Desenvolvimento de um modelo por resistências térmicas de um sistema híbrido fotovoltaico/térmico com trocador de calor de polipropileno corrugado

Abstract

A geração de eletricidade por sistemas fotovoltaicos destaca-se por ser derivada de uma fonte renovável, limpa e silenciosa. No entanto, há uma dependência linear negativa entre a eficiência e a temperatura de operação devido a perdas por reflexão e calor. Nesse sentido, os Sistemas Híbridos Fotovoltaico/Térmicos (PV/T) são capazes de gerar eletricidade como sistemas tradicionais, enquanto resfriam as células por meio da troca térmica com um fluido que escoa por um trocador de calor. Isso permite um aumento na eficiência elétrica dos painéis fotovoltaicos na conversão de energia solar em produção elétrica, além de aproveitar parte da energia térmica dissipada no módulo. Este trabalho apresenta a modelagem de um sistema PV/T usando o método de resistências térmicas, em que o calor é transferido por difusão em condição de estado estacionário, com propriedades térmicas constantes e perdas de calor negligenciáveis pelas laterais do módulo. O trocador de calor é feito de material de polipropileno corrugado com 153 canais de perfil retangular e é instalado em um sistema fotovoltaico convencional. O modelo numérico proposto permitiu a análise de dados para validar os parâmetros de utilização elétrica e térmica contidos na literatura variando a temperatura de entrada da água no trocador e a irradiância solar, e parâmetros como espessura e material do trocador de calor e do isolamento térmico foram analisados. Os resultados entregaram eficiências térmica e elétrica em torno de 61% e 19%, respectivamente, para uma temperatura de entrada de água de 25 °C, a 1000 W/m². Constatou-se que temperaturas de entrada de água menores promovem uma distribuição de temperaturas no sistema reduzida, mas melhoram ambos os rendimentos no PV/T. Valores intermediários de espessura no trocador de calor são ideais, pois equilibram os resultados de eficiência térmica e temperatura final da água. Ademais, materiais condutores para o trocador de calor não provocam efeitos térmicos significativos, corroborando para a implementação de trocadores com materiais mais simples, sustentáveis e de fácil instalação. Por fim, evidenciou-se a importância de um bom isolante térmico no PV/T, pois aumentando sua condutividade térmica, a eficiência decai para 54%.

Electricity generation by photovoltaic systems stands out for being derived from a renewable, clean, and silent source. However, there is a negative linear dependence between efficiency and operating temperature due to losses from reflection and heat. In this context, Photovoltaic/Thermal Hybrid Systems (PV/T) can generate electricity like traditional systems while cooling the cells through thermal exchange with a fluid flowing through a heat exchanger. This allows for an increase in the efficiency of photovoltaic panels in converting solar energy into electrical production, in addition to utilizing thermal energy. This work presents the modeling of a PV/T system using the thermal resistance method, where heat is transferred by diffusion under steady-state conditions, with constant thermal properties and negligible heat losses on the sides. The heat exchanger is made of corrugated polypropylene material with 153 rectangular profile channels and is installed in a conventional photovoltaic system. The proposed numerical model allowed the analysis of data to validate the electrical and thermal utilization parameters proposed in the literature by varying the inlet water temperature in the exchanger and solar irradiance, and parameters such as the thickness and material of the heat exchanger and thermal insulation were analyzed. The results delivered thermal and electrical efficiencies of around 61% and 19%, respectively, for an inlet water temperature of 25 °C at 1000 W/m². It was found that lower inlet water temperatures promote a reduced temperature distribution in the system but improve both PV/T yields. Intermediate thickness values in the heat exchanger are ideal as they balance thermal efficiency and final water temperature results. Moreover, conductive materials for the heat exchanger do not cause significant thermal effects, supporting the implementation of exchangers with simpler, more sustainable, and easy-to-install materials. Finally, the importance of the thermal insulation in the PV/T was highlighted, as increasing its thermal conductivity reduces efficiency to 54%.