Estudo de viabilidade técnico-financeira de refrigeração de módulos fotovoltaicos com células Peltier

Abstract

RESUMO: A energia solar fotovoltaica está em pleno desenvolvimento devido à necessidade de diversificação da matriz energética mundial para reduzir a dependência de combustíveis fósseis (NASCIMENTO, 2015). Apesar das inúmeras vantagens, a eficiência da conversão de energia nos painéis fotovoltaicos é diretamente influenciada pela temperatura de operação, pois a potência máxima obtida decresce com o aumento da temperatura. Para refrigerar os painéis, os trocadores termoelétricos, ou células Peltier, são uma alternativa com potencial por serem extremamente leves, silenciosos, sem vibração e mais compactos que os ciclos por compressão e absorção. O objetivo dessa pesquisa é verificar a viabilidade técnico-financeira de um sistema de refrigeração para painéis fotovoltaicos utilizando trocadores de calor termoelétricos alimentados pela energia elétrica gerada pelo painel fotovoltaico. Aplicou-se a modelagem térmica do módulo fotovoltaico por meio de uma análise unidimensional para determinar seu comportamento térmico em conjunto com a modelagem do módulo termoelétrico para verificar o efeito do resfriamento no desempenho do equipamento. Variou-se o número de células Peltier e a corrente de alimentação da célula para um valor médio de irradiância da região de São Mateus-ES utilizando o software EES®. Por meio dos gráficos obtidos para as temperaturas das camadas, potência e eficiência do painel fotovoltaico, verificou-se que, para a configuração de 9 módulos termoelétricos, foi possível reduzir a temperatura da célula fotovoltaica em até 20,2 ºC, e aumentar a potência elétrica bruta gerada em até 10%, resultando em um ganho de 1,60% na eficiência elétrica do painel fotovoltaico. Avaliando-se o ponto em que é possível resfriar o painel com o mínimo de perda de potência, sendo a corrente de 0,5 A, a configuração com 3 módulos termoelétricos reduziu a temperatura em 9,62 °C. Devido ao alto consumo de potência dos módulos termoelétricos, não foi possível obter um ganho de potência elétrica líquida nas condições estudadas. Não foi possível realizar uma análise financeira mais completa devido à dificuldade em quantificar o benefício da redução de temperatura na redução da degradação do painel fotovoltaico ao longo do tempo.

ABSTRACT: Photovoltaic solar energy is in full development due to the need to diversify the world energy matrix to reduce dependence on fossil fuels (NASCIMENTO, 2015). Despite the numerous advantages, the efficiency of energy conversion in photovoltaic panels is directly influenced by the operating temperature, as the maximum power obtained decreases with increasing temperature. To cool the panels, thermoelectric exchangers, or Peltier cells, are an alternative with the potential to be extremely light, quiet, without vibration and more compact than the compression and absorption cycles. The objective of this research is to verify the technical and financial feasibility of a cooling system for photovoltaic panels using thermoelectric heat exchangers powered by the electric energy generated by the photovoltaic panel. The thermal modeling of the photovoltaic module was applied by means of a unidimensional analysis to determine its thermal behavior in conjunction with the modeling of the thermoelectric module to verify the effect of cooling on the performance of the equipment. The number of Peltier cells and the cell feed current were varied to an average irradiance value in the region of São Mateus-ES using the EES® software. Through the graphics obtained for the temperatures of the layers, power and efficiency of the photovoltaic panel, it was found that, for the configuration of 9 thermoelectric modules, it was possible to reduce the temperature of the photovoltaic cell by up to 20.2 ºC, and to increase the power gross electricity generated by up to 10%, resulting in a gain of 1.60% in the electrical efficiency of the photovoltaic panel. Evaluating the point at which it is possible to cool the panel with the minimum power loss, being the current of 0.5 A, the configuration with 3 thermoelectric modules reduced the temperature by 9.62 ºC. Due to the high power consumption of the thermoelectric modules, it was not possible to obtain a net electrical power gain under the studied conditions. It was not possible to carry out a complete financial analysis due to the difficulty in quantifying the benefit of reducing the temperature in reducing the degradation of the photovoltaic panel over time.