Análise de sistema fotovoltaico híbrido com material de mudança de fase de base glicerinada

Abstract

Resumo: Células fotovoltaicas perdem em média 0,45% de eficiência de conversão elétrica a cada Kelvin acima da temperatura de operação, tornando-se importante o estudo de métodos de reduzir a sua temperatura. O objetivo deste trabalho é avaliar o desempenho de um sistema fotovoltaico híbrido com material de mudança de fase de base glicerinada na redução de temperatura do painel e geração de energia térmica. Foram realizados testes em ambiente controlado deste sistema em três configurações: painel+água; painel+água+base glicerinada; painel+base glicerinada+água. Nestes testes foram medidas a temperatura dos componentes e tensão de circuito aberto, comparando com um painel sem arrefecimento. Um modelo matemático baseado em analogia elétrica foi proposto para os sistemas e seus parâmetros foram identificados através dos dados experimentais. Estes modelos foram utilizados para avaliar a influência de diversos parâmetros no sistema e avaliar o seu desempenho no deserto de Nevada ao longo de um ano. Uma avaliação experimental em ambiente aberto do sistema foi efetuada em Curitiba no outono, inverno e verão. Dentre os três sistemas, o que apresentou melhores resultados em laboratório foi o com o material de mudança de fase na camada inferior, com uma redução máxima da temperatura em relação ao painel sem arrefecimento de 12,6 K, acarretando um aumento máximo de eficiência de conversão elétrica de 5,7%. A mesma configuração também mostrou-se superior nas simulações. A modelagem matemática dos três sistemas mostrou-se adequada, com um erro médio inferior a 2 K e os parâmetros encontraram-se na ordem de grandeza esperada. A simulação em Nevada apresentou um pico de aumento de eficiência elétrica de 10% no verão e na primavera, com valores médios de 3,6% e 2,1%, respectivamente. No inverno não houve aumento significativo, aproveitando-se apenas a energia térmica. Avaliando o sistema em Curitiba através de simulação computacional, a temperatura do painel com arrefecimento manteve-se inferior à do sem arrefecimento, com uma diferença máxima de 3,9 K no inverno, 12,8 K no outono e 14,2 K no verão. Devido à instabilidade climática durante a tarde, o painel sem arrefecimento se resfria mais rapidamente, reduzindo o benefício de utilizar o sistema de arrefecimento. O aumento médio de produção de energia elétrica foi de 2,2; 2,3 e 2,8% para inverno, outono e verão, respectivamente. A geração de energia térmica pelo sistema de arrefecimento foi superior a 40% da energia recebida pelo sol em todas as estações. Ao aumentar o volume de água no reservatório, houve um aumento significativo de energia térmica nas três estações e de elétrica no verão e outono. Conclui-se que o sistema de arrefecimento beneficia o painel, com a glicerina assistindo o sistema térmico e o proveito da energia térmica mostra-se importante para a viabilidade do sistema.

Abstract: Photovoltaic cells lose on average 0,45% of electrical conversion efficiency for each Kelvin above it’s operating temperature, making it important to study methods to reduce said temperature. The objective of this work is to evaluate the performance of a hybrid photovoltaic system with glycerol-based phase change material for temperature reduction and thermal energy generation. Tests are conducted in a controlled environment for this system in three configurations: panel+water; panel+water+glycerol; panel+glycerol+water. A lumped mathematical model was proposed for each system and the parameters were identified through experimental data. These models were used to evaluate the influence of various parameters in the system and to analyse the performance of the system in the Nevada desert through an year. An experimental outdoor evaluation of the system was conducted in the city of Curitiba during summer winter and fall. Among the systems, the one which showed best results was the one with the phase change material positioned below the thermal system, with a peak temperature reduction of 12,6 K, leading to an increase of 5,7% of the maximum electrical conversion efficiency. The same system also yielded the best results in the simulations. The mathematical model proved adequate, with an average error below 2 K for each system and the parameters within the expected range. The simulation in Nevada showed a peak increase of 10% for both summer and spring, with an average increase of 3,6% and 2,1% for the respective seasons. No noticeable difference was found in the winter, only benefitting of the thermal energy the system generates. Evaluating the system in Curitiba through computational simulation, the temperature of the panel with cooling is kept bellow the one without cooling, with a maximum difference of 3,9 K during winter, 12,8 K during fall e 14,2 K during summer. Due to climatic instability after the noon, the panel with no cooling has it’s temperature reduced faster, reducing the benefit of the cooling system. The average increase in electrical energy production was of 2,2; 2,3; 2,8% for the winter, autumn and summer. The generation of thermal energy by the cooling system was superior to 40% of the energy received from the sun for every season. An increase of the water reservoir’s volume lead to a substantial increase of thermal energy for all 3 seasons and of electrical energy during summer and fall. It is concluded that the cooling system is beneficial to the photovoltaic panel, with the glycerol aiding the thermal system and the usage of thermal energy is important for the system’s viability.