

Este desarrollo no considera la influencia de la velocidad y dirección del viento,

ni otros factores como los intercambios energéticos en onda larga, las características

térmicas del panel, los intercambios por conducción…, siendo inapropiado su uso en

dos situaciones fundamentalmente:

- Altas velocidades de viento (superiores a 10 m/s)

- Bajas velocidades de viento, al disminuir el nivel de irradiancia el error de la

estimación aumenta

Por todo esto se propone un nuevo modelo térmico extraído del proyecto fin de carrera:

“Optimización de instalaciones fotovoltaicas con conexión a red”, realizado por Ángel

Sáez Ramírez; en él se desarrolla un modelo térmico que contabiliza el efecto de la

velocidad y dirección del viento así como los intercambios radiantes de onda larga con

el cielo.

La relativa complejidad del modelo impide deducir una única ecuación equivalente a la

anterior; no obstante, para cálculos simplificados propone la siguiente expresión:

/ 2 (2.8 3.0· 0.93· )· [1.2]2.8 3.0·

I Vv hrd TaTpVv hrd

+ + +=

+ +

Si analizamos los términos de la expresión anterior:

Tp: temperatura de panel (K)

Ta: temperatura ambiente (K)

I: irradiancia (W/m2)

Vv: velocidad del viento (m/s)

hrd: coeficiente de radiación (W/m2·K), se define como:

3

4· · · [1.3]2p

Tp Tcielohrd σ ε + =

εp: emisividad del panel fotovoltaico

Tcielo: temperatura de cielo (K), a su vez, este parámetro lo definimos como:

1

2 4273.15 273.15· 0.711 0.56· 0.73· 0.013·cos(15· ) [1.4]100 100 t

Tr TrTcielo Ta h − − = + + +

Tr: temperatura de rocío (K)

ht: hora desde el mediodía

La validez de este segundo modelo queda restringida a aquellas situaciones en

las que la velocidad del viento sea paralela al panel.

Además, permite advertir que la temperatura del panel alcanza valores inferiores a la

temperatura ambiente bajo niveles de irradiancia reducidos (inferiores a niveles de 150-

250 W/m2)

También permite deducir que para altas velocidades de viento, los efectos convectivos

predominan en los intercambios energéticos, mientras que a bajas velocidades de viento

los efectos predominantes son los de radiación en la banda del infrarrojo.

En consecuencia:

- Para velocidades de viento elevadas, la temperatura del panel es del orden de

la del ambiente, sobretodo cuando el nivel de irradiancia toma valores no

elevados (<300 W/m2). Al aumentar el nivel de irradiancia (valores en torno

a 800 W/m2) la diferencia máxima entre la temperatura del módulo y la

ambiente ronda los 15ºC

- Para velocidades de viento reducidas, la temperatura del panel depende

fundamentalmente del nivel de irradiancia, de la temperatura ambiente y de

los intercambios de radiación por onda larga, pudiendo haber diferencias

entre el módulo y el ambiente de hasta 35ºC; éste será el caso con el que

trabajaremos nosotros

I.3.- Materiales de cambio de fase (pcm’s)

1.- Introducción

El almacenamiento de energía en general, y el de energía térmica en particular

(TES: termal energy storage), es en la actualidad una preocupación creciente para el

desarrollo de la tecnología moderna, debido a la gran cantidad de energía generada y

transportada en forma de calor.

La idea fundamental de los sistemas TES es la de poder gestionar la energía:

almacenarla cuando está disponible y es abundante para poder usarla en el caso opuesto:

cuando es escasa. Es el caso, por ejemplo, de las instalaciones solares.

Existen tres formas de almacenar la energía térmica:

1.- Termoquímica: La energía térmica es absorbida o liberada mediante la rotura

o formación de enlaces moleculares en reacciones químicas.

2.- Calor sensible: La gestión de la energía se realiza mediante cambios en la

temperatura del material de almacenamiento, sin modificación de su estado de

agregación. Generalmente se emplea agua líquida, aunque también existen sólidos de

almacenamiento de energía en forma de calor sensible; son los lechos rocosos y

cerámicos. La cantidad de energía almacenada depende, en este caso, del calor

específico del material, del cambio de temperatura producido y de la cantidad de

material de almacenamiento.

3.- Calor latente: Trata de aprovechar el proceso de cambio de fase de los

materiales.

