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El aumento constante de la eficiencia de las células fotovoltaicas que trabajan a altas concentraciones implica que el desarrollo de los sistemas solares de alta concentración sea una de las vías más prometedoras para la generación solar de electricidad.

No obstante, una de las problemáticas más importantes de estos sistemas son las altas densidades de flujo manejadas. En efecto, un elevado porcentaje de la energía solar incidente en el receptor se transforma en calor.

Receptor de matriz densa de células fotovoltaicas de alta concentración

Como consecuencia, por una parte es necesario realizar un enfriamiento activo para rebajar la temperatura de las células fotovoltaicas a niveles que garanticen su funcionamiento correcto. Por otra parte, es necesario mejorar la uniformidad de temperatura del receptor fotovoltaico ya que este parámetro afecta también a las prestaciones eléctricas de estos sistemas y reduce su fiabilidad.

Los disipadores de calor actuales logran alcanzar el primer objetivo pero no ofrecen soluciones para el segundo. Por ejemplo, los microcanales sólo pueden reducir, en la dirección del flujo del fluido, el incremento de la temperatura de la matriz densa de células aumentando el flujo de fluido refrigerante (hecho que implica el aumento de la potencia de la bomba de circulación del circuito de refrigeración), pero nunca puede llegar a eliminar este gradiente de temperatura.

 
Esto implica que, en las investigaciones relacionadas con el enfriamiento de las matrices densas de células de alta concentración, se intente hacer coincidir el coeficiente de dilatación térmica del "packaging" al de los materiales semiconductores de las células fotovoltaicas para limitar los esfuerzos mecánicos en el receptor.

El disipador híbrido propuesto permite minimizar esta problemática de los esfuerzos mecánicos causados por las dilataciones térmicas al tener la capacidad de mejorar la uniformidad de temperatura de las células fotovoltaicas (o incluso de adaptar el perfil de temperatura a las necesidades específicas de la aplicación). Esta particularidad conlleva a un aumento de la fiabilidad del generador fotovoltaico de alta concentración.

 

 Principio de funcionamiento del disipador híbrido

Además de este aspecto innovador, el disipador propuesto presenta las siguientes ventajas:
 

-       Elevada capacidad de extracción de altas densidades de flujo térmico: el hecho de que se combinen dos tecnologías que presentan coeficientes de resistencias térmicas bajos es una garantía para el disipador híbrido. Además, este diseño se puede fabricar a diferentes escalas, incluso en el rango de dimensiones nanométricas, debido a la reciente evolución de las técnicas de fabricación a esta escala mediante extracción y deposición. Esta característica permite adaptar la capacidad de extracción de calor del disipador a las necesidades de enfriamiento.

-         Diseño compacto: gracias al hecho que las salidas del fluido se pueden realizar en la misma dirección -pero en sentido opuesto- que las entradas permite que las dimensiones del disipador no sobrepasen las del conjunto de células fotovoltaicas enfriado por el dispositivo.

Pie: Entradas y salidas del fluido refrigerante

-         Pérdidas de presión relativamente bajas: las pérdidas de presión del circuito hidráulico en el interior del disipador son inferiores a las de los microcanales. Esto implica que, para un mismo caudal de líquido refrigerante, la potencia de bombeo necesaria para el disipador híbrido sea inferior a la necesaria para un disipador de microcanales. Este aspecto es clave para la elección del sistema de enfriamiento de un generador fotovoltaico de alta concentración, ya que afecta a la potencia eléctrica total generada.

-         El hecho que la longitud del recorrido del fluido esté dividido en dos respecto a un disipador de microcanales permite aumentar la capacidad de extracción de flujo térmico.

El disipador híbrido jet impactante/microcanales propuesto está especialmente adaptado al enfriamiento de las matrices densas de células fotovoltaicas, ya que presenta una adecuada capacidad de extracción de altas densidades de flujo térmico, y ofrece soluciones respecto a los requerimientos de control de la distribución de temperatura del objeto enfriado y de compacidad elevada.

Prototipo del disipador con distribución no uniforme de microcanales para mejorar la uniformidad de temperatura del objeto a enfriar