UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E
ELETRÔNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
INSTITUTO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
Nuno Miguel Martins da Rocha
ESTUDO DO DESEMPENHO DE UM MÓDULO FOTOVOLTAICO ADAPTADO PARA MÓDULO FOTOVOLTAICO/TÉRMICO
Florianópolis 2018
INEP
Nuno Miguel Martins da Rocha
ESTUDO DO DESEMPENHO DE UM MÓDULO FOTOVOLTAICO ADAPTADO PARA MÓDULO FOTOVOLTAICO/TÉRMICO
Tese submetida ao Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do Grau de doutor em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. Denizar Cruz Martins
Coorientador: Prof. Dr. Júlio César Passos
Florianópolis 2018
Ficha de identificação da obra elaborada pelo autor,
através do Programa de Geração Automática da Biblioteca Universitária da UFSC.
Rocha, Nuno Miguel Martins da
Estudo do Desempenho de um Módulo Fotovoltaico Adaptado para Módulo Fotovoltaico/Térmico / Nuno Miguel Martins da Rocha ; orientador, Denizar Cruz Martins, coorientador, Júlio César Passos, 2018. 134 p.
Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós
Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2018. Inclui referências.
1. Engenharia Elétrica. 2. Energia solar. 3. Seguimento do ponto de máxima potência. 4. Painel solar híbrido. 5. Resfriamento da célula
fotovoltaica. I. Martins, Denizar Cruz. II. Passos, Júlio César. III. Universidade Federal de Santa Catarina. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. IV. Título.
AGRADECIMENTOS
À minha esposa Francieli Naspolini Formanski pelo apoio, compreensão e paciência demonstrada.
Aos professores Denizar Cruz Martins e Júlio César Passos pela valiosa orientação que permitiram que esta tese se tornasse uma realidade.
Aos colegas e amigos Diego Solano, Adriano Ruseler, Lucas Lapolli Brighenti, Vinícius Trucco, Walbermark Marques dos Santos, André Luiz Fuerback, Roberto Buerger e Jacson Luis de Oliveira, pelos conhecimentos partilhados e o bom ambiente de trabalho vivenciado.
Ao secretário Diogo Duarte Luiz pelo auxílio essencial à conclusão desta tese.
Ao mestre Guilherme Piazza Zanette pela constante troca de ideias.
Aos técnicos Antonio Luiz Schalata Pacheco e Luiz Marcelius Coelho, pela disponibilidade em auxiliar e a constante boa disposição.
À minha família, pelo apoio e paciência revelados durante estes anos e conselhos que me proporcionaram quando as coisas estavam mais difíceis.
Ao Antonio Luiz Schalata Pacheco Filho pelo auxílio fundamental na montagem da bancada experimental.
Aos amigos Leandro Lopes e André Ricardo.
Ao governo brasileiro, que me proporcionou esta oportunidade, à CAPES, FINEP e CNPQ.
À toda a família INEP pela camaradagem.
À France Air Portugal por me permitir ausentar possibilitando a defesa desta tese.
A todos que direta ou indiretamente contribuíram para a conclusão deste trabalho.
“A sorte favorece a mente bem preparada”. - Louis Pasteur “Tudo vale a pena quando a alma não é pequena”. - Fernando Pessoa “Dentro de nós há uma coisa que não tem nome, essa coisa é o que somos”. - José Saramago
RESUMO
A quantidade de energia solar convertida em eletricidade por um sistema fotovoltaico (FV) é afetada pelas variações nos índices de irradiância e temperatura das células FVs, sendo que o aumento da temperatura das células FVs origina um efeito negativo no rendimento do módulo FV. Dessa forma, a aplicação de um sistema de resfriamento das células FVs permitirá uma melhoria de desempenho de todo o sistema FV. O presente trabalho tem como objetivo estudar o desempenho de um módulo FV transformado em um módulo solar híbrido Fotovoltaico/Térmico (FV/T), produzindo energia elétrica e térmica simultaneamente, com o intuito de estabelecer um sistema de resfriamento para as células FVs que possibilite manter a temperatura das mesmas em um valor constante ou pelo menos de mínima variação. As modificações das condições de operação, particularmente as relativas à irradiância e temperatura da célula FV, originam o deslocamento do Ponto de Máxima Potência (PMP) do sistema. No presente trabalho, o Seguimento do Ponto de Máxima Potência (SPMP) é realizado utilizando um algoritmo baseado exclusivamente em informações de temperatura da célula FV, sendo que as medições da mesma são realizadas sem o uso de sensores de temperatura. O desempenho do sistema FV/T é estudado e comparado ao de um FV convencional usando o mesmo algoritmo SPMP. Por meio de um modelo numérico é analisado o desempenho energético e as emissões CO2 dos sistemas FV e FV/T. Os resultados
mostram que o sistema FV/T fornece uma maior energia global de saída, levando a uma redução nas emissões de CO2, diminuindo ao mesmo
tempo a amplitude da tensão do PMP e consequentemente facilitando o SPMP.