2.- Almacenamiento de energía en forma de calor latente

En este caso la energía térmica es acumulada o liberada en los procesos

reversibles de cambio de fase que tienen lugar en los materiales de almacenamiento:

PCMs.

El cambio de fase de sólido a líquido es el más utilizado, con ello se solucionan

los problemas que se originan al trabajar con gases. Entre éstos destaca el elevado

volumen de la fase vapor, que llevaría a la necesidad de grandes espacios para contener

el material de cambio de fase.

Además aparecerían problemas derivados del aumento de la presión, debido al

incremento del volumen específico al producirse la evaporación. Esto provoca:

a) Necesidad de materiales de gran calidad, capaces de aguantar cargas

importantes, y por tanto de precio elevado.

b) Problemas de fugas, la probabilidad de que aparezcan aumentan cuando se

trabaja con gases a altas presiones

Características del proceso

Los procesos de cambio de fase tienen dos características que los hacen muy

interesantes para el almacenamiento de energía térmica:

- Calor de cambio de fase por unidad de masa elevado; esto es importante para

reducir el material de cambio de fase necesario para absorber una cantidad de

calor determinada.

- Temperatura constante durante el cambio de fase.

Calor de cambio de fase

El calor latente de un material es habitualmente mucho mayor que su calor

sensible.

La cantidad de energía en forma de calor almacenada ya sea de forma sensible o

latente se expresa por:

; [1.5]; [1.6]

s v

L sl

Q m c T calor sensibleQ m h calor latente

= × ×∆= ×∆

Q: energía total almacenada o cedida por el módulo fotovoltaico (kJ)

m: masa de material (kg)

cv: calor específico (kJ/kgºC)

∆T: salto de temperatura sufrido por el material

∆hsl: variación de entalpía implicada en el cambio de fase (kJ/kg)

Dado que ∆hsl>> cv, al almacenar una cierta cantidad de energía en forma de

calor latente en lugar de sensible se consiga una reducción de la cantidad de material

necesario; esto hecho justifica por si solo la realización de este análisis.

Intercambio de calor

Se desea que la transferencia de calor principal se produzca durante el proceso

de cambio de fase; por esto debemos tener en cuenta lo siguiente:

1.- Los procesos de carga y descarga no son iguales.

1.1.- Carga: El fenómeno dominante es la convección; la primera zona

que cambiará de sólida a líquida será la que está en contacto con la superficie de

transferencia.

1.2.- Descarga: El fenómeno dominante es la conducción; la primera

zona que volverá al estado sólido será la que se encuentra en la zona adyacente a la

superficie de transferencia.

2.- El análisis de la transferencia de calor cuando existe cambio de fase se

complica debido a que la posición de la frontera sólido-líquido es función del tiempo.

Esto hace que la determinación de esta posición forme parte del problema y no sea un

dato.

3.- Materiales de cambio de fase (PCMs)

El término PCM se utiliza normalmente como una abreviación de “phase change

material”, que significa material que cambia su estado de agregación.

Mientras se produce el cambio de sólido a líquido el material absorbe una cierta

cantidad de calor, denominada calor latente, este fenómeno se produce a temperatura

constante.

Cuando ocurre el proceso inverso (cambio de líquido a sólido) se libera la energía

almacenada, también a temperatura constante. Fuera de este rango de cambio de estado

el material se comporta de manera convencional (almacenando o liberando una cierta

cantidad de energía en forma de calor sensible).

Características deseables de los materiales de cambio de fase

A continuación se recogen algunas características deseables en los PCMs. No es

necesario aclarar que el material perfecto no existe, como casi siempre en estas

cuestiones de tipo técnico habrá que adoptar una solución de compromiso a la hora de

elegir el PCM apropiado.

Propiedades térmicas

- Rango estable de temperatura de cambio de fase. El valor de esta

temperatura es la propiedad más importante a tener en cuenta a la hora de

seleccionar el PCM más apropiado para nuestra aplicación.

- Alta entalpía específica de cambio de fase.

- Conductividad térmica alta en ambas fases, sólida y líquida. En la realidad

esto es bastante complicado de encontrar; por esto se trabaja con materiales

compuestos que no disminuyan mucho la capacidad de almacenar energía y

que, sin embargo, aumenten la conductividad térmica del PCM.

