Modelado y análisis térmico de semiconductores de potencia para la reconfiguración dinámica de módulos fotovoltaicos.

Abstract

El presente trabajo tiene como objetivo general diseñar una estructura para disipar calor con ayuda de modelos matemáticos y herramientas de simulación multifisica para cumplir de manera eficaz con las especificaciones operacionales de los semiconductores de potencia de un circuito de reconfiguración dinámica de módulos fotovoltaicos. Se consultan diversas fuentes para entender cuál es el estado del arte en aspectos de disipación térmica, desde varias aristas, para incorporar variables estratégicas que permitan presentar un modelo de solución depurado. Como parte de esas variables se incorporan elementos tales como los mecanismos pasivos y activos de disipación, las vías de disipación térmica y la estrategia de disipación que toma ventaja del cambio de estado de la materia. Se desarrolla desde la base el modelado físico matemático del circuito térmico equivalente y posteriormente se calculan los dimensionamientos aproximados de los disipadores térmicos teóricos, utilizando dos mecanismos básicos de disipación: convección natural y convección forzada. Posteriormente, se identifican para ese modelo físico, el disipador comercial disponible en el mercado con el fin de hacer la comparativa entre el disipador teórico muy conservador y el disipador comercial muy ambicioso. Seguidamente se llevan a cabo las simulaciones físicas matemáticas con el software de simulación multifísica (COMSOL 5.6) para modelar y evaluar el desempeño de los diferentes tipos de disipadores, considerando las diferentes variables que se definieron en el modelo teórico de disipación aproximado. Finalmente se brindan los resultados y se presenta el disipador mediante tubos de calor como el que cumple con las especificaciones y mejor se desempeña desde el punto de vista de capacidad de disipación térmica, sin requerimiento adicional de potencia por parte del circuito de reconfiguración dinámica de módulos fotovoltaicos.

The general objective of this research work is to design a structure to heat dissipation with the help of mathematical models and multiphysics simulation tools to effectively meet the operational specifications of the power semiconductors of a photovoltaic module dynamic reconfiguration circuit. Various sources are consulted to understand the state of the art in aspects of heat dissipation from various angles to incorporate strategic variables that allow presenting a refined solution model. As part of these variables, elements such as passive and active heat dissipation mechanisms, heat dissipation pathways and the heat exchanging strategy that takes advantage of the change in the state of matter are incorporated. The mathematical physical modeling of the equivalent thermal circuit is developed from the base and subsequently the approximate dimensions of the theoretical heatsinks are calculated using two basic heat dissipation mechanisms: natural convection and forced convection. Subsequently, for that physical model, the commercial heatsink available on the market is identified in order to make the comparison between the very conservative theoretical heatsink and the very ambitious commercial heatsink. Next, the mathematical physical simulations are made with the multiphysics simulation software (COMSOL 5.6) to model and evaluate the performance of the different types of heatsinks considering the different variables that were defined in the approximate theoretical model of heatsinks. Finally, the results are shown, and the heat piping is presented as the one that meets the specifications and performs better from the point of view of heat dissipation capacity without additional power requirement by the photovoltaic module dynamic reconfiguration circuit.