Maximizando Eficiencias Técnicas de Enfriamiento para Módulos Fotovoltaicos

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Actualmente más de 600GW de potencia solar fotovoltaica existen alrededor del mundo y las proyecciones son que dicho número podría quintuplicarse para 2030. Sabiendo el gran y amplio mercado que presentan los sistemas fotovoltaicos, los científicos trabajan constantemente en métodos o tecnologías que aumenten la eficiencia de estos sistemas.

A desarrollar mejores técnicas

Al momento de escribir este artículo la mayoría de los módulos fotovoltaicos de buena calidad rondan el 20% de eficiencia para potencias que oscilan entre 300W y 400W. Aumentar los valores de eficiencia basándose en módulos de silicio es un proceso en el que se avanza poco a poco cada año, generalmente aumentando cerca de 1% o menos por año. Por ende, desarrollar técnicas que permitan aumentar la eficiencia operativa de los sistemas puede también resultar muy beneficioso.

Ahora bien, una de las maneras en que se puede aumentar la eficiencia, es disminuyendo las pérdidas asociadas a los sistemas fotovoltaicos. En este sentido, existen múltiples factores que generan pérdidas en los sistemas fotovoltaicos. Entre ellos se encuentran, el sombreado, la degradación de luz inducida (LID), degradación potencial inducida (PID), pérdidas óhmicas, envejecimiento, suciedad, entre otros. Particularmente, el factor que generalmente produce mayores pérdidas en cualquier sistema fotovoltaico es el efecto térmico.

Ello aborda uno de los mitos que más rodean a los paneles solares, que las locaciones áridas como el Medio Oriente que reciben altas cantidades de radiación solar son siempre las más ideales para sistemas fotovoltaicos. Si bien indudablemente, la abundante radiación solar que reciben estas locaciones incrementa sustancialmente la generación de energía, también es cierto que consecuencia directa de la geografía es que las elevadas temperaturas ambientales que rondan los 40ºC o más, lo cual genera también grandes pérdidas térmicas, sin mencionar las grandes pérdidas asociadas al empolvamiento de los módulos en dichas zonas. En otras palabras, el sobrecalentamiento no es bueno para la eficiencia del sistema fotovoltaico, por ende, las condiciones ideales son una buena radiación solar pero también una temperatura ambiente cercana a 20-30ºC.

Sabiendo esto, científicos y desarrolladores se han enfocado en evaluar opciones alternativas que puedan disminuir las altas pérdidas térmicas en sitios con dichas condiciones.

Hidrogel para refrigerar módulos fotovoltaicos

Entre las opciones que han ido apareciendo, una se basa en un hidrogel que al ser colocado en la parte posterior de un módulo fotovoltaico, es capaz de absorber la humedad recolectada de la atmósfera durante la noche por un hidrogel que puede usarse para enfriar los módulos durante el día. El hidrogel se basa en una mezcla de absorbedores de calor en forma de nanotubos de carbón incrustado en una poliacrilamida reticulada y cloruro de calcio (CaCl2), compuestos que son todos amigables con el ambiente. El gel tiene una afinidad por moléculas de agua y por ende puede almacenar largas cantidades de vapor de agua del ambiente. Además, puede adherirse a numerosas superficies incluyendo paneles solares.

Realizando experimentos, investigadores  de la Universidad King Abdullah en Ciencia y Tecnología (KAUST) en Arabia Saudita en conjunto con la Universidad Politécnica de Hong Kong, colocaron una capa de 1cm del hidrogel en la cubierta posterior de un módulo fotovoltaico tradicional. El experimento demostró que cuando la temperatura decae en la noche y los niveles de humedad aumentan, el agua absorbida por el material se condensa en forma líquida. Al día siguiente a medida que el sol a saliendo, aumenta la temperatura y el calor producido por el panel hace que el agua se evapora. El proceso remueve el calor del módulo y también regenera el vapor para que el hidrogel esté listo para el siguiente ciclo. En concreto, esta técnica según los investigadores, sería capaz de reducir la temperatura del módulo en 10ºC, aumentando la eficiencia general del sistema en aproximadamente 15%. Un resultado bastante considerable.

 

Sistemas de Riego Sunbooster

Otra alternativa consiste en instaurar un sistema de riego de agua automatizado que se active cuando la temperatura ambiente exceda un valor específico y que sea capaz de enfriar los módulos y al mismo tiempo limpiarlos.

Si bien ya se han hecho algunas soluciones al respecto de manera rústica, la empresa francesa Sunbooster es la primera en desarrollar un sistema patentado que sirva a dicho propósito principalmente para sistemas comerciales, industriales o de gran escala.  El sistema patentado está hecho de tuberías resistentes a la radiación ultravioleta y han sido perforadas con pequeños hoyos para la circulación de agua a un nivel de presión que no dañe los módulos. Básicamente consiste en un sistema de bombeo con un arreglo de tuberías que riegan una película de agua sobre los módulos cuando la temperatura ambiente sobrepasa los 25ºC.

Enfriamiento por Gas Natural

El sistema de enfriamiento de módulos con regasificación de gas natural licuado para reducir la temperatura de operación de los paneles solares localizados en terminales de gas es también otra opción interesante.

Un grupo de científicos de la Universidad de Ben-Gurion de Israel del Negev propone enfriar los módulos montados en arreglos solares localizados a larga escala en terminales de gas con las bajas temperaturas remanentes del proceso de regasificación de gas natural licuado. En dicho proceso se retorna el gas natural licuado a su forma gaseosa a -162ºC.

Los científicos desarrollaron pruebas en celdas fotovoltaicas con 17% de eficiencias, circulando gas natural licuado  en un controlador multi-canal para estudiar la producción y comportamiento de materiales a bajas temperaturas.  Las celdas fotovoltaicas recibieron radiación en niveles de 0.3, 0.5 y 1kW/m2 y se comprobó que dicha técnica no afectaba el comportamiento de la celda de manera negativa. Por el contrario, se comprobó que la eficiencia relativa del sistema pudo aumentarse hasta en un 80%.

El principal reto para aplicaciones en el mundo real se basa en el riesgo de congelamiento de los módulos por las bajas temperaturas, sin embargo, una manera de mitigar esto es crear un espacio evacuado entre el lado irradiado de los paneles y un acristalamiento transparente sobre ellos.