Propiedades físicas

- Densidad alta. Esto implica menos volumen por unidad de masa y por tanto

más capacidad de almacenamiento para un mismo tamaño. Debemos tener en

cuenta que una de las ventajas principales de estos materiales es su gran

capacidad de almacenamiento de energía utilizando poca masa de material.

- Variaciones pequeñas de densidad entre las fases, es decir, pequeñas

variaciones de volumen al pasar de un estado a otro; esto originaría

problemas de dimensionado.

Propiedades químicas

- Estabilidad. Los PCMs para nuestra aplicación estarán sometidos a muchos

ciclos de carga; debemos trabajar con materiales que no se degraden debido a

su uso reiterado.

- Estabilidad química del sistema PCM-módulo. Es importante que estos dos

componentes del equipo no tengan afinidad química para que no reaccionen

al entrar en contacto.

- No tóxicos, inflamables ni contaminantes.

Otra característica importante a la hora de seleccionar el PCM es que sea de bajo

coste, elevada disponibilidad y que no presente problemas ni limitaciones

medioambientales.

Clasificación

Se han ensayado una gran cantidad de materiales pero en la actualidad los

estudios en aplicaciones técnicas se basan en dos tipos, por sus propiedades y

aplicabilidad:

1.- Orgánicos: parafinas

2.- Inorgánicos: sales hidratadas

Comparativa

Se presenta una lista con las ventajas e inconvenientes de estos dos grandes

grupos, desde la perspectiva del almacenamiento de energía:

1.- Orgánicos:

VENTAJAS

No son corrosivos

Estabilidad térmica y química

INCONVENIENTES

Entalpía de cambio de fase menor que la de los materiales

orgánicos

Baja conductividad térmica

Inflamables

2.- Inorgánicos

VENTAJAS

Mayor entalpía de cambio de fase

INCONVENIENTES

Corrosivos

Poca estabilidad térmica

Debido a las características de los PCMs y del proceso de cambio de fase,

existen más aplicaciones además del almacenamiento de energía térmica.

Se trata de aprovechar propiedades como la capacidad de reducir los picos de

temperaturas con los que se opera, o incluso la habitual baja conductividad térmica de

los PCMs. Algunas de estas aplicaciones son:

1.- En la construcción: uno de los principales inconvenientes de los

edificios ligeros es su pequeña masa térmica, esto implica importantes fluctuaciones de

temperatura que suelen solucionarse con un gasto importante en acondicionamiento

(calefacción y aire acondicionado), o bien introduciendo de alguna forma los PCMs en

la estructura.

2.- Conservación y transporte de comida o materiales sensibles, por

ejemplo medicamentos.

3.- Protección de componentes electrónicos

4.- Precalentamiento de motores: el consumo inicial de energía es mucho

mayor cuando se ponen en marcha a bajas temperaturas, apareciendo además posibles

problemas de abrasión. Esto se puede solucionar almacenando el calor generado cuando

el motor está en marcha en un PCM y utilizarlo después para precalentar la máquina

antes de arrancar.

5.- Regulación de temperatura en trajes especiales, por ejemplo los

espaciales.

Resumiendo, pueden aplicarse a cualquier proceso en el que sea necesario

suavizar los picos de temperatura o reducir sus fluctuaciones.

4.- Parafinas

Introducción

Las parafinas son un material orgánico que se caracteriza por no tener

olor, poseer una cantidad de hidrocarburos aromáticos pequeña, dejar una cantidad de

residuos despreciables al evaporarse y encontrarse con niveles de impureza bajos; esto

hace que este producto se utilice como disolvente en un amplio rango de aplicaciones

donde los disolventes tradicionales no serían considerados o tendrían que mejorarse

para ello.

Se utilizan en actividades como el proceso de fabricación de los

neumáticos o el caucho, tratamientos de productos derivados de la madera, adhesivos,

disolventes para la extracción del aceites de semillas, limpiador doméstico,

detergentes…

Tienen un papel muy importante en la producción de lacas, pinturas, barnices y tintas,

donde son usadas como diluyente o disolvente.

También son usadas con materiales de baja calidad en reacciones de síntesis para dar

lugar a parafinas cloradas y bencenos alquilados lineales (LAB).

Propiedades importantes de las parafinas son su falta de color y olor, baja

toxicidad y biodegradabilidad.