Palavras-chave: Energia solar, Seguimento do ponto de máxima potência, SPMP, Solar Fotovoltaico, FV, Painel solar híbrido, FV/T, Resfriamento da célula fotovoltaica, Análise energética.
ABSTRACT
The amount of solar energy converted into electricity by a Photovoltaic (PV) system is affected by the variations in the incident radiation rates and the temperature of the PV cells. The increase in the temperature of the PV cells causes a negative effect on the yield of the PV module. In this way, the application of a cooling system of the PV cells will allow a performance improvement of the entire PV system. The present work aims to study the performance of a PV module transformed into a photovoltaic/thermal module (PV/T), producing electrical and thermal energy simultaneously, in order to establish a cooling system for the PV cells. Modifications of the operating conditions, particularly those related to the temperature and radiation of the PV cell, result in the displacement of the Maximum Power Point (MPP) of the system. In the present work the Maximum Power Point Tracking (MPPT) is performed using an algorithm based exclusively on PV cell temperature information and the measurements are made without the use of temperature sensors. The performance of the PV/T system is studied and compared to that of a conventional PV using the same MPPT algorithm. By means of a numerical model the energy performance and the avoided CO2 emissions
of the PV and PV/T system are analyzed. The results show that the PV/T system provides greater overall output energy, leading to a higher a reduction in CO2 emissions, at the same time reducing the MPP voltage
amplitude and easing the MPPT.
Keywords: Solar energy, Maximum Power Point Tracking, MPPT, Photovoltaic solar, PV, Hybrid solar panel, PV/T, Refrigeration photovoltaic cell, Energy analysis.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1: Previsão da evolução da população e do consumo energético
[1]. ... 1
Figura 1.2: Evolução da capacidade instalada de energia fotovoltaica, mundialmente [11]. ... 3
Figura 1.3: Rendimento médio de conversão, em energia elétrica, por tecnologia [13]–[15]. ... 3
Figura 1.4: Fator de capacidade por tecnologia de fonte primária de produção de eletricidade, nos Estados Unidos da América em 2015 [16]. ... 3
Figura 1.5: PMP ao longo do plano I-V, consoante as variações na irradiância solar e temperatura das células FVs. ... 6
Figura 1.6: Comportamento da curva de geração I-V do módulo fotovoltaico KC200GT com variação da irradiância solar. Adaptado do datasheet do fabricante [24]. ... 7
Figura 1.7: Comportamento da curva de geração I-V do módulo fotovoltaico KC200GT com variação da temperatura da célula fotovoltaica. Adaptado do datasheet do fabricante [24] ... 7
Figura 1.8: Configuração típica de um sistema de SPMP [29]. ... 9
Figura 1.9: Implementação do sistema com SPMP- temp Vca [33]... 10
Figura 1.10: Características principais de um módulo FV/T [23]. ... 12
Figura 1.11: Vista de corte de algumas das configurações dos módulos FV/T a água, mais comuns [23]. ... 14
Figura 2.1: Bancada experimental. ... 22
Figura 2.2: Esquemático geral bancada experimental. ... 23
Figura 2.3: Processo de transformação do módulo FV em FV/T [85]. 25 Figura 2.4: Traseira do módulo FV a) e trocador de calor b). ... 26
Figura 2.5: Fixação do trocador de calor a) e componentes FV/T (b). . 26
Figura 2.6: Sentido de circulação do fluído de resfriamento. ... 27
