Panel fotovoltaico-térmico basado en tubos absorbedores retorcidos y PCM mejorado con nanopartículas

Investigadores del Solar Energy Research Institute (SERI) de la Universiti Kebangsaan Malaysia han diseñado un prototipo de sistema fotovoltaico-térmico (PVT, por sus siglas en inglés) basado en un material de cambio de fase mejorado con nanopartículas (Nano-PCM) y tubos absorbedores trenzados.

El objetivo principal de su trabajo era evaluar los costos de los tubos absorbedores, la elección del fluido de trabajo y la utilización del Nano-PCM, en un esfuerzo por investigar la viabilidad económica del sistema.

“La viabilidad económica de los colectores fotovoltaicos depende de su capacidad para captar energía solar de forma rentable y eficiente”, declaró a pv magazine Adnan Ibrahim, autor del estudio. “En nuestra investigación, analizamos a fondo el costo anual (CA) y la ganancia energética anual (GEA) de los colectores PVT, utilizando la relación CA/GEA como indicador clave de rentabilidad”.

Los PCM son materiales que pueden absorber, almacenar y liberar grandes cantidades de calor latente en rangos de temperatura definidos. Se han utilizado a menudo en el ámbito de la investigación para la refrigeración de módulos fotovoltaicos y el almacenamiento de calor.

Para crear el Nano-PCM, los científicos combinaron un nanofluido a base de nanopartículas de carburo de silicio (SiC) con agua y parafina. “Las fracciones volumétricas de los nanofluidos eran del 0,3% y el 0,6%, respectivamente, y el nano-PCM tenía una fracción volumétrica del 1%”, explicaron, señalando que el SiC ofrece una alta conductividad térmica, bajo costo y estabilidad.

El sistema PVT consta de un módulo fotovoltaico de 30 W y un tamaño de 64 cm x 30 cm, tubos absorbedores fijados a la parte posterior del panel mediante una unión mejorada con pegamento de silicona, y un contenedor de nano-PCM que rodea los tubos. La instalación también incluye un depósito de fluido, un intercambiador de calor, bombas y una unidad de refrigeración.

El grupo probó los sistemas con distintos absorbedores y configuraciones del fluido de trabajo a una temperatura ambiente de 25 ºC, una temperatura del fluido de trabajo de 20 ºC y un nivel de irradiación solar de 800 W/m2. Comprobó que el panel tiene una temperatura superficial de 77,59 ºC, una eficiencia fotovoltaica de alrededor del 7% y unos caudales de masa que oscilan entre 0,008 y 0,04 kg/s.

“La eficiencia térmica aumentó un 12% cuando el caudal pasó de 0,008 a 0,04 kg/s utilizando el tubo circular y alrededor de un 13,5% con el tubo retorcido”, señalaron los académicos. “Esta mejora se atribuyó al aumento del coeficiente de transferencia de calor por convección, lo que se tradujo en una mayor tasa de transferencia de calor entre el panel fotovoltaico y los tubos absorbedores”.

También comprobaron que el uso del tubo retorcido reducía significativamente la temperatura de la unidad fotovoltaica y que el prototipo con una concentración del 0,6% de SiC alcanzaba unas eficiencias térmica y fotovoltaica del 84,74% y el 9,61%, respectivamente. “Su producción eléctrica fue de 16 W, frente a los 10,49 W del panel fotovoltaico desnudo”, añadieron.

“Nuestro principal objetivo es optimizar el aprovechamiento de la energía térmica y eléctrica procedente de fuentes solares”, explicó Ibrahim. “Curiosamente, la relación CA/AEG de un panel fotovoltaico estándar era de 0,0982 dólares/kWh. Sin embargo, los resultados más prometedores se observaron con una configuración que incorporaba nanofluidos, tubos absorbedores retorcidos y nano-PCM, logrando una impresionante relación AC/AEG de 0,0485 dólares/kWh.”

“Nuestra investigación arroja una valiosa luz sobre el potencial de los sistemas PVT, subrayando su papel como una vía convincente para soluciones energéticas sostenibles”, subrayó.

Los científicos presentaron el sistema en el artículo “Nanofluid-based photovoltaic thermal solar collector with nanoparticle-enhanced phase change material (Nano-PCM) and twisted absorber tubes” (Colector solar térmico fotovoltaico basado en nanofluidos con material de cambio de fase mejorado con nanopartículas [Nano-PCM] y tubos absorbedores retorcidos), publicado en Case Studies in Thermal Engineering.

“Entre las futuras oportunidades de investigación en este campo se incluyen la utilización de cinta trenzada en tubos absorbedores trenzados con PVT para mejorar el rendimiento, la exploración de coeficientes de transferencia de calor por convección mejorados y la investigación de la aplicación de tubos trenzados en otros diseños de tubos absorbedores para obtener resultados potencialmente mejorados”, señalaron, refiriéndose a las futuras direcciones que debería tomar su investigación.

Otros grupos de investigación de la Universiti Kebangsaan Malaysia han diseñado recientemente un panel fotovoltaico-térmico (PVT) bifacial que utiliza chorros circulares que inciden como medio de refrigeración, un sistema fotovoltaico-térmico basado en la refrigeración PCM, disipadores de calor de aletas multinivel para la refrigeración de módulos solares y una tecnología pasiva para la refrigeración de módulos solares basada en disipadores de calor de aletas.