Estructura

Las parafinas son hidrocarburos saturados que pueden ser cadenas simples,

denominadas parafinas normales o bien cadenas ramificadas, denominadas iso-

parafinas. La fórmula general de las parafinas es:

CnH2n+2

Para el almacenamiento de energía térmica se suelen utilizar las parafinas

normales ya que tienen una mayor entalpía de cambio de fase.

Las parafinas son materiales orgánicos que se pueden obtener de dos

formas:

1.- A través de un proceso de refinado de petróleo

2.- De forma sintética

Temperatura de cambio de fase

La temperatura de cambio de fase de las parafinas depende del número de

átomos de carbono que formen la molécula; al aumentar el tamaño de la cadena se

incrementa su peso molecular y por tanto aumenta su punto de fusión, de este modo se

facilita el encontrar una parafina adecuada para la aplicación deseada (ya se comentó

anteriormente que una temperatura de cambio de fase apropiada es fundamental a la

hora de seleccionar el PCM).

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10 20 30 40 50

Nº DE CARBONOS EN LA MOLÉCULA

TEM

PERA

TURA

DE

CAM

BIO

DE

FASE

(ºC)

TEMPERATURA DECAMBIO DE FASE (ºC)

Capacidad de almacenamiento de energia

Cuando se utilizan PCMs para acumular energía térmica se hace tanto de forma

sensible como latente. La combinación de ambos es lo que determina la capacidad de

almacenamiento del material.

En el caso particular de las parafinas el calor específico es del orden de

2,1 kJ/kgºC y la entalpía de cambio de fase de 200 kJ/kg. La combinación de estos

valores hace que las parafinas tengan una excelente capacidad para almacenar energía

térmica. Al final del capítulo se incluye una tabla con las propiedades de un amplio

grupo de parafinas.

Conductividad térmica

En general la mayoría de los materiales orgánicos tienen una

conductividad térmica muy baja, del orden de 0,2 W/mºC. Las parafinas no son una

excepción. Para ciertas aplicaciones como el transporte de materiales sensibles es una

ventaja, pero al utilizarlas como acumuladores esta baja conductividad es un problema

importante ya que aunque la parafina tenga una capacidad importante de almacenar

energía es difícil transferirla.

Variación de volumen

Todos los materiales varían su densidad, y por tanto su volumen, al

cambiar de fase sólida a líquida. Para las parafinas esta variación es aproximadamente

del 10%, esto puede ser problemático en ciertas aplicaciones y debe tenerse en cuenta a

la hora de diseñar el equipo.

Otras propiedades

Existen otras propiedades que hacen aconsejable la utilización de

parafinas como PCMs:

1.- Buena estabilidad térmica: Las parafinas no pierden sus propiedades

al estar sometidas a ciclos de carga y descarga térmica, esto se debe a que no existen

reacciones químicas durante el proceso de almacenamiento de calor, ni en la propia

parafina ni con el material que la contiene.

2.- Baja corrosión: Una característica muy importante de las parafinas es

su poca afinidad química con otros materiales; por ello los problemas de corrosión son

prácticamente inexistentes, sobretodo en el material que la contiene.

3.- Bajo impacto ambiental: hoy en día es un aspecto fundamental. Las

parafinas no son tóxicas para animales o plantas y no contaminan el agua; además son

100% reciclables.

Estas tres propiedades son factores muy importantes a la hora de seleccionar las

parafinas como PCMs. También debemos incluir la consideración de otros fenómenos,

dependiendo de la aplicación:

1.- Undercooling: La solidificación se produce a menor temperatura que

la fusión.

2.- Sobrecalentamiento: Si una vez producido el cambio de fase continúa

la aportación de energía al PCM la temperatura volverá a aumentar produciéndose el

sobrecalentamiento; cuando esto ocurra habrá que tener en cuenta el punto de ignición

de la parafina (suele situarse en torno a los 200ºC). Si se alcanzan temperaturas de este

orden se pueden ocasionar graves daños a la instalación.