Figura 2.7: Painel de polipropileno utilizado no fabrico do trocador de calor. ... 28
Figura 2.8: Topologia do conversor CC-CC Boost. ... 28
Figura 2.9: Protótipo do conversor CC-CC Boost. ... 29
Figura 2.10: Componente elétrica da bancada experimental. ... 30
Figura 2.11: Fluxograma do algoritmo SPMP – Temp Vca. ... 31
Figura 3.1: Irradiância solar durante o dia 25/07/2017. ... 32
Figura 3.2 Irradiância solar durante o dia 22/09/ 2017... 33
Figura 3.3 Irradiância solar durante o dia 21/11/2017... 33
Figura 3.4: Temperatura ambiente durante o dia 25/07/2017. ... 34
Figura 3.6: Temperatura ambiente durante o dia 21/11/2017... 35 Figura 3.7: Variação da velocidade do vento durante o dia 25/07/2017. ... 35 Figura 3.8: Variação da velocidade do vento durante o dia 22/09/2017. ... 36 Figura 3.9: Variação da velocidade do vento durante o dia 21/11/2017. ... 36 Figura 3.10: Temperatura das células FVs e velocidade do vento no dia 25/07/2017. ... 37 Figura 3.11: Temperatura das células FVs e velocidade do vento no dia 22/09/2017. ... 38 Figura 3.12: Temperatura das células FVs e velocidade do vento no dia 21/11/2017. ... 38 Figura 3.13: Tensão do PMP para os módulos FV e FV/T no dia
25/07/2017. ... 39 Figura 3.14: Tensão do PMP para os módulos FV e FV/T no dia
22/09/2017. ... 40 Figura 3.15: Tensão do PMP para os módulos FV e FV/T no dia
21/11/20177. ... 40 Figura 3.16: Potência elétrica dos sistemas FV e FV/T no dia
25/07/2017. ... 41 Figura 3.17: Potência elétrica dos sistemas FV e FV/T no dia
22/09/2017. ... 42 Figura 3.18: Potência elétrica dos sistemas FV e FV/T no dia
21/11/2017. ... 42 Figura 3.19: Potência térmica do sistema FV/T e temperatura da água de resfriamento no dia 25/07/2017. ... 43 Figura 3.20: Potência térmica do sistema FV/T e temperatura da água de resfriamento no dia 22/09/2017. ... 44 Figura 3.21: Potência térmica do sistema FV/T e temperatura da água de resfriamento no dia 21/11/2017. ... 44 Figura 3.22: Potência global dos sistemas FV e FV/T no dia
25/07/2017. ... 45 Figura 3.23: Potência global dos sistemas FV e FV/T no dia
22/09/2017. ... 46 Figura 3.24: Potência global dos sistemas FV e FV/T no dia
21/11/2017. ... 46 Figura 3.25: Rendimento global dos sistemas FV e FV/T, e ganho de rendimento no dia 25/07/2017. ... 47 Figura 3.26: Rendimento global dos sistemas FV e FV/T, e ganho de rendimento no dia 22/09/2017. ... 48
Figura 3.27: Rendimento global dos sistemas FV e FV/T, e ganho de
rendimento no dia 21/11/2017. ... 48
Figura 3.28: Energia produzida pelos sistemas FV e FV/T, e economia no dia 25/07/2017. ... 49
Figura 3.29: Energia produzida pelos sistemas FV e FV/T, e economia no dia 22/09/2017. ... 50
Figura 3.30: Energia produzida pelos sistemas FV e FV/T, e economia no dia 21/11/2017. ... 50
Figura 4.1: Vista de corte lateral da estrutura de um módulo fotovoltaico [88]. ... 52
Figura 4.2: Vista de corte lateral de um módulo FV/T a água [62]. ... 53
Figura 4.3: Circuito térmico, equivalente, de um módulo FV/T a água [62]. ... 53
Figura 4.4: Circuito térmico, equivalente, de um módulo FV, adaptado de [62]. ... 57
Figura 4.5: Circuito elétrico, equivalente, de um módulo FV [33]. ... 58
Figura 4.6: Temperatura das células FVs no dia 22/09/2017. ... 60
Figura 4.7: Temperatura das células FV/T no dia 22/09/2017. ... 61
Figura 4.8: Potência elétrica gerada pelo módulo FV no dia 22/09/2017. ... 61
Figura 4.9: Potência elétrica gerada pelo módulo FV/T no dia 22/09/2017... 62
