Estratégias- redução- temp- oper- módulos-FV-revisado

Estratégias- redução- temp- oper- módulos-FV-revisado

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Resumo – Temperaturas superficiais excessivamente elevadas em um painel fotovoltaico podem ocasionar-lhe degradações tanto de curto prazo (perda de eficiência de conversão) quanto de longo prazo (danos físicos irreversíveis). O aumento de temperatura, além de prejudicar a produção de eletricidade do módulo FV, ocasiona aumento das tensões mecânicas associadas à expansão térmica e das taxas de degradação, implicando falhas ou deterioração precoce dos módulos fotovoltaicos. Este trabalho apresenta a análise computacional comparativa entre três das possíveis estratégias para reduzir a temperatura de operação de painéis fotovoltaicos, partindo de uma revisão bibliográfica que embasa a modelagem numérica, apresentando, por fim, os resultados obtidos.

Palavras-chave – aletas, painel fotovoltaico, PV-T, resfriamento, ventilação

Em células fotovoltaicas, durante o processo de conversão da energia solar em eletricidade, cerca de 80% a 90% da energia incidente é convertida em calor, o qual, se não dissipado, implica aumento na temperatura de operação das células, o que acarreta menor eficiência na conversão em eletricidade. A potência das células fotovoltaicas é dada pela unidade Watt-pico (Wp), que representa a potência de pico obtida sob as condições padrão de teste (CPT). As CPT para células e módulos fotovoltaicos são: temperatura da célula fotovoltaica de 25 ± 2 °C, intensidade de irradiação de 1000

W/m2 normal à superfície de ensaio e espectro solar de massa de ar de 1,5 AM [1]. Contudo, em condições normais de operação, as células fotovoltaicas são sujeitas a

Este trabalho foi desenvolvido no âmbito do Programa de Pesquisa e

Desenvolvimento Tecnológico do Setor de Energia Elétrica regulado pela ANEEL e consta dos Anais do VIII Congresso de Inovação Tecnológica em Energia Elétrica (VIII CITENEL), realizado na Costa do Sauípe, BA, no período de 17 a 19 de agosto de 2015.

Vicente M. Rodrigues, Luan G. M. dos Santos, são alunos da Faculdade de Engenharia Mecânica da Unicamp (e-mails: v_moreira@fem.unicamp.br luan@fem.unicamp.br

Marcelo M. Ganzarolli e Gilberto de M. Jannuzzi são professores na

Faculdade de Engenharia Mecanica da Unicamp (e-mails: ganza@fem.unicamp.br jannuzzi@fem.unicamp.br

Bruno W F Lima trabalha na Solsticio Energia (e-mail: bruno.lima@solsticioenergia.com

A equipe de Pesquisadores das Empresas Financiadoras é formada por

Aderaldo Bruno Modesto de Meneses, Aderbal Nunes da Silva Junior, Alcimar de Jesus França, Cassiano José Souza da Silva, Cláudio Petit Lobão, Esmeraldo Macedo dos Santos, Ivan César Souto Fernandes, Jarbas Rodrigues Benevides, Juliano Sousa Matos, Júlio Joaquim da Costa Lino Dunham, Marcos Alexandre Caldas da Silva, Paulo Cesar Rocha Gomes, Pedro Magalhães e Rodrigo Santana do Amaral.

temperaturas muito superiores a 25°C, podendo facilmente ultrapassar 60°C. Dessa forma, um aspecto importante que deve ser considerado na escolha das tecnologias e na avaliação do desempenho de sistemas fotovoltaicos, especialmente em países de clima quente como o Brasil, é o comportamento dos painéis fotovoltaicos em altas temperaturas. Essa característica pode ser avaliada através do coeficiente de temperatura de potência máxima ( PMPP) dos painéis, expresso em %/K. Tal coeficiente representa a perda da eficiência de conversão (em %) para cada kelvin acima das condições padrão de teste, e varia de acordo com cada tecnologia. Dessa forma, a eficiência real dos painéis pode variar consideravelmente quando consideradas as temperaturas dos painéis expostos ao Sol [2] [3].

Ao considerarem-se estratégias passivas, pode-se pensar em maneiras de aumentar a troca de calor, como incluir aletas na parte posterior dos painéis, de modo a aumentar a área de troca de calor com o ambiente, ou então na utilização de materiais de mudança de fase, os quais podem absorver grandes quantidades de energia durante a mudança de fase (calor latente), reduzindo o aumento de temperatura dos módulos fotovoltaicos e minimizando, assim, os efeitos negativos das altas temperaturas sobre a eficiência de conversão. Do ponto de vista de estratégias ativas, uma opção simples e eficaz é aumentar o fluxo de ar sobre os painéis, aumentando a troca de calor com o ambiente. Outra solução interessante é a integração de trocadores de calor no substrato posterior dos painéis, para que haja troca de calor com água ou outro fluido com boas características térmicas, reduzindo a temperatura de operação e, consequentemente, a eficiência dos painéis, além de permitir a geração de calor e de eletricidade em um mesmo equipamento. Esse conceito é conhecido como PV-T (do inglês, photovoltaic-thermal, ou FV-T, fotovoltaico-térmico, em português), e é especialmente interessante para aplicações residenciais e industriais em que há necessidade de energia elétrica e de energia térmica. Porém, no caso de usinas ou locais onde não há utilização de calor, a necessidade de torres de resfriamento ou outra forma de resfriar o fluido pode tornar tal solução inviável. Alguns trabalhos estão sendo desenvolvidos em torno da tecnologia de células de Peltier, bombas de calor movidas a eletricidade.

