Enhancing Photovoltaic Panel Efficiency Using Fin-Augmented Forced Air Convection with Evaporative and Vapour-Compression Cooling: An Experimental Investigation

Resumen Técnico: Mejora de la Eficiencia de Paneles Fotovoltaicos mediante Convección de Aire Forzada con Aumento de Aletas

Planteamiento del Problema
Los módulos fotovoltaicos (FV) policristalinos comerciales suelen convertir solo entre el 15 % y el 22 % de la energía solar incidente en electricidad bajo Condiciones Estándar de Prueba (STC), mientras que el resto es absorbido como calor. En climas subtropicales como la India, esta carga térmica eleva las temperaturas de la superficie de los paneles a 55–65 °C durante el pico del verano. Dado que la producción de energía disminuye un 0,3–0,5 % por cada grado Celsius por encima de la referencia de STC de 25 °C, un panel que opera a 60 °C puede perder entre un 10,5 % y un 17,5 % de su potencia nominal. Aunque existen métodos de enfriamiento pasivo, estos suelen ser insuficientes bajo una irradiancia extrema. El enfriamiento líquido activo ofrece una alta transferencia de calor, pero introduce cargas de mantenimiento y consumo de agua. En consecuencia, existe la necesidad de sistemas de enfriamiento por aire activo que equilibren simplicidad, costo y efectividad, particularmente en climas cálidos y áridos. Sin embargo, la influencia combinada de la geometría de las aletas, la tasa de flujo de aire y la temperatura del aire de entrada —comparando específicamente el enfriamiento evaporativo frente al enfriamiento por compresión de vapor para sistemas de aumento de aletas en la superficie posterior— no ha sido caracterizada sistemáticamente.

Metodología
Este estudio empleó un enfoque experimental de doble panel para aislar los efectos de enfriamiento de la variabilidad de la irradiancia. Dos paneles FV policristalinos idénticos de 330 Wp se operaron simultáneamente en exteriores en Vadodara, Gujarat, durante enero de 2025. Un panel sirvió como control de convección natural (sin aletas), mientras que el otro fue equipado con un sistema de enfriamiento personalizado (con aletas).

• Diseño del Sistema: El panel activo contaba con 30 aletas de aluminio en forma de L adheridas a su superficie posterior, encerradas dentro de un conducto de hierro galvanizado (GI). El aire fue forzado a través de este conducto mediante un ventilador centrífugo conectado ya sea a un enfriador desértico evaporativo o a una bomba de calor de compresión de vapor.
• Validación Analítica: Antes de la fabricación, el sistema fue modelado utilizando la correlación de Dittus–Boelter. El objetivo de diseño era eliminar 1.373 W de calor. El modelo analítico confirmó que 30 aletas en forma de L lograrían una transferencia de calor de 1.581 W, superando el requisito en un 15 %, con una efectividad de aleta ($\varepsilon$) de 1,94 y una eficiencia ($\eta$) del 89,75 %.
• Configuraciones Experimentales: Se probaron cinco escenarios de enfriamiento distintos bajo irradiancia natural exterior (627–820 W/m²):
  1. C1: Línea base de convección natural (sin aletas).
  2. C2: Convección forzada ambiental (solo ventilador).
  3. C3: Enfriador desértico evaporativo (ventilador + enfriamiento evaporativo).
  4. C4: Bomba de calor a baja tasa de flujo (0,175 m³/s).
  5. C5: Bomba de calor a alta tasa de flujo (0,212 m³/s).
• Instrumentación: La recolección de datos incluyó detectores de temperatura de resistencia (RTD) para la temperatura del panel, termopares de tipo T para las temperaturas de entrada/salida del aire, medidores digitales para voltaje y corriente, y un piranómetro calibrado para la irradiancia. El análisis de incertidumbre siguió el marco GUM, confirmando la significancia estadística de las ganancias de eficiencia con un nivel de confianza del 95 %.

Resultos Clave
Los datos experimentales revelaron características de rendimiento distintas para las configuraciones:

• Rendimiento de la Línea Base: El panel de control sin aletas (C1) operó a una temperatura media de 51,05 °C con una eficiencia media del 12,38 % y una potencia media de 181,3 W.
• Enfriamiento Evaporativo (C3): Esta configuración logró la mayor eficiencia eléctrica media del 13,37 %, lo que representa una ganancia absoluta de 0,99 puntos porcentuales sobre la línea base. Entregó una potencia pico de 210,5 W.
• Enfriamiento por Compresión de Vapor (C4): La bomba de calor operando a la tasa de flujo optimizada de 0,175 m³/s produjo la mayor potencia media de 211,6 W y una potencia pico de 216,52 W. Su eficiencia media fue del 13,11 %.
• Sensibilidad de la Tasa de Flujo (C5): El aumento de la tasa de flujo de la bomba de calor a 0,212 m³/s resultó en una disminución del rendimiento. La potencia media cayó a 188,7 W y la eficiencia a 12,90 %. La diferencia de temperatura ($\Delta T$) entre la entrada y la salida del aire disminuyó de 9,01 °C (C4) a 7,08 °C (C5).
• Mecanismo Térmico: El estudio identificó una relación no monotónica entre la tasa de flujo de aire y la eficiencia. Mientras que el coeficiente de transferencia de calor por convección escala con la velocidad a la potencia de 0,8 ($V^{0,8}$), la tasa de flujo másico escala linealmente ($V$). En consecuencia, el calor eliminado por unidad de volumen de aire escala como $V^{-0,2}$. Los flujos excesivos reducen el tiempo de residencia térmica del aire dentro del conducto, limitando el intercambio de calor por unidad de masa y reduciendo la eficiencia general del sistema.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este estudio proporciona un marco reproducible para optimizar el enfriamiento por aire forzado asistido por aletas en climas cálidos y áridos. Las principales contribuciones son:

1. Validación del Diseño: La validación exitosa, tanto analítica como experimental, de que 30 aletas de aluminio en forma de L pueden exceder los objetivos de eliminación de calor de diseño en un 15 %, confirmando la viabilidad de esta geometría específica para la adaptación (retrofitting).
2. Desempeño Comparativo: La demostración de que, si bien el enfriamiento evaporativo ofrece las mayores ganancias de eficiencia (ideal para climas cálidos y con escasez de agua), el enfriamiento por compresión de vapor a tasas de flujo optimizadas puede maximizar la producción de potencia absoluta.
3. Optimización de la Tasa de Flujo: La identificación de un efecto de "tiempo de residencia" crítico, que demuestra que simplemente maximizar la velocidad del ventilador no maximiza la eficiencia. Este hallazgo tiene implicaciones directas para el diseño de estrategias de control de Variadores de Frecuencia (VFD), sugiriendo que las tasas de flujo deben optimizarse en lugar de maximizarse.
4. Rigor Metodológico: El uso de una configuración de panel dual simultánea elimina eficazmente la variabilidad de la irradiancia como una variable de confusión, permitiendo una atribución robusta de las ganancias de rendimiento únicamente a los mecanismos de enfriamiento.

El estudio concluye que, aunque todos los métodos de convección forzada superaron a la convección natural, la elección entre el enfriamiento evaporativo y el de compresión de vapor depende de si la prioridad es la máxima eficiencia (evaporativo) o la máxima producción de potencia (bomba de calor optimizada), y que la tasa de flujo debe sintonizarse cuidadosamente para evitar los rendimientos decrecientes asociados con un tiempo de residencia térmica insuficiente.