Figura 4.10: Potência térmica gerada no dia 22/09/2017. ... 62
Figura 4.11: Eficiência térmica, elétrica e global do sistema FV/T. ... 64
Figura 4.12: Efeito da vazão na temperatura das células FVs. ... 65
Figura 4.13: Módulos FV/T associados em paralelo hidraulicamente. . 65
Figura 4.14: Temperatura das células FVs considerando o resfriamento de um módulo FV e a associação em paralelo. ... 66
Figura 4.15: Efeito da velocidade do vento na temperatura das células FVs. ... 66
Figura 5.1: Esquemático geral sistema FV/T com massa de água infinita. ... 68
Figura 5.2: Temperatura das células FVs no dia 25/07/2017 para o sistema FV e FV/T considerando massa de água de 100 kg e infinita. . 69
Figura 5.3: Temperatura das células FVs no dia 22/09/2017 para o sistema FV e FV/T considerando massa de água de 100 kg e infinita. . 70
Figura 5.4: Temperatura das células FVs no dia 21/11/2017 para o sistema FV e FV/T considerando massa de água de 100 kg e infinita. . 70
Figura 5.5: Tensão do PMP no dia 25/07/2017 para o sistema FV e FV/T considerando massa de água de 100 kg e infinita. ... 71
Figura 5.6: Tensão do PMP no dia 22/09/2017 para o sistema FV e
FV/T considerando massa de água de 100 kg e infinita. ... 71
Figura 5.7: Tensão do PMP no dia 21/11/2017 para o sistema FV e FV/T considerando massa de água de 100 kg e infinita. ... 72
Figura 6.1: Temperatura média mensal das células FVs. ... 75
Figura 6.2: Tensão média mensal do PMP. ... 76
Figura 6.3: Energia total produzida mensalmente. ... 76
Figura 6.4: Energia produzida anualmente. ... 77
Figura 6.5: Rendimento global mensal. ... 77
Figura 6.6: Emissões CO2 evitadas mensalmente. ... 78
Figura 6.7: Emissões CO2 evitadas anualmente. ... 79
Figura A.1: Temperatura das células FV/T no dia 25/07/2017. ... II Figura A.2: Temperatura das células FV no dia 25/07/2017. ... II Figura A.3: Potência elétrica gerada pelo módulo FV no dia 25/07/2017. ...III Figura A.4: Potência elétrica gerada pelo módulo FV/T no dia
25/07/2017. ...III Figura A.5: Potência térmica gerada pelo módulo FV/T no dia
25/07/2017. ... IV Figura A.6: Potência elétrica gerada pelo módulo FV/T no dia
25/07/2017. ... IV Figura A.7: Temperatura das células FV/T no dia 21/11/2017. ... V Figura A.8: Temperatura das células FV no dia 21/11/2017. ... V Figura A.9: Potência elétrica gerada pelo módulo FV no dia 21/11/2017. ... VI Figura A.10: Potência elétrica gerada pelo módulo FV/T no dia
21/11/2017. ... VI Figura A.11: Potência elétrica gerada pelo módulo FV/T no dia
21/11/2017. ... VII Figura C.1: Estudo do retorno econômico dos sistemas analisados. ... XV
LISTA DE TABELAS
Tabela 2-1: Erros de medição dos equipamentos utilizados ... 24
Tabela 2-2: Parâmetros do sistema de resfriamento ... 24
Tabela 2-3: Parâmetros do trocador de calor ... 27
Tabela 2-4: Parâmetros de projeto do conversor Boost CC-CC ... 29
Tabela 2-5: Parâmetros de construção do conversor Boost CC-CC ... 29
Tabela 2-6: Parâmetros modulo FV KC200GT... 31
Tabela 4-1: Parâmetros térmicos do módulo FV/T. ... 59
Tabela 4-2: Parâmetros elétricos do módulo FV KC200GT [91]. ... 60
Tabela 4-3: Valores do coeficientes de correlação e erro quadrático médio ... 63
Tabela 5-1: Energia produzida pelo sistema FV e FV/T considerando massa de água de 100 kg e infinita. ... 72
Tabela 6-1: Fatores médios de emissão de CO2 no ano de 2017 [95]. . 78