O presente trabalho apresenta inicialmente uma breve revisão bibliográfica, a partir da qual são apresentadas as estratégias para redução da temperatura de operação estudadas e as tecnologias escolhidas para serem avaliadas computacionalmente no que diz respeito ao seu desempenho no resfriamento de módulos: aletas em convecção natural,

Estratégias para redução da temperatura de operação de módulos fotovoltaicos

Vicente M. Rodrigues, Luan G. M. dos Santos, Bruno W. F. Lima, Marcelo M. Ganzarolli, Gilberto de M. Jannuzzi canais retangulares ventilados e sistema híbrido fotovoltaico-térmico (PV-T). Em seguida, são apresentados os modelos matemáticos que embasaram as simulações numéricas realizadas através do programa MATLAB e os resultados obtidos, quais sejam curvas das temperaturas atingidas por um módulo fotovoltaico ao longo de um dia (impostas as mesmas condições ambientais, mas tecnologias de arrefecimento distintas) e curvas de potências de saída, consumidas e líquidas para cada tecnologia avaliada.

O projeto que derivou este artigo está em execução desde outubro de 2013, pelo Centro Brasileiro de Energia e Mudanças Climáticas, pelo Instituto para o Desenvolvimento de Energias Alternativas da América Latina e pela Solstício Energia Projetos e Engenharia LTDA. É intitulado “Desenvolvimento e teste de sistemas para a geração solar fotovoltaica em condições de alta temperatura em regiões semiáridas do nordeste brasileiro”, sob o código PD-6961-0004/2013, e financiado por Candeias Energia, Companhia Energética Manauara e Companhia Energética Potiguar.

A. Transferência de calor em módulos fotovoltaicos

A eficiência de conversão das células fotovoltaicas, que dita a máxima quantidade de eletricidade que pode ser extraída de um módulo fotovoltaico, depende fortemente da sua temperatura de operação. Cerca de 80 a 90% da energia solar incidente destina-se ao seu aquecimento, enquanto que apenas de 10 a 20% podem ser convertidos em eletricidade [4]. Quando expostos à radiação solar intensa, as temperaturas dos módulos fotovoltaicos aumentam, porque nem toda a radiação incidente é convertida em energia elétrica [5]. O balanço de energia de uma célula solar em operação expressa o equilíbrio entre a energia nela incidente (radiação solar) e a energia por ela liberada (saída de eletricidade e fluxo de calor), de modo que a célula atinja um nível de temperatura específico. Essa temperatura é conhecida como temperatura de operação (ou de equilíbrio) [4].

Normalmente, uma quantidade desprezível de calor é transportada por condução através da estrutura de suporte da matriz de células solares. O calor gerado nas células deve ser conduzido para a embalagem exterior do conjunto, a partir da qual é então irradiada e dissipada por convecção [4].

Cálculos de transferência de calor exigem o conhecimento de certo número de propriedades do material envolvido no processo. As correlações propostas na literatura expressam a temperatura da célula (Tc) como função de variáveis climáticas, como temperatura ambiente (Ta), velocidade do ar (V) e a irradiância solar incidente no plano da célula (GT). Em placas planas expostas ao ambiente, as perdas por radiação são de 3 a 4 vezes menores que as perdas por convecção devido à ação do vento. A análise térmica transiente de transferência de calor exige o conhecimento da massa mi de cada um dos n materiais constituintes do painel (1 ≤ i ≤ n), bem como seus calores específicos a pressão constante, cp,i. As referências

[4] e [6] fornecem detalhes teóricos sobre tais propriedades. Em particular, [4] apresenta expressões para cálculo de propriedades de corpos compostos por mais de um material.

Em [7], A. D. Jones e C. P. Underwood analisam a resposta transiente da temperatura superficial de um módulo fotovoltaico através de um balanço de energia apropriado. Os autores observam que o modelo de balanço de energia em células fotovoltaicas deve ser baseado em variáveis climáticas, e os processos de transferência de energia envolvidos em modelos teóricos são radiação de onda curta, radiação de onda longa, convecção e geração de eletricidade. Ademais, apontam que um modelo de estado estacionário de temperatura do módulo não se justifica durante períodos de rápida flutuação de irradiação, em que o tempo de resposta causado pela inércia térmica do material fotovoltaico se torna significativo. Segundo os autores, o modelo por eles proposto é recomendado por ser adequado a simulações de potência fotovoltaica para modelagem de dados de séries temporais ao longo de intervalos de tempo mais curtos, como ocorre em condições de nebulosidade temporária.

