Diseño de una estructura soporte para un módulo integrado de placa fotovoltaica

Este proyecto se encuentra enmarcado dentro de un trabajo de doctorado llevado a cabo en TU Delft por Víctor Vega Garita. Dicho proyecto busca diseñar un módulo físicamente integrado, llamado “Integrated PVbattery module (IPBM)”. Se trata de un módulo solar compacto que incluye todos los componentes eléctricos y la batería acoplados en la parte posterior del panel solar. La motivación que les ha llevado a realizar esta investigación es el hecho de que actualmente no existen sistemas compactos para la instalación de placas fotovoltaicas. Se pueden identificar las siguientes ventajas: fácil instalación, reducción del coste de instalación, reducción del coste de los componentes electrónicos, enfoque modular, solución portable y mayor protección. Con este proyecto se busca diseñar una estructura que debería unir la placa fotovoltaica con la batería y los componentes electrónicos, de modo que sea lo más compacta y ligera posible. Además, habrá que tener en cuenta la deformación del conjunto y la posible sobrecarga de los componentes debido a las altas temperaturas alcanzadas en estos sistemas. Se buscan lograr los siguientes objetivos: 1 Seleccionar los componentes del módulo. 2 Determinar la forma más adecuada para la estructura, teniendo en cuenta la necesidad de acceso a los componentes para su posible sustitución. 3 Seleccionar el material más apropiado para la estructura. 4 Optimizar la estructura para que sea lo más ligera y pequeña posible. 5 Realizar estudios mecánicos para asegurar que la estructura soporta los esfuerzos a los que se verá sometida durante su utilización. 6 Realizar estudios térmicos para comprobar que la estructura es capaz de soportar las altas temperaturas a las que se verá sometida, debido principalmente, a la radiación solar y al calentamiento de los componentes. 7 Asegurar que los componentes no alcanzan temperaturas superiores a sus límites de operación. 8 Diseño de un sistema de aislamiento para evitar la entrada de agua u otros residuos del exterior dentro del módulo. Lo primero que se debe realizar es la planificación del diseño del módulo, para ello se deben determinar las distintas fases del proyecto, analizar la competencia existente, la normativa vigente y las condiciones a las que estará sometido el producto. Esto nos lleva al primer paso del diseño, la lista de requisitos del producto. Una vez tenemos la lista de requisitos de nuestro diseño podemos pasar a desarrollar el diseño preliminar del producto. Para ello debemos determinar primero la arquitectura de nuestro sistema. Este estudio fue realizado por Nadhilah Shani, otra estudiante de Máster en TU Delft. En esta arquitectura, el panel está conectado directamente a la batería usando un conversor DC-DC unidireccional. Además, la batería está conectada a un inversor bidireccional, el cual está conectado a la red. Con ello ya sabemos qué componentes deberán integrar nuestro sistema: un panel solar, un microinvesor, un conversor DC-DC y un conjunto de baterías. Por último, es importante elegir el mejor material para el módulo. Teniendo en cuenta los requisitos mecánicos y térmicos del conjunto se decidió utilizar aluminio anodizado, dada su alta resistencia a la corrosión y la abrasión, y su gran protección frente a los agentes atmosféricos. Una vez determinados los componentes y el material se pasó a la fase de diseño del módulo. Para ello se parte de un diseño preliminar básico sobre el cual se realizan simulaciones térmicas y mecánicas con Comsol para determinar qué modificaciones son necesarias para llegar al diseño óptimo. El diseño preliminar consiste en una estructura situada en la parte posterior del panel solar. Además se utiliza una rejilla metálica para proteger mejor los componentes. Este diseño definitivo consiste en una estructura de aluminio anodizado con marcos interiores para sujetar los componentes, de modo que todos queden a la misma altura. Cuenta con un escalón interior donde se apoya una rejilla divida en dos partes. Esta rejilla permite la sujeción de los componentes pero sin entrar en contacto con ellos, ya que se apoya sobre el escalón del módulo. Para unir la rejilla al módulo, y permitir así el acceso a los componentes, se utilizan unas bisagras. Por ello el módulo cuenta con agujeros ciegos en los laterales interiores. En cuanto al modo de fijación del módulo al panel, hay que tener en cuenta cual es el sistema de anclaje del panel. En este diseño, se utiliza una estructura con triángulo inclinado para paneles en vertical. En el caso del panel con el módulo integrado, este tipo de estructura no es suficiente. Debemos añadir tres raíles similares a los de la estructura pero de menor grosor (12 mm). De este modo el módulo puede apoyarse sobre estos raíles y no deberá estar atornillado directamente al panel solar. El módulo queda apoyado sobre los tres raíles adicionales, y por el raíl inferior, de modo que aunque no se atornille se mantiene en la posición correcta. Por último, el módulo se une al panel por medio de pinzas similares a las que se usa para unir el panel a la estructura. Dichas pinzas van atornilladas a los laterales del módulo para una mayor sujeción. Por esta razón el módulo cuenta con tres perforaciones a ambos lados. Además, para prevenir la entrada de agua y otros residuos se utilizan prensaestopas para conectar el microinversor al panel. En este caso se han elegido prensaestopas de poliamida con liberación de tensión. Por último, para terminar de aislar el conjunto, se aplicará una capa de silicona en la parte superior e inferior del módulo, donde entra en contacto con el panel. Una posible silicona a utilizar sería Domosil. Tras llegar a este diseño, debemos comprobar que se logran los objetivos establecidos en la primera fase de desarrollo del producto. Hay que tener en cuenta que este proyecto se trata de una primera aproximación, Víctor Vega Garita y su equipo están aún trabajando en el diseño de la mejor arquitectura posible para este sistema. Esto implica que en el futuro los componentes utilizados serán diferentes, por lo que será necesario hacer cambios en el modelo aquí presentado. Además, una vez ya se hayan seleccionado los componentes apropiados, se pretende crear un circuito integrado que englobe todas las funciones que realizan los componentes, a excepción de las baterías. Con ello se logrará en un futuro cumplir con todos los objetivos que se plantearon para este proyecto