Estudio teórico-experimental de un refrigerador solar fotovoltaico con almacenamiento de frio mediante materiales de cambio de fase

Abstract

Els refrigeradors solars fotovoltaics són una solució útil per a la conservació d'aliments i la gestió de la cadena de fred en aquelles regions sense subministrament d'electricitat, o on aquest subministrament no tingui prou fiabilitat. Actualment aquests refrigeradors tenen major viabilitat, ja que el cost dels mòduls fotovoltaics ha estat en descens durant els últims 30 anys. Aquests refrigeradors normalment utilitzen bateries elèctriques basades en plom-àcid, per cobrir el desfasament entre la producció fotovoltaica i la demanda. Tanmateix, és possible també utilitzar altres opcions d'emmagatzematge energètic de menor impacte mediambiental, com l'emmagatzematge tèrmic en fred, mitjançant materials de canvi de fase (PCMs). De tal manera, la present tesi es centra en l'estudi teòric-experimental, d'un refrigerador solar fotovoltaic, amb emmagatzematge tèrmic latent, de fred, mitjançant PCMs, per tal d'augmentar l'autonomia del refrigerador, millorar la seva integració amb el sistema fotovoltaic i reduir la mida de les bateries elèctriques. La integració dels materials de canvi de fase s'ha realitzat disposant-los encapsulats, en un panell, en contacte amb l'evaporador de paret. Per analitzar els efectes del panell de PCMs al refrigerador, va ser implementat un model teòric, el qual inclou el sistema fotovoltaic, el sistema de refrigeració, el panell de PCM i la cel refrigerada. La validació del model del refrigerador amb el panell de PCM integrat, s'ha realitzat mitjançant un assaig experimental del refrigerador, dins d'una cambra climàtica realitzat segons la norma EN 62552. La transferència de calor al PCM, utilitza un model de transferència de calor per conducció unidimensional i per resoldre l'equació diferencial del model, s'utilitza el mètode de diferències finites. Les simulacions finals realitzades per a tres emplaçaments tropicals indiquen que el sistema proposat és viable tècnica i econòmicament.

Los refrigeradores solares fotovoltaicos son una solución útil para la conservación de alimentos y la gestión de la cadena de frío en aquellas regiones sin suministro de electricidad, o donde dicho suministro no tenga suficiente fiabilidad. Actualmente estos refrigeradores tienen mayor viabilidad, pues el coste de los módulos fotovoltaicos ha estado en descenso durante los últimos 30 años, por lo que se considera. Estos refrigeradores normalmente utilizan baterías eléctricas basadas en plomo-ácido, para cubrir el desfase entre la producción fotovoltaica y la demanda. No obstante, es posible también usar otras opciones de almacenamiento energético de menor impacto medioambiental, como el almacenamiento térmico en frío, mediante materiales de cambio de fase (PCMs). De tal manera, la presente tesis se centra en el estudio teórico-experimental, de un refrigerador solar fotovoltaico, con almacenamiento térmico latente, de frío, mediante PCMs, con el fin de aumentar la autonomía del refrigerador, mejorar su integración con el sistema fotovoltaico y reducir el tamaño de las baterías eléctricas. La integración de los materiales de cambio de fase se ha realizado disponiéndolos encapsulados, en un panel, en contacto con el evaporador de pared. Para analizar los efectos del panel de PCM en el refrigerador, fue implementado un modelado teórico, el cual incluye el sistema fotovoltaico, el sistema de refrigeración, el panel de PCM y la celda refrigerada. La validación del modelo del refrigerador con el panel de PCM integrado, se ha realizado mediante un ensayo experimental del refrigerador, dentro de una cámara climática realizado según la norma EN 62552. La transferencia de calor en el PCM, utiliza un modelo de transferencia de calor por conducción unidimensional y para resolver la ecuación diferencial del modelo, se utiliza el método de diferencias finitas. Las simulaciones finales realizadas para tres emplazamientos tropicales indican que el sistema propuesto es viable técnica y económicamente.

Solar powered refrigerators driven with photovoltaic panels are a useful solution for food preservation and cold chain management in those regions in which there is no electrical supply, or this supply is unreliable. Currently, these refrigerators have high feasibility, since the cost of photovoltaic panels has been in going down during the last 30 years. These refrigerators usually use of electrical lead-acid batteries to cover the gap between photovoltaic production and power load; however, it is also possible to use other energy storage options, with lower environmental effects, such us cold thermal storage, with phase change materials (PCMs). This thesis is focused on a theoretical-experimental study of a photovoltaic solar refrigerator, with cold latent thermal storage, using PCMs, in order to increase the autonomy time of the refrigerator, improve its integration with the photovoltaic system and reduce the size of conventional electrical batteries. The integration of the phase change materials has been carried out by installing a PCM slab, in contact with the evaporator-wall of the refrigerator. In order to analyze the effects of the PCM slab on the refrigerator, a theoretical model was implemented. This model includes the photovoltaic system, the refrigeration system, the PCM slab, and the refrigerated cell. The validation of the refrigerator model with the PCM slab was carried out by testing the refrigerator inside of a climatic chamber, according to EN 62552. The heat transfer in the PCM uses a one-dimensional conduction heat transfer model and to solve the differential equations of the model, the finite difference method was used. The final simulations carried out for three tropical locations indicate that the proposed system is technically and economically feasible.