Análise térmica, teórica e experimental, de um painel fotovoltaico comercial

Abstract

O presente trabalho consiste na análise térmica, teórica e experimental, de dois módulos fotovoltaicos de silício policristalino (p-Si) com 350 Wp nas condições de montagem sobre telhado e livre (sem obstrução da parte posterior do painel), ambos inclinados segundo a latitude local, para melhor aproveitamento da radiação solar direta. Os sistemas fotovoltaicos com este arranjo são projetados para intensificar a radiação incidente nas células fotovoltaicas e, por conseguinte, maximizar a produção de energia elétrica. No entanto, a condição de montagem sobre telhado pode dificultar a convecção natural na parte posterior do módulo aumentando a temperatura das células fotovoltaicas e, consequentemente, diminuindo a eficiência elétrica do módulo. A determinação das perdas, devido ao aquecimento, é importante para o dimensionamento correto dos sistemas de geração fotovoltaica e sua taxa de retorno do investimento. O dimensionamento preciso das perdas térmicas exige considerável esforço computacional e complexidade, devido ao grande número de fatores climáticos que influenciam no processo como, por exemplo, umidade, velocidade do vento, massa de ar, radiação e temperaturas do ambiente, do céu e do solo. Desta forma, o uso de correlações para várias condições ambientais e de montagem se torna viável do ponto de vista da simplificação do modelo. O presente estudo teve como objetivo desenvolver um modelo térmico analítico, que considera a temperatura das células, os dados meteorológicos locais (irradiância, temperatura ambiente, velocidade do vento e umidade), a tensão e a corrente geradas pelo sistema fotovoltaico associado à carga puramente resistiva. Com base nos resultados e análises de um período de 116 dias foi possível comparar as 20 correlações mais utilizadas na literatura com o modelo proposto; dessas correlações, 18 apresentaram MAPEs superiores a 5,0% para 50% dos dias analisados, enquanto que o modelo analítico proposto apresentou MAPEs inferiores a 5,0% para 75% dos dias analisados. Ademais, a comparação direta entre a geração de energia para os módulos na montagem sobre telhado e livre com as mesmas condições de inclinação e orientação não apresentou diferença estatística significativa. O modelo analítico proposto forneceu resultados mais próximos à realidade climática do Brasil, o que aumenta a precisão do dimensionamento da perda térmica dos módulos fotovoltaicos, em condições reais de operação, e otimiza os recursos para o uso da energia solar.

The present work consists of the theoretical and experimental thermal analysis of two photovoltaic modules made of polycrystalline silicon (p-Si) with 350 Wp above a roof and free mounting conditions (without the rear part's obstruction) the panel), both inclined according to the local latitude. Photovoltaic systems with this arrangement are designed to intensify the incident radiation on the photovoltaic cells and, therefore, maximize the production of electrical energy. However, the condition of mounting on a roof can hinder the natural convection at the rear of the module, increasing the temperature of the photovoltaic cells and, consequently, decreasing the module's electrical efficiency. The determination of losses due to heating is essential for the correct dimensioning of photovoltaic generation systems. The precise thermal losses evaluation requires considerable computational effort and complexity due to the large number of climatic factors that influence the process, such as humidity, wind speed, air mass, radiation and ambient, sky, and ground temperatures. Thus, the use of correlations for various environmental and assembly conditions becomes feasible from the model simplification point of view. This study aimed to develop an analytical thermal model, which considers the temperature of the cells, local meteorological data (irradiance, ambient temperature, wind speed and humidity), voltage and current generated by the photovoltaic system associated with a purely resistive load. Based on the results and analysis of a period of 116 days, it was possible to compare the 20 most used correlations in the literature with the proposed model; 18 of these correlations had MAPEs above 5% for 50% of the days analyzed, while the proposed analytical model gave MAPEs below 5% for 75% of the days analyzed. Besides, the direct comparison between the energy generation for the modules in the roof and free-standing with the same inclination and orientation conditions did not present a statistically significant difference. The proposed analytical model provided results closer to the climate reality in Brazil, which increases the accuracy of the thermal loss sizing of photovoltaic modules under real operating conditions, optimizes resources for the use of solar energy.