Simulação Numérica do Acoplamento Elétrico-Térmico Aplicado a Coletores Solares Fotovoltaicos/Térmicos Híbridos

Abstract

Mesmo com a atual massificação dos sistemas fotovoltaicos (PV), esta tecnologia ainda possui uma baixa eficiência, de aproximadamente 20% (pelo menos até os dias atuais). Além do mais, a maior parte da radiação incidente é dissipada em forma de calor, energia que pode ser utilizada para captação de calor residual. Desta forma, uma tecnologia renovável de muito interesse a ser implementada nas construções urbanas, produzindo eletricidade e calor seriam os sistemas de coletores solares fotovoltaicos/térmicos híbridos (PV/T). O objetivo principal do presente trabalho, é o desenvolvimento de um modelo numérico simplificado, do acoplamento elétrico-térmico para um sistema PV/T, para análise de diferentes configurações, como módulos monocristalinos e policristalinos. Cabe ressaltar, que este modelo foi implementado na linguagem de programação Python. A metodologia utilizada considera o uso da equação de um diodo para o modelo elétrico, acoplada às equações de balanço de energia para aproximação dos gradientes de temperaturas de cada camada do material do PV/T. Já para a solução do sistema de equações não lineares transientes, o método numérico utilizado foi o de Runge-Kutta de quarta ordem. O modelo foi validado utilizando bibliografias encontradas na literatura. Levando em conta os dados reais de uma estação solarimétrica instalada em Foz do Iguaçu. Também, uma análise de sensibilidade foi realizada a fim de identificar quais parâmetros principais são os mais impactantes no modelo, como por exemplo, distanciamento entre tubos, variação da vazão e espessura do isolamento. Com respeito aos resultados do acoplamento, foram obtidas menores temperaturas de trabalho dos módulos e, consequentemente, melhores ganhos na produção elétrica. Cabe mencionar, que a distribuição de temperaturas por camadas, além das eficiências e da potência apresentadas foram realizadas em condições de pouca nebulosidade, onde se verificou que ao aumentar a espessura do isolante em quatro vezes, o aumento na temperatura de saída do fluído foi de apenas 3,5%. Além disso, o arranjo proposto obteve uma eficiência global de aproximadamente 30%, e com a captação da energia residual em forma de remoção de calor, um fluido de trabalho pode ser aquecido e utilizado para em residências e comércios, como hotéis ou restaurantes.