Tabla de propiedades de algunas parafinas

NOMBRE TEMP.CAMBIO

FASE (ºC)

DENSIDAD

(kg/m 3 )

CONDUCT

(W/mºC) PC (kJ/kgºC) SLH∆

(kJ/kg)

Parafina C14 4.5 n.d. n.d. n.d. 165

Parafina C15-

C16 8 n.d. n.d. n.d. 153

Parafina C16-

C18 20-22 n.d. n.d. n.d. 152

Parafina C13-

C24 22-24

Liq.=760

Sol.=900 Sol.=0,21 n.d. 189

Parafina C16-

C18 42-44

Liq.=765

Sol.=910 Sol.=0,21 n.d. 189

Parafina C20-

C33 48-50

Liq.=769

Sol.=912 Sol.=0,21 n.d. 189

Parafina C22-

C45 58-60

Liq.=795

Sol.=920 Sol.=0,21 n.d. 189

Parafina Wax 64 Liq.=790

Sol.=916

Liq.=0,167

Sol.=0,340 n.d. 173,6

Parafina C21-

C50 66-68

Liq.=830

Sol.=930 Sol.=0,21 n.d. 189

RT5 9 n.d. n.d. n.d. 205

RT25 26 n.d. n.d. n.d. 232

RT30 28 n.d. n.d. n.d. 206

RT40 43 n.d. n.d. n.d. 181

RT50 54 n.d. n.d. n.d. 195

RT65 64 n.d n.d n.d 207

RT80 79 n.d n.d n.d. 209

RT90 90 n.d n.d n.d. 197

RT110 112 n.d n.d n.d. 213

PPW-20 47-56 850 Liq.=0,150

Sol.=0,250 2,67 173

n-eicosane 36 840 Sol.=0,423 n.d. 240

P-116 44 Liq.=788

Sol.=817 Sol.=0,16 2,51 216

Aliphatic 60 806 Sol.=0,119 1862 n.d.

SHELL 53/54 52-54 Liq.=781

Sol.=894

Liq.=0,126

Sol.=0,231 167-3,78 251

Sunoco P166 46,7 786 Sol.=0,498 2,89 209

Comentarios sobre la tabla

- n.d.--> No disponible

- Dos medidas separadas por un guión (por ejemplo 52-54) significa que el

propio fabricante o autor del ensayo no proporciona un valor exacto.

- Los datos tanto de densidad como de conductividad térmica están dados

además de para la fase, para una determinada temperatura. Esto se debe a

que el cambio de fase en una parafina no es inmediato, sino que a medida

que cambia su temperatura varía su consistencia; sin embargo, no se han

incluido en la tabla ya que su intención es meramente orientativa.

- Cuando no se diferencia entre las fases es porque la fuente no lo hace.

5.- Aplicaciones en instalaciones fotovoltaicas

Dado que las instalaciones fotovoltaicas no requieren almacenamiento de

energía térmica, la aplicabilidad del almacenamiento de energía en forma de calor

latente está en la capacidad de regular la temperatura de los PCMs, debida al cambio de

fase.

Al limitar los picos de temperatura el comportamiento del panel mejora debido a

un doble efecto.

1. Reducción de las pérdidas. Si realizamos un balance de energía en un panel

fotovoltaico:

[1.7]PIA iv Q= +

I ↔ Irradiancia (W/m2).

A ↔ Superficie de captación (m2).

i ↔ Intensidad generada por el panel fotovoltaico (A).

v ↔ voltaje generado por el panel fotovoltaico (V).

QP ↔ Potencia térmica perdida (W). Como ya se comentó anteriormente la

transferencia de calor es proporcional al gradiente de temperatura, que se reduce al

limitar la temperatura máxima del panel.

2. Mejora del comportamiento de las células fotovoltaicas.

La respuesta de los paneles fotovoltaicos a la radiación solar viene definida por

sus curvas características de intensidad y potencia frente a tensión:

(los parámetros característicos de la curva I-V ya han sido comentados anteriormente)

El punto de trabajo viene dado por la carga que se le conecta al panel, ésta

determina el voltaje y éste la intensidad, en la curva I-V.

Estas curvas se obtienen para unas condiciones ideales que vienen definidas por:

Irradiancia = 1000W/m2

Temperatura de la célula = 25ºC

(condiciones que no se dan en la realidad)

Como también se analizó anteriormente los incrementos de temperatura de las

células fotovoltaicas afectan, sobretodo, al voltaje capaz de producir el panel y muy

poco a la intensidad:

Ya se apuntó que por cada grado que aumenta la temperatura de las células fotovoltaicas

se produce una reducción de la potencia generada del orden del 0,5%:

Resumiendo, la utilidad de rellenar un panel fotovoltaico de un PCM estaría en

su efecto refrigerante y, por tanto, de control de la temperatura de las células.