Tabela B-1: Dados climáticos do mês de janeiro para Florianópolis, SC. ... VIII Tabela B-2: Dados climáticos do mês de fevereiro para Florianópolis, SC. ... VIII Tabela B-3: Dados climáticos do mês de março para Florianópolis, SC. ... IX Tabela B-4: Dados climáticos do mês de abril para Florianópolis, SC. IX Tabela B-5: Dados climáticos do mês de maio para Florianópolis, SC. X Tabela B-6: Dados climáticos do mês de junho para Florianópolis, SC.X Tabela B-7: Dados climáticos do mês de julho para Florianópolis, SC. X Tabela B-8: Dados climáticos do mês de agosto para Florianópolis, SC. ... XI Tabela B-9: Dados climáticos do mês de setembro para Florianópolis, SC. ... XI Tabela B-10: Dados climáticos do mês de outubro para Florianópolis, SC. ... XII Tabela B-11: Dados climáticos do mês de novembro para Florianópolis, SC. ... XII Tabela B-12: Dados climáticos do mês de dezembro para Florianópolis, SC. ... XIII Tabela C-1: Componentes e custos dos sistemas FV/T. ... XIV
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABREVIATURAS
CC Corrente contínua
CELESC Centrais Elétricas de Santa Catarina
CPE Condições Padrão de ensaio
FV Fotovoltaico
FV/T Fotovoltaico/Térmico
MA Massa de ar
O&M Operação e Manutenção
PMP Ponto de máxima potência
REF Condições de referência
SPMP Seguimento do Ponto de máxima potência UNFPA Fundo de População das Nações Unidas
SIGLAS
A Fator de idealidade do diodo
AFV/T Área do módulo FV/T m2
Cp Calor especifico J/kgK
D Razão cíclica m
DPMP Razão cíclica do PMP
EG Energia de banda proibida eV
F' Rendimento coletor
FP1 Fator de penalização devido à presença de célula FV, Tedlar e EVA
FP2 Fator de penalização devido à interface Tedlar e o fluido
FR Fator de remoção de calor m/s2
hf Coeficiente de transferência de calor por convecção da superfície traseira para o fluido W/m2K
I0CPE Corrente de saturação reversa do diodo em CPE A
Imódulo Corrente nos terminais de saída do módulo A
ICPE
phmódulo Corrente foto gerada no módulo em CPE A
k Constante de Boltzmann J/K
Kc Condutividade térmica da cobertura W/mK
kT Condutividade térmica do Tedlar W/mK
Lc Espessura cobertura m
𝑚̇ Vazão mássica kg/s
M Massa de água kg
PeFV Potência elétrica do módulo FV W
PeFV/T Potência elétrica do módulo FV/T W
q Carga elementar do elétron C
QR Potência térmica no interior do reservatório W
QFV/T Potência térmica do módulo FV/T W
Rpmódulo Resistência paralela de um módulo fotovoltaico Ω
Rsmódulo Resistência série do módulo fotovoltaico A
S Irradiância solar W/m2
SCPE Irradiância solar em CPE W/m2
Ta Temperatura ambiente °C
Tag Temperatura da água °C
Tf Temperatura média do fluido °C
Tfe Temperatura de entrada do fluido °C
Tfs Temperatura de saída do fluido °C
TFV Temperatura da célula FV °C
TFV/T Temperatura da célula FV do módulo FV/T °C
TFVCEP Temperatura da célula FV em CPE °C
Tpt Temperatura da superfície traseira do módulo FV/T °C
TREF Temperatura de referência do algoritmo de controle °C
UL Coeficiente global de perda de calor do módulo FV/T para o ambiente W/m2K
Uc Coeficiente global de transferência de calor da célula FV para o ambiente, através da cobertura W/m2K
UcT Coeficiente global de transferência de calor da cobertura, para o Tedlar, através da célula FV
UT Coeficiente global de transferência de calor da célula FV, para o fluido, através do Tedlar W/m2K
UTa Coeficiente global de transferência de calor do Tedlar, para o ambiente, através do isolamento W/m2K
VPMP Tensão do PMP V
Vca Tensão de circuito aberto V
VcaCEP Tensão de circuito aberto em condições CPE V
VREF Tensão de referência V
VV Velocidade do vento m/s
