Abstract
Actualmente, en la Unión Europea los edificios demandan un 40% del consumo total de energía y son responsables del 36% de emisiones de gases de efecto invernadero, contribuyendo significativamente al calentamiento global antropogénico. Dado que la calefacción supone la principal porción del consumo energético en los edificios en España, los sistemas de calefacción renovable surgen como una alternativa para mitigar dicha problemática.Esta tesis plantea un sistema de calefacción fotovoltaica en el que la producción eléctrica es auto-consumida por una bomba de calor. Para ello se ha diseñado y construido un sistema fotovoltaico sin inyección a red para alimentar una bomba de calor aire-agua que calienta un pequeño edificio mediante suelo radiante. El edificio, tendente a la autonomía, incluye conexión a red, por lo que el suministro a la bomba de calor puede permutarse entre la micro-red fotovoltaica y la red convencional. El campo fotovoltaico, con un área total de 15,7m2 y útil de 14m2, está compuesto de 12 paneles, de 180W de potencia nominal cada uno. La potencia térmica nominal de la bomba de calor es de 6kW, al igual que la carga térmica máxima del edificio.
Para dimensionar adecuadamente un sistema fotovoltaico de estas características es necesario simular realísticamente la producción fotovoltaica a lo largo del tiempo. En esta tesis, se ha abordado la producción desde un punto de vista físico, haciendo hincapié en la influencia de la temperatura de las celdas solares en su eficiencia. Se ha desarrollado un modelo de transferencia de calor que permite determinar con exactitud la temperatura de celda para condiciones meteorológicas cambiantes y, a partir de ahí, la producción fotovoltaica en cada momento, basándose en especificaciones comunmente suministradas por los fabricantes de módulos. La validación experimental del modelo, tanto para la predicción de la temperatura de celda como para la producción fotovoltaica, es incluida en la presente tesis. La eficiencia de los módulos utilizados, respecto a su área total, es de 13.73% a 25°C, 12.08% a 50°C y 10.76% a 70°C.
El método planteado es fácilmente adaptable a cualquier tipo de módulo fotovoltaico a partir de los materiales que lo componen, y su producción simulable para cualquier ángulo de inclinación y localización, para la que se disponga de datos meteorológicos. Dependiendo de las temperaturas de trabajo obtenidas, la utilización de paneles híbridos fotovoltaicos/térmicos puede ser planteada.
En concreto, el modelo de producción fotovoltaico fue simulado para el periodo de calefacción entre el 4/12/2012 y el 30/04/2013, prediciendo una producción fotovoltaica alcanzable de 1.265,8kWh y una temperatura media de trabajo de celda de 21,3°C, que alcanza una máxima diaria media de 47,5°C. La energía solar interceptada durante ese periodo fue de 8.869,4kWh, por lo que la eficiencia del campo considerando su área útil sería del 14,3%, frente al 15,4% nominal.
El sistema de calefacción fotovoltaica fue estudiado experimentalmente durante el mismo periodo de calefacción. El campo produjo 820,8kWh de electricidad, por lo que la eficiencia fotovoltaica estacional fue del 9,26%. La producción obtenida fue inferior a la potencialmente alcanzable, de acuerdo con la simulación.
La bomba de calor fue alimentada con 723,9kWh de electricidad, de los cuales 501,4kWh provenían de la fuente fotovoltaica: eficiencia útil del sistema del 5,7%. Multiples factores provocaron dicha eficiencia, tales como las pérdidas eléctricas en las diferentes conversiones, limitaciones del sistema de control, capacidad del sistema de almacenamiento y ajuste de la producción a la demanda.
El calor suministrado al suelo radiante fue 2.321,9kWh. El COP estacional de la bomba de calor fue de 3,2 y el rendimiento global del sistema del 18,2%. El sistema operó autónomo de la red a un 69,3%.
Las emisiones de gases de efecto invernadero ahorradas fueron de 170,5kg de CO2 respecto a alimentar la bomba de calor con electricidad convencional (para un factor de emisión de 0,34kg de CO2/kWh); de 835,9kg de CO2 respecto a suministrar el mismo calor a partir de gas-oil C; de 573,6 kg de CO2 respecto al uso de gas natural. Por otra parte, las fugas de refrigerante equivalieron a 132,1kg de CO2.
| Date of Award | 2015 |
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| Original language | English |
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