Como reduzir a temperatura do módulo fotovoltaico com perfurações na estrutura

Uma equipe de pesquisa liderada por cientistas da Universidade de Energia Elétrica do Nordeste da China investigou o impacto da perfuração da estrutura na redução da temperatura de painéis fotovoltaicos usando resfriamento de ar passivo.

“Em comparação com estudos anteriores, a principal novidade deste estudo é a avaliação abrangente do efeito da perfuração da estrutura no desempenho passivo do resfriamento do ar, no gerenciamento térmico e no desempenho elétrico dos painéis fotovoltaicos”, explicou o grupo. "É realizada uma análise detalhada do campo de fluxo de ar ao redor dos painéis fotovoltaicos e do campo de temperatura dos painéis fotovoltaicos, e os efeitos de diferentes padrões de perfuração da estrutura e diferentes formatos de furos no desempenho térmico e elétrico dos painéis fotovoltaicos são comparados e discutidos. O objetivo principal deste artigo é fornecer uma referência para pesquisa de tecnologia de resfriamento de ar passivo de painéis solares fotovoltaicos. "

A equipe de pesquisa investigou 17 projetos diferentes de perfuração de estruturas usando simulações tri-dimensionais de dinâmica de fluidos computacional (CFD).

As simulações foram baseadas em um painel fotovoltaico (PV) de silício monocristalino medindo 52,8 cm × 32 cm × 1,05 cm. O painel consistia em uma estrutura de liga de alumínio (2,5 mm de espessura), uma camada de vidro (3,2 mm), uma camada de etileno-acetato de vinil (EVA) (0,5 mm), uma célula fotovoltaica (0,6 mm) e uma tabela (0,7 mm).

O domínio computacional foi um cubo medindo 0,8 m de cada lado, com altura de instalação de 0,4 m. A velocidade do vento de entrada foi fixada em 6,0 m/s. Os lados de barlavento e sotavento do painel mediam 52,8 cm, enquanto os lados esquerdo e direito mediam 32 cm. A irradiância solar incidente foi de 900 W/m².

Para validar seu modelo, os pesquisadores construíram uma configuração experimental usando um painel fotovoltaico de silício monocristalino menor com dimensões de 35 cm × 23,5 cm × 1,5 cm. O painel tinha potência nominal de 10 W e foi instalado em um ângulo de inclinação de 50 graus. Os experimentos foram conduzidos na cidade de Jilin, no centro da China, e os resultados foram comparados com um modelo de simulação separado. A análise mostrou uma diferença média de temperatura entre os valores simulados e medidos de apenas 0,2267 graus, com um desvio máximo-de ponto único de 0,4 graus.

Depois que o modelo CFD foi validado, a equipe otimizou o ângulo de inclinação para resfriamento passivo, identificando 11 graus como o mais eficaz. Todas as simulações subsequentes dos casos de perfuração foram realizadas nesta inclinação. Os 17 designs de perfuração foram agrupados em quatro categorias com base no número de lados da estrutura perfurados: lado-único, lado-dupla, lado-trilateral e quatro-perfurações laterais.

Cada caso apresentava perfurações circulares ou retangulares. Para painéis com perfurações de barlavento e sotavento, os furos circulares tinham raio de 3 mm e estavam espaçados de 58,68 mm; nos lados esquerdo e direito, os furos também tinham 3 mm de raio, mas espaçados de 64 mm. As perfurações retangulares mediam 4 mm × 100 mm com espaçamento de 107 mm e 5 mm × 70 mm com espaçamento de 60 mm, dependendo do lado.

"O caso 2 - com oito furos circulares de raio de 3,0 mm no lado de barlavento - alcançou a temperatura média mais baixa do painel fotovoltaico (39,37 graus), a temperatura máxima mais baixa (42,63 graus), a distribuição mais uniforme da temperatura da superfície, a maior potência de saída (24,18 W) e a maior eficiência de conversão fotoelétrica (15,9%)", relataram os pesquisadores.

"Do ponto de vista da temperatura média do painel fotovoltaico, 13 dos projetos de perfuração de estrutura avaliados superaram o-quadro não perfurado (Caso 1)", acrescentaram. Comparado com o painel-não perfurado, o design do Case 2 reduziu a temperatura do painel em 5,44 graus. Sob condições sem-vento, a estrutura perfurada diminuiu a temperatura média em 37,8 graus e aumentou a eficiência de conversão fotoelétrica em 2,89%.

Apenas três designs de perfuração - Casos 3, 7 e 8 - tiveram desempenho inferior em relação ao painel não-perfurado. O Caso 3 apresentava furos circulares no lado de sotavento, o Caso 7 tinha furos retangulares no lado de sotavento e o Caso 8 tinha furos retangulares no lado esquerdo. “Ao contrário das suposições comuns, fazer mais furos na estrutura não melhora necessariamente o desempenho de refrigeração do painel fotovoltaico”, concluiu a equipe.

Seu trabalho foi apresentado em "Avaliação do efeito da perfuração da estrutura na redução da temperatura do painel fotovoltaico com resfriamento passivo a ar", publicado em Case Studies in Thermal Engineering. Pesquisadores da Universidade de Energia Elétrica do Nordeste da China, do Grupo Shengu e da Universidade de Ciência e Tecnologia da China participaram do estudo.