Bomba de calor y frigorífico fotovoltaicos para aplicaciones aisladas de la red

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Académicos de la Universidad Tecnológica de la Península del Cabo, en Sudáfrica, han diseñado un sistema integrado de bomba de calor y refrigeración alimentado por energía fotovoltaica para calentar alimentos y refrigerar bebidas.

El sistema utiliza un sistema de refrigeración por compresión de vapor con refrigerante R134a. Tiene dos compartimentos separados para calentar y enfriar, con un volumen de 50 litros cada uno. El condensador funciona a 50 ºC y se encuentra en la parte inferior del compartimento de calentamiento. El evaporador funciona a -2 ºC y está situado en la parte superior del espacio de colación.

“Esta disposición se basa en el fenómeno físico de que el aire caliente asciende y el aire frío desciende”, explican los científicos.

Los compartimentos de calentamiento y refrigeración utilizan el mismo compresor. Los científicos simularon las cargas térmicas del sistema con MATLAB y obtuvieron una carga térmica de 433,5 kJ y una carga frigorífica de 3.550,7 kJ. Para satisfacer estas cargas, seleccionaron un compresor de 12 V CC con una capacidad que oscilaba entre 149 W y 186 W. Los académicos calcularon el rendimiento del sistema utilizando el sistema de modelado ANSYS, estimando un coeficiente de rendimiento (COP) para refrigeración de 3,32 y para calefacción de 4,32.

Construyeron un prototipo del sistema dual utilizando dos pequeñas neveras domésticas como compartimentos de refrigeración y calefacción y lo probaron en Bellville (Ciudad del Cabo). El sistema utiliza dos paneles fotovoltaicos de silicio monocristalino de 90 W de un fabricante no revelado que miden 1.200 mm x 544 mm x 25 mm. También incluye una batería de 12 V CC y un controlador de carga de 10 A.

El equipo probó el sistema entre diciembre de 2020 y enero de 2021, los meses de verano en Sudáfrica. Los resultados muestran que la bomba de calor calentó el compartimento caliente hasta un máximo de 55 C durante las horas de mayor insolación, entre el mediodía y las 2 pm (SAST).

“Sin embargo, se observó que, en cuanto se dejaba la puerta abierta durante más de 15 minutos, se producía un descenso de la temperatura a las 3 de la tarde… mientras funcionaba el sistema de la bomba de calor”, señalaron los investigadores.

El compartimento refrigerado alcanzó una temperatura mínima de 2 ºC. Los científicos también compararon el rendimiento de los módulos solares con una inclinación de cero y 30 grados para una orientación norte. Afirmaron que descubrieron que “el panel fotovoltaico con una inclinación de 30 grados recibía una mayor irradiancia, lo que hacía que ambos sistemas alcanzaran sus temperaturas de diseño justo antes del mediodía; por lo tanto, resultó ser el más adecuado para el rendimiento de todo el sistema”.

Los académicos compartieron sus hallazgos en “A solar powered refrigerator and heat pump for urban street vendors” (Un frigorífico y una bomba de calor alimentados con energía solar para vendedores ambulantes urbanos), publicado recientemente en MATEC Web of Conferences.

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