Doctorado en Ciencias con mención en Física

“Diseño y optimización de un sistema fotovoltaico-térmico (PVT) con concentrador holográfico adaptado a las condiciones climáticas del Perú para aplicaciones de fotovoltaica integrada en edificios (BIPV)” El aprovechamiento del alto potencial solar del Perú requiere soluciones fotovoltaicas avanzadas adaptadas a sus climas heterogéneos. Aunque el país cuenta con elevados niveles de irradiación y un rápido crecimiento de la capacidad instalada, persisten desafíos relacionados con la eficiencia, la confiabilidad y la adaptación ambiental de los sistemas solares. Las tecnologías híbridas, como los sistemas fotovoltaico–térmicos (PVT) y los sistemas fotovoltaicos integrados en edificios (BIPV), ofrecen una vía prometedora al maximizar el uso del recurso solar y mejorar el desempeño energético de las edificaciones. No obstante, existe una falta de enfoques de modelado multifísico integrales y contextualizados, así como de estudios sobre concentradores holográficos. En este contexto, el objetivo principal de esta investigación es diseñar y optimizar un sistema PVT con concentrador holográfico, adaptado al clima peruano, para aplicaciones BIPV. Se tiene como objetivos específicos: Realizar una revisión exhaustiva de la literatura sobre las tecnologías fotovoltaicas implementadas en instalaciones solares en el Perú. Revisar los proyectos fotovoltaico–térmicos (PVT) existentes desarrollados en el contexto peruano. Analizar el estado del arte de los sistemas PVT que incorporan concentradores holográficos. Desarrollar e implementar modelos computacionales para investigar los fenómenos multifísicos involucrados en la degradación de sistemas PVT con concentradores holográficos. Diseñar y construir un sistema PVT integrado con un concentrador holográfico. La metodología de esta investigación se basa en un enfoque integral que combina modelado computacional multifísico, optimización y validación experimental para el desarrollo de un sistema fotovoltaico–térmico con concentrador holográfico (PVT–HOE) aplicado a BIPV en el contexto peruano. En primer lugar, se construye un modelo geométrico detallado del módulo PVT–HOE, considerando todas sus capas y materiales. A continuación, se desarrolla el modelado óptico del elemento holográfico mediante ecuaciones de difracción y técnicas de ray tracing, con el fin de analizar la redistribución espectral de la radiación solar entre las zonas fotovoltaica y térmica. Estos resultados se acoplan a simulaciones térmico-fluidas basadas en métodos de elementos finitos, que permiten evaluar la transferencia de calor, la dinámica del fluido refrigerante y la temperatura de las celdas PV bajo condiciones climáticas tropicales. Paralelamente, se implementa un modelo eléctrico dependiente de la temperatura para estimar la producción eléctrica. El desempeño del sistema se evalúa mediante métricas energéticas y exergeticas. Posteriormente, se aplica una optimización multiobjetivo (NSGA-II), incorporando incertidumbre mediante simulaciones Monte Carlo, para identificar configuraciones óptimas del sistema. Finalmente, se diseña y construye un prototipo experimental que permite validar los resultados numéricos mediante ensayos controlados y pruebas en condiciones reales. Se espera que esta investigación demuestre que la integración de un concentrador holográfico en un sistema fotovoltaico–térmico (PVT–HOE) permite mejorar de manera significativa el aprovechamiento del recurso solar en aplicaciones BIPV bajo climas tropicales del Perú. Los resultados previstos incluyen una reducción de la temperatura de operación de las celdas fotovoltaicas, un aumento simultáneo de la eficiencia eléctrica y térmica, y una mejora del rendimiento exergético global del sistema frente a un PVT convencional. Asimismo, se espera identificar configuraciones óptimas de diseño y operación adaptadas a las condiciones locales, y validar experimentalmente la viabilidad técnica del concepto propuesto.

PANDURO CAMAVILCA ,ROY MAX REMY