Diseño de aplicaciones de refrigeración solar

En un buen número de artículos venimos hablando de tecnologías de refrigeración y climatización solar, ya que la eficiencia energética ha conseguido que estas tecnologías emergentes abran las puertas a un buen número de aplicaciones interesantes.

. Profundizamos en el estudio de estas nuevas tecnologías centrándonos en aquellas aplicaciones que requieren frío entre 0ºC y 32 ºC. Los investigadores demostraron que la energía solar es una fuente ideal para las aplicaciones de baja temperatura tales como las que se requieren en el ámbito doméstico y comercial. .

Diseño del ciclo refrigeración por compresión de vapor con energía fotovoltaica .

En el ciclo de compresión de vapor, el frío se obtiene en el evaporador cuando el refrigerante entra en el evaporador como una mezcla de líquido y vapor y se vaporiza por la entrada térmica de la carga. El resto de los equipos en el sistema reciben el refrigerante y lo restauran a una condición en la que pueda usarse de nuevo para proporcionar frío. El vapor que sale del evaporador está en una condición saturada o ligeramente sobrecalentado y entra en el compresor que eleva la presión y, en consecuencia la temperatura del refrigerante. El refrigerante caliente y a alta presión entra en el intercambiador de calor del condensador que usa aire o agua para enfriar el refrigerante a su temperatura de saturación antes de condensarlo a líquido. El líquido a alta presión se hace pasar por la válvula de expansión a baja presión, lo que origina que el refrigerante se vaporice cuando su temperatura se reduce. El líquido a baja temperatura que queda está disponible para producir refrigeración útil. .

La mayor entrada de energía en el sistema de refrigeración por compresión de vapor es la energía mecánica necesaria para hacer funcionar el compresor. .

El rendimiento del sistema de refrigeración por compresión de vapor es su coeficiente de rendimiento (COP), definido como el ratio de la capacidad de enfriamiento respecto a la energía eléctrica requerida. .

El ciclo de refrigeración operado con energía fotovoltaica .

Los sistemas fotovoltaicos implican la conversión directa de radiación solar en electricidad de corriente directa (DC) usando un material semiconductor. Conceptualmente, la operación del ciclo de refrigeración con paneles fotovoltaicos es simple. Los paneles fotovoltaicos producen energía eléctrica DC que puede usarse para operar un motor DC, que posteriormente se acopla al compresor de un sistema de refrigeración por compresión de vapor. Las principales consideraciones de diseño del ciclo de refrigeración fotovoltaico son el acoplamiento adecuado entre las características eléctricas del motor que hace moverse al compresor con la corriente y voltaje producidos por la instalación fotovoltaica. .

La cantidad de energía eléctrica que puede generar un sistema fotovoltaico la proporciona el fabricante del módulo para unas condiciones estándar, por ejemplo radiación solar incidente de 1.000 W/m2 y una temperatura del módulo de 25 ºC. Pero en la práctica los módulos fotovoltaicos operan en condiciones que no suelen ser tan favorables como las fijadas por el fabricante en sus ensayos de rendimiento. Además, la energía producida por una instalación fotovoltaica es tan variable como el recurso solar del cual se deriva. El rendimiento de un módulo fotovoltaico, expresado en térmicos de sus características de corriente-voltaje depende principalmente de la radiación solar y de la temperatura del módulo. .

A cualquier nivel de radiación solar y temperatura del módulo, un voltaje de operación simple originará una producción máxima de energía eléctrica en el módulo. Configuraciones comunes producen energías en un rango entre 30 y 35 voltios o más. .

La eficiencia de los paneles solares, definida como el ratio de la energía eléctrica producida por la radiación incidente es superior al 10 % en las condiciones más propicias Si el sistema de refrigeración fotovoltaico opera a alta eficiencia, es esencial que el voltaje impuesto por la instalación fotovoltaica sea próxima al voltaje que proporciona la máxima energía.

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Este requerimiento puede cumplirse de varias formas. Puede transformarse el voltaje requerido al voltaje máximo. Si el sistema incluye una batería, el voltaje de la batería controlará el voltaje de operación del módulo. Los paneles fotovoltaicos pueden entonces elegirse de forma que su voltaje máximo esté próximo al voltaje del sistema de baterías. .

La batería también proporciona almacenamiento eléctrico de forma que el sistema pueda operar cuando la radiación solar no está disponible. Sin embargo, las baterías incrementan el peso del sistema y reducen la eficiencia en régimen estacionario. El almacenamiento eléctrico puede no ser necesario en sistemas de refrigeración solar cuando el almacenamiento térmico, por ejemplo, hielo u otro medio de almacenamiento, puede ser más eficiente y menos caro. .

Una opción final es seleccionar un motor eléctrico que tenga unas características de voltaje-corriente lo más próximos a la salida de energía máxima del módulo. Estudios de motores trabajando con energía solar han mostrado que los motores DC con magnetismo permanente o excitación separada son siempre mejor elección que los motores DC de excitación serie en los sistemas de acoplamiento directo. .

Refrigeración mecánica solar .

La refrigeración mecánica solar usa un sistema de compresión de vapor convencional impulsado por energía mecánica que se produce con un ciclo de energía térmica obtenida del sol. El ciclo térmico usualmente considerado para esta aplicación es un ciclo de rankine en el que el fluido es vaporizado a una presión elevada por intercambio de calor con un fluido calentado mediante colectores solares. Un depósito de almacenamiento puede incluirse para obtener almacenamiento térmico de alta temperatura. El vapor fluye a través de una turbina o expandidor de pistón para producir energía mecánica. El fluido saliendo del expandidor se condensa y bombea nuevamente a la caldera donde de nuevo se vaporiza. .

La eficiencia del ciclo de Rankine se incrementa con el aumento de la temperatura del fluido vaporizado entrando en el expandidor. La eficiencia del ciclo de Rankine se estima para un fluido orgánico de alta temperatura asumiendo que el vapor saturado se proporciona a un expandidor de eficiencia 70 %, la expansión y condensación eficiente ocurren a 35 ºC. La eficiencia de un colector solar, sin embargo, decrece cuando se incrementa la temperatura de la energía repartida. .

La eficiencia de los colectores solares depende tanto de la radiación solar como de la diferencia de temperatura entre el fluido entrante y la temperatura ambiental. La eficiencia total de la refrigeración mecánica, definida como el ratio de energía mecánica producida en la radiación solar incidente, es el producto de las eficiencias del colector solar y el ciclo térmico. .

Esta eficiencia es significativamente más baja que la alcanzada con módulos fotovoltaicos. Los sistemas mecánicos solares son competitivos solamente son competitivos con colectores de alta temperatura, lo cual sólo es aplicable en grandes sistemas de refrigeración (ej. 1.000 tons o 3.517

kWt). .

Bibliografía: Solar Refrigeration. Building for the future. A supplement to ASHRAE Journal .

Palabras clave: PV-refrigeration cycle