No que diz respeito à resposta em regime permanente da temperatura de um módulo fotovoltaico, diversas análises estão disponíveis na literatura. Em face da complexidade de modelos bi e tridimensionais de transferência de calor, em especial no âmbito das células solares, incorre-se geralmente em análises unidimensionais justamente pelo fato de que estas são as mais factíveis e, por conseguinte, as mais recorrentes. Um procedimento utilizado para calcular a temperatura da célula via balanço energético é a determinação da Temperatura Nominal de Operação da célula, ou NOCT, definida como a temperatura da célula sob irradiância solar de 800W/m², temperatura ambiente de 20°C, velocidade do vento de 1 m/s, painel sem carga elétrica (circuito aberto) e montado em estrutura aberta, com posição normal em relação ao Sol do meio dia. Esse método assume que ambos os lados do painel têm a mesma temperatura ambiente, como na aplicação em usinas, mas em aplicações como BIPV (do inglês Building-integrated Photovoltaics, i.e., Fotovoltaico Integrado a Edifício), em que a integração com a edificação dificulta a troca de calor da parte posterior do painel, pode não prever corretamente a temperatura de operação. Também é baseado na observação de que a diferença de temperatura Tc- Ta praticamente independe de Ta, além de ser linearmente proporcional ao nível de irradiância solar, especialmente para valores acima

B. Modelo térmico para módulos fotovoltaicos de placa plana

Define-se INOCT como a temperatura das células de um painel instalado às mesmas condições de NOCT. O modelo apresentado em [8]utiliza INOCT para estimar o ganho de calor e as perdas por convecção e radiação nas condições de NOCT. De acordo com as variações das condições ambientais, o modelo varia os valores desses parâmetros. O modelo também inclui uma capacitância térmica para simular o atraso natural na resposta da temperatura de um módulo típico. O modelo de Fuentes [8] propõe o tratamento do módulo fotovoltaico como sendo um único aglomerado sólido a uma temperatura uniforme, T. A equação proposta para o balanço de energia é a que segue:

em que Tc, Ta, Ts e Tg são as temperaturas (em kelvin), respectivamente, da célula, do ambiente, do céu e do solo

(ou do teto) circundando a célula, enquanto que m e c referem-se, respectivamente, à massa por unidade de área superficial (em kg/m²) e ao calor específico global (em kJ/kg.K) do módulo. O coeficiente global convectivo, hc, é a soma dos coeficientes convectivos das faces superior e inferior do módulo.

Fuentes sublinha que o coeficiente de convecção da superfície superior pode ser determinado com pouca dificuldade, enquanto que aquele da superfície inferior deve ser aproximado utilizando-se o coeficiente da superfície superior e INOCT. A referência [8] possui seções detalhando os métodos de cálculo e estimativa do coeficiente convectivo na superfície superior do módulo, da temperatura do céu, da absortividade, da emissividade e da massa térmica do módulo. Outras seções tratam dos parâmetros envolvidos na perda de calor a partir da superfície inferior, na velocidade do ar à altura de instalação do módulo e na determinação de INOCT, que pode ser estimado a partir do NOCT informado pelo fabricante, sendo um valor típico para painéis montados em estruturas abertas a grandeza NOCT decrescida de 3°C [9].

C. Estratégias de resfriamento de células fotovoltaicas

Um grande número de artigos disponíveis na literatura aborda o resfriamento de células fotovoltaicas, muitos dos quais devotam atenção a células fotovoltaicas de concentração (CPV). Seja como for, estratégias de resfriamento para essas últimas são também contempladas nesta revisão bibliográfica, uma vez que a maioria delas apresenta propostas plausíveis para o resfriamento de células fotovoltaicas em sentido geral, cabendo uma análise rigorosa considerando critérios de custo e desempenho, ante condições ambientais e de instalação do sistema fotovoltaico, no momento da escolha da alternativa mais conveniente para o arrefecimento das células.

Quanto ao fluido de refrigeração, principalmente no que se refere ao resfriamento ativo, ar e água são as alternativas mais contempladas. As propriedades do ar o tornam muito menos eficiente que a água como meio refrigerante, além de ele ser menos conveniente para usos secundários da energia térmica extraída do sistema PV. Entretanto, em algumas situações em que a água é escassa, ar forçado pode ainda ser a opção de preferência [10].

Convecção natural a partir de uma superfície plana. A primeira abordagem para compreender o desempenho do processo de dissipação de energia térmica de um módulo fotovoltaico consiste na análise da transferência de calor por convecção a partir de sua superfície traseira. Esse é, em princípio, o mecanismo mais simples de dissipação de calor de um sistema fotovoltaico, uma vez que ainda não condiz ao acoplamento de algum dispositivo de arrefecimento à superfície posterior do módulo.

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