Pruebas en carretera muestran fuerte impacto del sombreado en la fotovoltaica integrada en vehículos

Investigadores de la Universidad de Miyazaki han investigado el rendimiento real y el potencial de ahorro de combustible de la fotovoltaica integrada en vehículos (VIPV) en vehículos pesados a través de un amplio estudio de campo en Japón, y hallaron que el sombreado es un factor crucial que afecta la generación de energía fotovoltaica y la eficiencia general del sistema.

El proyecto involucró 200 camiones comerciales con motores diésel equipados con módulos fotovoltaicos de 300 W a 500 W basados en cobre, indio, galio y selenio (CIGS), con datos recopilados sobre generación fotovoltaica, rendimiento del alternador, flujo de potencia de la batería y operación del vehículo. Los paneles solares se utilizan únicamente para alimentar sistemas auxiliares y recargar la batería principal, no para impulsar directamente el vehículo.

“Evaluamos con qué eficacia se utilizaba la energía fotovoltaica mediante el monitoreo simultáneo de las salidas tanto del sistema fotovoltaico como del alternador”, dijo a pv magazine el autor correspondiente, Kenji Araki. “Esto nos permitió determinar en qué medida la generación solar reducía la carga del alternador”.

Los científicos explicaron que la probabilidad de sombreado en la VIPV está influida por la geometría de los objetos y los ángulos rasantes, y puede aproximarse estadísticamente mediante promediado de matrices de apertura, una técnica computacional utilizada para evaluar el sombreado dinámico no uniforme y la irradiancia solar en sistemas fotovoltaicos curvos o complejos mediante la integración de contribuciones de luz direccional a través de elementos de superficie discretizados dentro de un marco de coordenadas local. Según los investigadores, permite un cálculo consistente y práctico de la irradiancia solar en las superficies de los vehículos.

El equipo de investigación monitoreó el flujo de potencia entre el sistema fotovoltaico y el alternador en configuraciones VIPV basadas en camiones, con foco en el uso de energía dentro de sistemas vehiculares aislados, más que en la eficiencia del módulo fotovoltaico. No se usaron piranómetros debido a limitaciones de instalación, y se asumió que la producción fotovoltaica correspondía a la irradiancia solar local.

Se desarrollaron cajas de control personalizadas con controladores de carga y registradores de datos, con sensores de corriente para rastrear la producción fotovoltaica, la generación de energía del vehículo y el comportamiento de carga y descarga de la batería. El sistema fue reforzado con cableado estable y fusibles, y se sometió a pruebas de resistencia a vibraciones e intemperie para garantizar su confiabilidad en condiciones reales de operación.

El sistema fotovoltaico fue tratado como un módulo completo con funciones integradas de controlador de carga, entre ellas MPPT, conversión CC-CC y prevención de flujo inverso, y no solo como un panel solar. De manera similar, el alternador incluye rectificación y regulación de voltaje mediante conversión CC-CC, y opera de forma independiente sin sincronización con el sistema fotovoltaico, con prioridad para la fuente de mayor voltaje.

A lo largo de 17.901 días-vehículo, los académicos registraron la distancia total recorrida, las horas de operación, el consumo de energía, la generación fotovoltaica y la supresión del alternador, aunque señalaron límites de sincronización de datos en el sistema de medición. Se constató que los sistemas fotovoltaicos aportaban compensaciones energéticas medibles durante la operación, junto con una reducción significativa de la carga del alternador en condiciones reales de conducción.

En conjunto, los resultados mostraron beneficios medibles en combustible y energía, pero también destacaron que el rendimiento de la VIPV debe evaluarse mediante modelos detallados y dependientes de las condiciones, en lugar de promedios simples.

“Además, la evaluación del conjunto de datos medidos mostró que la irradiancia solar recibida por las superficies montadas en vehículos corresponde aproximadamente al 70% de la de un plano horizontal”, dijo Araki. “Esta reducción se atribuye a factores como el sombreado urbano circundante, las condiciones de la vía y los cambios en la orientación del vehículo, y sirve como un parámetro importante para estimar la producción anual de energía de los sistemas VIPV”.

Además, las mediciones simultáneas de la fotovoltaica y el alternador revelaron que alrededor del 85% de la producción fotovoltaica compensa directamente la carga del alternador, lo que mejora la utilización de la energía en condiciones reales de conducción. Por su parte, las reducciones del consumo de combustible de aproximadamente un 5,5% a un 7% fueron confirmadas mediante múltiples métodos de validación, aunque los beneficios varían según el tipo de vehículo y el comportamiento de conducción.

Sus hallazgos están disponibles en el estudio “PV on heavy duty vehicles (HDVs): monitoring 200 trucks with PVs” (Sistemas fotovoltaicos en vehículos pesados: monitorización de 200 camiones con sistemas fotovoltaicos), publicado en Energy Conversion and Management: X.

“Los hallazgos de este estudio establecerán una base esencial para la estandarización internacional de la VIPV (IEC PT600) y facilitarán el desarrollo de metodologías posteriores de calificación energética. Además, proporcionar una herramienta práctica que permita a los operadores logísticos evaluar fácilmente los impactos de la generación eléctrica y las reducciones de eficiencia de combustible mediante sus propios datos operativos promoverá la adopción generalizada de la VIPV”, concluyeron los investigadores.

El año pasado, otro grupo de investigación de la Universidad de Miyazaki presentó un método no destructivo para investigar las vibraciones de células solares de forma independiente de los componentes del módulo. El estudio incluyó posibles características de diseño para módulos fotovoltaicos integrados en vehículos resistentes a la resonancia, que aumentarían la frecuencia natural de resonancia por encima de 2 000 Hz.