Mejora del rendimiento fotovoltaico con un generador termoeléctrico basado en grafeno

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Investigadores del Instituto de Tecnología Vellore de la India han desarrollado un sistema experimental que combina la energía fotovoltaica con un generador termoeléctrico (TEG) y una lámina de grafito como elemento disipador del calor.

Los TEG pueden convertir el calor en electricidad a través del “efecto Seebeck”, que se produce cuando una diferencia de temperatura entre dos semiconductores distintos produce una diferencia de tensión entre dos sustancias. Estos dispositivos se utilizan habitualmente en aplicaciones industriales para convertir el exceso de calor en electricidad. Sin embargo, su elevado coste y escaso rendimiento han limitado hasta ahora su adopción a mayor escala.

“El propósito fundamental de esta investigación es integrar FV-TEG con grafito como disipador de calor”, explicaron los académicos. “El TEG convierte el exceso de calor en electricidad, mientras que el grafito aumenta la disipación del calor y la diferencia de temperatura. Por lo tanto, se ha probado y controlado la parte trasera de un panel fotovoltaico de baja potencia pegado con una lámina de TEG-grafito para estudiar este enfoque”.

La parte TEG del montaje experimental consta de pares de tipo n y tipo p, que generan tensión eléctrica con diferencias de temperatura. El montaje incluía un panel fotovoltaico de silicio monocristalino de 150 W, de 1.135 mm × 665 mm, con una eficiencia del 18 %. Utilizando un adhesivo conductor térmico, los investigadores pegaron 186 células TEG disponibles en el mercado en la parte posterior del módulo fotovoltaico. Cada TEG consta de dos capas cerámicas de 0,5 mm y 2 mm, respectivamente.

Los académicos probaron la configuración comparándola con un sistema de referencia consistente en una lámina de grafito como elemento disipador del calor. La lámina de grafito, de 0,05 mm de grosor, se pegó con el mismo adhesivo a la cara de disipación de calor del TEG.

“La notable resistencia al calor de la lámina de grafito y su fiabilidad contribuyen a una posible vida útil más larga y a un mayor rendimiento”, explica el grupo de investigación. “Es rentable porque puede ayudar a racionalizar algunos procedimientos existentes. Aunque el grafito es un material mucho más ligero, su conductividad es comparable a la del cobre”.

Los académicos realizaron mediciones de los sistemas en un tejado en un intervalo medio de 48 minutos bajo una irradiancia solar de 425,1 W/m2. “La producción de energía del TEG depende del gradiente de temperatura entre la parte trasera del panel fotovoltaico y la parte fría del TEG”, explican. “La lámina de grafito tiene como objetivo aumentar la tasa de rechazo de calor del lado frío del TEG. Por lo tanto, el resultado acumulado para este caso es que el TEG-grafito aumenta”.

Mediante las pruebas, descubrieron que la salida máxima del sistema sin la lámina de grafito era de 10,871 V, con un gradiente de temperatura de 4,567 ºC. Eso hay que compararlo con una salida máxima de 13,515 V, con un gradiente de temperatura de 6,682 ºC, cuando se utiliza una lámina de grafito. También comprobaron que la temperatura en el lado del grafito era de 31,255 ºC, mientras que en el lado opuesto del TEG era de 37,937 ºC.

“Es una estimación general que el pico de radiación en verano supera los 900 W/m2, lo que provoca un aumento del gradiente de temperatura”, añaden. “Por lo tanto, es más probable que el mismo sistema FV-TEG pueda dar una tensión de salida relativamente más alta. En este caso, la estimación teórica del aumento de la tensión del módulo TEG es de 24 V, lo que equivale a la tensión del panel FV”.

Sus resultados se presentaron en “Experimental study of photovoltaic-thermoelectric generator with graphite sheet” (Estudio experimental del generador fotovoltaico-termoeléctrico con lámina de grafito), publicado en Case Studies in Thermal Engineering.

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