ALFABETO GREGO
(ατ) Produto da absortividade pela transmissibilidade
αFV Absortividade da célula FV
β Coeficiente temperatura da célula FV 1/K
βcc Coeficiente de temperatura de curto circuito A/ºC
βFV Fator de preenchimento do módulo FV
ΔTFV Variação da temperatura da célula FV ºC
ηc Rendimento global
ηcFV/T Rendimento energético, combinado, do módulo FV/T
ηeCPE Rendimento célula FV em condições CPE
ηeFV Rendimento elétrico do módulo FV
ηeFV/T Rendimento energético, elétrico, do módulo FV/T
ηel Rendimento elétrico
ηT Rendimento térmico do módulo FV/T
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 1 1.1 EVOLUÇÃODAENERGIAFOTOVOLTAICA ... 2 1.2 ESTRUTURADOTRABALHO ... 4 1.3 CONTEXTUALIZAÇÃOEJUSTIFICATIVA ... 5 1.4 ALGORITMOSDESPMP ... 8 1.4.1 SPMP Temperatura – Vca ... 9 1.5 OBJETIVO ... 11 1.5.1 Objetivos específicos ... 11 1.6 MÓDULOSSOLARESHÍBRIDOSAÁGUA... 11
1.6.1 Características e configurações dos módulos solares híbridos a água ... 13 1.7 ESTADODAARTE ... 15 1.8 CONTRIBUIÇÕESDOPRESENTETRABALHO ... 20
1.9 PRODUÇÃOCIENTIFICARESULTANTEDOPRESENTE
TRABALHO ... 21 2 MATERIAIS E METODOLOGIA ... 22 2.1 BANCADAEXPERIMENTAL ... 22 2.1.1 Sistema de resfriamento ... 24 2.1.2 Sistema elétrico ... 28 3 COLETA DE DADOS EXPERIMENTAIS ... 32 3.1 CONDIÇÕESCLIMÁTICAS ... 32 3.1.1 Irradiância solar ... 32 3.1.2 Temperatura ambiente ... 34 3.1.3 Velocidade de vento ... 35 3.1.4 Discussão ... 36 3.2 EVOLUÇÃODATEMPERATURADASCÉLULASFVS .. 37
3.2.1 Discussão ... 39 3.3 TENSÃODOPONTODEMÁXIMAPOTÊNCIA... 39 3.3.1 Discussão ... 40 3.4 POTÊNCIAELÉTRICAGERADA ... 41 3.4.1 Discussão ... 42 3.5 POTÊNCIATÉRMICA ... 43 3.5.1 Discussão ... 45 3.6 POTÊNCIAGLOBAL ... 45 3.6.1 Discussão ... 46 3.7 RENDIMENTO ... 47
3.7.1 Discussão ... 48 3.8 ENERGIAEECONOMIA ... 49 3.8.1 Discussão ... 50 4 MODELO MATEMÁTICO DE SISTEMAS FV E FV/T ... 52 4.1 MODELO TÉRMICO DE UM MÓDULO FV/T ... 52 4.2 MODELOTÉRMICODEUMMÓDULOFV ... 56 4.3 MODELOELÉTRICODEUMMÓDULOFV ... 57 4.3.1 Discussão ... 58 4.4 VALIDAÇÃOMODELONUMÉRICO ... 58 4.4.1 Resultados da validação do modelo térmico e elétrico .. 60 4.4.2 Discussão ... 63
4.5 ANÁLISEDOCOMPORTAMENTODOSISTEMAFV/T . 63
4.6 DISCUSSÃO ... 66 5 ANÁLISE DO DESEMPENHO DO SISTEMA FV/T ... 68
5.1 RESULTADOSDAANÁLISEDODESEMPENHODO
SISTEMAFV/T ... 68 5.1.1 Temperatura das células FVs ... 69 5.1.2 Tensão das células FVs ... 70 5.1.3 Desempenho energético ... 72 5.2 DISCUSSÃO ... 73 6 ANÁLISE DO DESEMPENHO ANUAL DOS SISTEMAS FV E FV/T ... 74
6.1 RESULTADOSDAANÁLISEDODESEMPENHOANUAL
74
6.1.1 Temperatura das células FVs ... 75 6.1.2 Tensão do PMP... 75 6.1.3 Desempenho energético anual ... 76 6.1.4 Análise das emissões de CO2 evitadas ... 78
6.2 DISCUSSÃO ... 79 7 CONCLUSÃO ... 80 REFERÊNCIAS ... 83 APÊNDICE A – CURVAS DA VALIDAÇÃO DO MODELO TÉRMICO ELÉTRICO ... II APÊNDICE B – DADOS CLIMÁTICOS UTILIZADOS NA
1
1 INTRODUÇÃO
Nos últimos anos tem-se assistido a um aumento da população humana mundial que em 1999 era de cerca de 6 bilhões e em outubro de 2017, segundo o Fundo de População das Nações Unidas (UNFPA), já ultrapassava os 7,6 bilhões. Paralelamente ao aumento da população registrou-se também uma evolução tecnológica e econômica intimamente ligadas a um aumento do consumo energético, como se pode observar na Figura 1.1. Países em desenvolvimento como a China e a Índia, que são os mais populosos do mundo, começam a ter um nível de vida que se aproxima do estilo ocidental, o que implica num aumento do consumo de energia [1].
