Análise do efeito da convecção forçada para resfriamento de sistema térmico fotovoltaico

Abstract

O presente trabalho consistiu na análise teórica e experimental de um sistema híbrido PVT - fotovoltaico/térmico. Este consiste de um painel fotovoltaico (PV), com sistema de rastreamento, para aproveitar a radiação solar direta e difusa, e de um sistema d e resfriamento por convecção forçada acoplado, permitindo gerar eletricidade e calor em um único processo além de reduzir a temperatura de operação de um painel solar fotovoltaico comercial e, assim, melhorar sua eficiência energética. O módulo PV está instalado na região noroeste do estado de São Paulo. O conjunto experimental possui um sistema de rastreamento solar azimutal de eixo simples; a tensão e a corrente de saída do painel foram medidas para quantificar a potência produzida levando em consideração diferentes condições de operação. Todos os testes foram realizados in loco usando um painel fotovoltaico comercial, sempre levando em consideração as condições meteorológicas do dia. O rastreamento solar aumenta em 45,5% a energia gerada para um dia do mês de junho em relação a um sistema fixo. O painel fotovoltaico com a parte posterior isolada termicamente opera em condições 15 °C a 20 °C mais quente que um painel não isolado, o que implica em perdas energéticas da ordem de 7,6%. O trocador de calor tipo serpentina, com uso de água deionizada, não mostrou desempenho satisfatório ao resfriar o módulo fotovoltaico devido à significativa resistência térmica de contato com a face posterior do módulo. A análise teórica apresentou erros menores que 10% em relação às medidas experimentais. O presente trabalho mostra a importância do correto dimensionamento, construção e análise dos trocadores de calor a fim de possibilitarem a melhoria da eficiência de painéis fotovoltaicos e o aumento do aproveitamento da energia solar. No âmbito social, este trabalho contribui para que a conversão fotovoltaica de energia solar seja mais eficiente e que a vida útil dos painéis seja prolongada.

The present work consisted of a theoretical and experimental analysis of a hybrid PVT – photovoltaic/thermal system. This system consisted of a photovoltaic (PV) panel with a solar tracking system to take advantage of direct and diffuse solar radiation and a forced convection cooling system. This allows the generation of electricity and useful heat in a single process in addition to reducing the operating temperature of a commercial photovoltaic solar panel and thus improves its energy efficiency. The PV module is installed in the northwest region of the state of São Paulo. The experimental apparatus had a single axis, azimuth solar tracking system; the output voltage and current of the panel were measured to quantify the power produced taking into account different operating conditions. All tests were carried out in loco using a commercial photovoltaic panel, always taking into account the weather conditions of the day. Solar tracking increases the energy generated by one day of the month by 45.5% compared to a fixed system. The temperature of the module with a thermally insulated back sheet was 15° C to 20° C hotter than a non-insulated panel, which implies energy losses of the order of 7.6%. The serpentine type heat exchanger, using deionized water, did not show satisfactory performance when cooling the photovoltaic module due to the significant thermal resistance of contact with the rear face of the module. Theoretical analysis showed errors of less than 10% compared to the experimental measurements. So, the present work shows the importance of the correct dimensioning, construction and analysis of the heat exchangers in order to make it possible to improve the efficiency of photovoltaic panels and increase the use of solar energy. In the social sphere, this work contributes to make the photovoltaic conversion of solar energy more efficient and to extend the useful life of the panels.