Análisis de la interacción entre un panel fotovoltaico y una turbina eólica de eje vertical en un entorno urbano mediante simulaciones CFD

Memoria para optar al título de Ingeniero Civil MecánicoEn el contexto de que el mundo esta optando por desechar la producción de energía mediante combustibles fósiles, irrumpen las energías renovables no convencionales dentro de las cuales la solar fotovoltaica y la eólica han tenido el mayor crecimiento en los últimos años. Estas energías se caracterizan por ser aprovechadas en grandes espacios abiertos los cuales son cada vez más escasos y por lo que en los últimos años los estudios van de la mano de la implementación de estas tecnologías en espacios urbanos, de lo que nace la necesidad de evaluar su desempeño bajo estas condiciones ambientales. El presente trabajo se enfoca en el estudio de un panel fotovoltaico y una turbina eólica de eje vertical tipo Savonius en el mismo espacio urbano como podría ser el techo de un edificio donde se reúnen condiciones para un buen desempeño de estas tecnologías. El principal punto a observar es la interacción entre la estela producida por el funcionamiento de la turbina, la cual acelera el viento incidente en dos zonas de vórtices de alta velocidad, y la instalación de un panel fotovoltaico en estas zonas, ya que el aumento de la velocidad del viento produce un medio de refrigeración natural para el panel fotovoltaico. Se realizan simulaciones CFD en Ansys Fluent en 2 dimensiones para obtener el perfil de velocidades promedio en las zonas de vórtices de alta velocidad producidos aguas abajo de la turbina para 5 velocidades distintas en la zona urbana y 4 posiciones distintas en la estela. Posteriormente estos perfiles son usados como condiciones de borde para un modelo en 3 dimensiones del panel fotovoltaico, de manera de comparar la temperatura promedio de celda del panel por si solo con la de un panel aguas abajo de la turbina eólica. El panel fotovoltaico es simulado mediante la implementación de una fuente de calor en el volumen de la celda, la cual es calculada mediante el balance de la energía utilizada y no utilizada al producir energía según condiciones medioambientales del lugar. Los resultados muestran que la temperatura del panel disminuye al aumentar la velocidad del viento y que al ser puesto en las zonas aprovechables aguas abajo de la turbina eólica de eje vertical la disminución de la temperatura es mayor con respecto a la del panel instalado sin turbina. Este resultado se traduce en un aumento de la eficiencia del panel fotovoltaico al ser implementado en las zonas de mayor velocidad aguas abajo de la turbina, lo que genera un aumento de la potencia generada por el panel que va desde un 0,58% hasta un 2,95% dependiendo de la velocidad del viento. El trabajo demuestra como la implementación de un sistema con las dos tecnologías estudiadas puede mejorar el desempeño del panel fotovoltaico. La factibilidad queda sujeta a un análisis del objetivo de implementación de las tecnologías, como a un análisis económico respecto a la potencia generada por el espacio usado