Figura 1.1: Previsão da evolução da população e do consumo energético [1]. Atualmente, a maior parte das fontes primárias de energia elétrica utilizadas para atender as necessidades da população são de origem fóssil [2]. Essas fontes, além de constituírem recursos finitos, são também responsáveis pela emissão de gases poluentes [3]. Logo, as fontes indicadas para responder à nova procura energética deverão ser de origem renovável por serem um recurso infinito e possuírem uma menor pegada ecológica. Uma fonte de energia renovável é aquela que nunca se esgota ou que se regenera num período de tempo igual ou inferior àquele durante
2
o qual se utiliza a energia por ela produzida e que tem como origem os recursos naturais [4].
Dentro das fontes renováveis existentes a energia solar surge como a mais promissora. O Sol é a maior fonte de energia conhecida e, por esse motivo, merece especial atenção. A quantidade de energia que é emitida pelo Sol e absorvida pela atmosfera durante um ano é de aproximadamente 3,850 ZJ [5] sendo que o consumo total de energia do ano 2017 foi de 13,51 Gtep [2], o que corresponde a 565 EJ. Isto significa que o Sol é capaz de em apenas duas horas fornecer mais energia que o total consumido na Terra ao longo de um ano. Esse fato justifica o interesse em conseguir captar e transformar essa energia. Existem essencialmente duas formas de captar a energia solar e transformá-la de modo a poder utiliza-la: em energia térmica (calor) ou em energia elétrica.
No atual cenário energético e ambiental, a energia solar Fotovoltaica (FV) é a opção mais indicada para combater a procura energética de uma forma limpa e sustentável. Um sistema FV não produz lixo tóxico como as usinas nucleares, não polui o meio ambiente como as termoelétricas, a gás ou a carvão, e não envolve nenhum impacto ambiental ou social, como as hidroelétricas e as eólicas [6], não contabilizando o processo de fabricação e descarte dos módulos FV. Além disso, não produzem ruído durante o seu funcionamento e exigem um nível mínimo de manutenção [7], garantindo ainda o fornecimento de energia a preços constantes [8], [9].
1.1 EVOLUÇÃO DA ENERGIA FOTOVOLTAICA
No princípio do século XXI a energia solar FV registrou um crescimento exponencial conforme se pode observar na Figura 1.2. Apesar desse crescimento, fazendo uma comparação com a capacidade total de produção de energia elétrica instalada mundialmente que, em 2014, era de 6180 GW [10], a energia solar FV corresponde a apenas 12,16 % dessa quantidade, ou seja, a 508 GW [11]. Isso se deve, entre outros fatores, ao fato da tecnologia FV apresentar um rendimento menor em relação às outras fontes de geração, como se pode constatar na Figura 1.3, e um baixo fator de capacidade conforme apresentado na Figura 1.4. Além destes fatores, atualmente a tecnologia FV ainda apresenta um custo elevado quando comparado com as fontes tradicionais de produção de energia, nomeadamente as centrais a ciclo combinado, gás natural [12], embora se tenha verificado uma aproximação dos custos nos últimos anos.
3
Figura 1.2: Evolução da capacidade instalada de energia fotovoltaica, mundialmente [11].
Figura 1.3: Rendimento médio de conversão, em energia elétrica, por tecnologia [13]–[15].
Figura 1.4: Fator de capacidade por tecnologia de fonte primária de produção de eletricidade, nos Estados Unidos da América em 2015 [16].
0 100 200 300 400 500 600 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 G W p 0% 20% 40% 60% 80% 100% 0% 20% 40% 60% 80% 100%
4
Para que ocorra a expansão generalizada da tecnologia FV é necessário que haja uma redução nos custos a ela associados. Os vários caminhos possíveis para a mesma passam pela evolução dos processos de fabricação, por meio de produção em larga escala, emprego de materiais mais baratos, utilização de mão de obra mais barata e evolução da tecnologia, de modo a permitir níveis de rendimento mais elevados [17].
