Termorregulação de módulos fotovoltaicos: validação numérica de um sistema PV/BioPCM

Abstract

A operação eficiente de painéis fotovoltaicos (photovoltaics, PVs) é essencial para maximizar a conversão de energia e o desempenho geral do sistema. No entanto, os painéis são altamente sensíveis às variações de temperatura, o que pode afetar significativamente a produção de energia elétrica e a vida útil do sistema. Para mitigar esse problema, a integração de materiais de mudança de fase (Phase Change Materials,PCMs), especialmente os de base biológica (bioPCMs), em painéis fotovoltaicos tem emergido como uma solução promissora para a regulação térmica. Neste estudo, dois modelos numéricos transitórios de dinâmica dos fluidos computacional (Computational Fluid Dynamics, CFD) foram propostos para prever o desempenho térmico de painéis fotovoltaicos. O primeiro modelo considera o painel sem sistema de resfriamento, enquanto o segundo avalia um sistema que combina o painel com um PCM de base biológica. Ambos os modelos, embora desenvolvidos em softwares diferentes, são baseados nas equações governantes de mecânica dos fluidos para transferência de calor e levam em conta condições ambientais transitórias, como temperatura ambiente, irradiação solar e velocidade do vento. A validação dos modelos foi realizada com base em dados experimentais, obtendo precisões médias e 93,5% e 96% na previsão das temperaturas médias do painel ao longo do dia para os modelos sem e com PCM, respectivamente. Além disso, foi realizada uma análise de sensibilidade sobre o impacto do cálculo do escoamento de ar no entorno do painel. A análise revelou uma diferença de apenas 2,4% na temperatura do painel entre os modelos que consideram ou desconsideram o escoamento de ar, indicando que o uso de equações empíricas para a troca de calor convectiva é mais vantajoso, dada a significativa redução no custo computacional. Por fim, o modelo desenvolvido foi aplicado para avaliar a viabilidade de bioPCMs sob condições reais. Considerando o clima de Aparecida do Taboado, MS, Brasil, em 08/12/2021, dois bioPCMs foram analisados: ácido láurico (LA) e a mistura eutética de ácido láurico e ácido palmítico (LA:PA), de composição mássica 69:31. Os resultados indicaram reduções na temperatura máxima do painel de 3,4 °C e 11,2 °C para os bioPCMs LA e LA:PA, respectivamente, resultando em um aumento esperado de até 2,5% na energia elétrica gerada ao longo do dia, em comparação ao painel sem resfriamento.

The efficient operation of photovoltaic panels (PVs) is essential to maximize both energy conversion and the overall system performance. However, photovoltaic panels are highly sensitive to temperature variations, which can significantly affect their electrical output and lifespan. To address this issue, integrating phase change materials (PCMs) into photovoltaic panels has emerged as a promising approach for the thermal regulation of photovoltaic panels. In this study, two transient computational fluid dynamics (CFD) models were proposed to predict the thermal performance of photovoltaic panels. The first model considers the panel without a cooling system, while the second evaluates a system combining the panel with a bio-based PCM. Although developed using different software, both models are based on the governing equations of fluid mechanics for heat transfer and account for transient environmental conditions, such as ambient temperature, solar irradiation, and wind speed. The models were validated using experimental data, achieving average accuracies of 93.5% and 96% in predicting the panels’ average temperatures throughout the day for the models without and with PCM, respectively. Additionally, a sensitivity analysis was conducted to assess the impact of modeling air flow around the panel. The analysis revealed a difference of only 2.4% in panel temperature predictions between the models that consider or disregard air flow, indicating that using empirical equations for convective heat transfer is more advantageous due to the significant reduction in computational cost. Finally, the developed model was applied to evaluate the feasibility of using bioPCMs under real-world conditions. Considering the climate of Aparecida do Taboado, MS, Brazil, on December 8, 2021, two bioPCMs were analyzed: lauric acid (LA) and the eutectic mixture of lauric and palmitic acids (LA:PA), with mass composition 69:31. The results indicated reductions in the panel’s maximum operating temperature of 3.4 °C and 11.2 °C for the bioPCMs LA and LA:PA, respectively, resulting in an expected increase of up to 2.5% in the electrical energy generated throughout the day compared to the panel without a cooling system.