Desenvolvimento de um dissipador de calor compacto para o resfriamento de células fotovoltaicas de alta concentração (HCPV)
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Data
2018-04-27
Autores
Arroyave Ortegón, Jorge Andrés
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Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Resumo
A energia solar pode ser aproveitada como fonte de energia térmica para aquecimento de água, por exemplo, em coletores solares ou como fonte de energia elétrica usando sistemas de células fotovoltaicas. Entretanto, as células fotovoltaicas, geralmente, de custos relativamente altos, têm algumas restrições relacionadas a altas temperaturas de operação e distribuições de temperatura não homogêneas levando a redução da vida útil e eficiência elétrica de tais sistemas. Essas limitações têm sido o foco de pesquisas, a fim de melhorar as eficiências elétricas, regular as temperaturas de operação e reduzir os materiais necessários para fabricação das células. Assim, este projeto de pesquisa tem como objetivo avaliar o desempenho de um dissipador de calor, baseado em microcanais retangulares paralelos, no resfriamento de uma célula fotovoltaica de alta concentração (HCPV-High Concentration Photovoltaic Cell), utilizando-se de análise teórica (modelo térmico), simulação numérica (usando o software comercial CFD ANSYS® Fluent v15) e de uma bancada experimental. Neste trabalho, foram consideradas as condições de máxima radiação (denominado de pior cenário, quando a célula não gera eletricidade e todo o calor deve ser dissipado) e de radiação média ao longo do período considerado. Os dados climatológicos foram obtidos do site Canal Clima - UNESP, com dados historicos do clima na região noroeste paulista. Foi realizada uma revisão do estado da arte a fim de compreender como os sistemas de geração elétrica fotovoltaica podem ser otimizados pelo uso de concentradores solares e materiais mais eficientes (células de junção-múltipla). A influência da temperatura nestes sistemas e como sistemas de resfriamento podem melhorar seu desempenho também foram analisados. Uma bancada experimental permitiu validar os resultados teóricos e numéricos obtidos. Comprovou-se que o uso de dissipador de calor baseado em microcanais pode permitir um controle efetivo da temperatura da célula HCPV, melhorando sua eficiência de conversão de energia solar em energia elétrica. O dissipador de calor foi avaliado sob condições de fluxo de calor constante, variando-se a velocidade mássica, G, no intervalo de 300 kg/m2s a 1500 kg/m2s. Assim, foi possível manter a superfície da célula a uma temperatura de 40°C, aproximadamente, para uma queda de pressão de, em média, 6 kPa. Os resultados das três análises apresentaram comportamentos similares e a concordância entre eles foi razoável, considerando as limitações de cada abordagem.
Solar energy can be used as a source of thermal energy in solar collectors, for example, or as a source of electricity using photovoltaic cell systems. However, photovoltaic cells requires high investments having some restrictions related to high operating temperatures and nonhomogeneous temperature distributions, leading to a reduction in the useful life and electrical efficiency. These limitations have been the focus of researches in order to improve electrical efficiencies, to regulate operating temperatures, and to reduce required materials in the cells. Thus, this research project aims to evaluate the performance of a heat sink based on parallel rectangular microchannels for cooling of a high concentration photovoltaic cell (HCPV), using theoretical analysis (thermal model), numerical simulation (using commercial software CFD ANSYS® Fluent v15) and an experimental bench. In this work, it was considered the conditions of maximum radiation (named worst scenario, when the cell does not generate electricity and all the heat must be dissipated) and the average radiation over the period considered. These climatological data were obtained from the Canal Clima – UNESP site, in the northwestern region of São Paulo state. A review on the subject was carried out in order to understand how solar photovoltaic systems can be optimized using solar concentrators and more efficient materials (multiple-junction cells). The influence of temperature and cooling systems were analyzed. An experimental bench was built, which allowed the validation of the theoretical and numerical results. The use of microchannel heat sinks can allow an effective temperature control of the HCPV cell, improving its efficiency of converting thermal energy into electrical energy. The heat sink was evaluated for different heat flux values and for mass velocity, G, in a range of 300 kg/m2s to 1500 kg/m2s. It was possible to maintain the high concentration cell at 40 °C with a pressure drop of 6 kPa, for the worst scenario. The three analyzes presented similar behavior and the agreement between them was reasonable, considering the approaches limitations.
Solar energy can be used as a source of thermal energy in solar collectors, for example, or as a source of electricity using photovoltaic cell systems. However, photovoltaic cells requires high investments having some restrictions related to high operating temperatures and nonhomogeneous temperature distributions, leading to a reduction in the useful life and electrical efficiency. These limitations have been the focus of researches in order to improve electrical efficiencies, to regulate operating temperatures, and to reduce required materials in the cells. Thus, this research project aims to evaluate the performance of a heat sink based on parallel rectangular microchannels for cooling of a high concentration photovoltaic cell (HCPV), using theoretical analysis (thermal model), numerical simulation (using commercial software CFD ANSYS® Fluent v15) and an experimental bench. In this work, it was considered the conditions of maximum radiation (named worst scenario, when the cell does not generate electricity and all the heat must be dissipated) and the average radiation over the period considered. These climatological data were obtained from the Canal Clima – UNESP site, in the northwestern region of São Paulo state. A review on the subject was carried out in order to understand how solar photovoltaic systems can be optimized using solar concentrators and more efficient materials (multiple-junction cells). The influence of temperature and cooling systems were analyzed. An experimental bench was built, which allowed the validation of the theoretical and numerical results. The use of microchannel heat sinks can allow an effective temperature control of the HCPV cell, improving its efficiency of converting thermal energy into electrical energy. The heat sink was evaluated for different heat flux values and for mass velocity, G, in a range of 300 kg/m2s to 1500 kg/m2s. It was possible to maintain the high concentration cell at 40 °C with a pressure drop of 6 kPa, for the worst scenario. The three analyzes presented similar behavior and the agreement between them was reasonable, considering the approaches limitations.
Descrição
Palavras-chave
Energia solar, Sistemas HCPV, Dissipadores baseados em microcanais, Sistemas de resfriamento, Solar energy, HCPV systems, Microchannel heat sink, Cooling systems