1.2 ESTRUTURA DO TRABALHO
O presente trabalho inicia-se pela contextualização do problema abordando as características dos módulos FVs e de como o desempenho destes é afetado pelas condições climáticas. Na sequência é apresentado um resumo dos principais algoritmos de Seguimento do Ponto de Máxima Potência (SPMP) de modo a enquadrar o algoritmo que é empregado no presente trabalho. Segue-se uma revisão bibliográfica sobre os módulos solares híbridos (Fotovoltaico/Térmico - FV/T) a água e na sequência é apresentado o estado da arte acerca do tema do presente trabalho, as contribuições do presente trabalho e enunciados os artigos resultantes da presente tese.
No capítulo 2 são apresentados os materiais e a metodologia utilizada na obtenção dos resultados, assim como a bancada experimental. Nomeadamente o sistema hidráulico, o trocador de calor, e o sistema elétrico, o conversor CC-CC e o algoritmo de SPMP –temp Vca.
No capítulo 3 são apresentados e analisados os resultados do desempenho dos módulos FV e FV/T para os dias de realização dos experimentos.
No capítulo 4 é descrito o modelo numérico, térmico e elétrico, dos módulos FV e FV/T, e as equações que permitem simular o desempenho dos mesmos. São apresentadas as curvas de validação dos modelos e respectivos resultados, sendo também analisado o comportamento do sistema FV/T por meio das curvas de eficiência, o efeito da vazão e da velocidade do vento na temperatura das células FVs, assim como o estudo do efeito da associação de módulos FV/T na temperatura das células FVs.
No capítulo 5 é apresentada a análise do desempenho do sistema FV/T considerando uma massa de água infinita e os dias de realização dos experimentos.
No capítulo 6 é estudado o desempenho anual dos módulo FV e FV/T para a cidade de Florianópolis, SC, analisada a energia produzida e
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emissões de CO2 evitadas. Por fim, no capítulo 7 é apresentada a
conclusão geral do trabalho e sugeridos trabalhos futuros.
1.3 CONTEXTUALIZAÇÃO E JUSTIFICATIVA
A quantidade de energia solar convertida em eletricidade por uma célula FV é afetada por variações nos índices de irradiância e temperatura desta [18]. Um aumento nos níveis de radiação proporciona um acréscimo da potência disponível, enquanto que um aumento na temperatura origina uma diminuição [19]. Segundo Ghani e Duke [20], um aumento de 1K na temperatura das células FVs, à base de silício cristalino, origina um decréscimo de 0,4 a 0,5% no rendimento destas. Além disso, as temperaturas elevadas provocam danos estruturais permanentes nas células FVs, resultado das tensões térmicas, reduzindo assim a vida útil das mesmas [21].
As células FVs são capazes de absorver até 80% da radiação solar incidente, no entanto apenas uma porcentagem dessa energia é convertida em eletricidade [22], dependendo do rendimento do tipo de célula utilizado. A energia remanescente é dissipada sob a forma de calor [22]. Além disso, apesar de elevados índices de radiação proporcionarem uma grande quantidade de energia, geralmente nessas regiões as temperaturas locais também são elevadas, originando assim uma diminuição do desempenho do sistema FV. Ou seja, essa perda de desempenho ocorreria mesmo se existisse uma célula FV capaz de converter em eletricidade a totalidade da radiação por ela absorvida. Na Arábia Saudita já se registram perdas de 30% no desempenho dos módulos FV, durante o verão, comparado com o seu desempenho nas Condições Padrão de Ensaio (CPE: temperatura da célula FV 25ºC; irradiância 1000 W / m2;
massa de ar 1,5) [23].
Cada módulo FV apresenta uma curva de geração, corrente (I) -tensão (V) diferente, consoante a temperatura que se encontram as células FVs, e a irradiância solar. Ou seja, para as diferentes combinações de valores de radiação e de temperatura, irá corresponder uma curva de geração distinta, como se pode observar na Figura 1.5. Independentemente da configuração que apresenta a curva de geração do módulo FV, em todas elas existe um Ponto de Máxima Potência (PMP). Nesse ponto a potência produzida pelo módulo FV é máxima, para os valores de temperatura e irradiância solar verificadas naquele instante, conforme se mostra na Figura 1.5. Devido a essa particularidade, e de modo a garantir que a potência de saída do sistema FV corresponda à
6
potência máxima disponível naquele instante, é necessário garantir que o ponto de operação do mesmo equivale ao PMP.
Figura 1.5: PMP ao longo do plano I-V, consoante as variações na irradiância solar e temperatura das células FVs.
A localização do PMP de um sistema FV varia horizontal e verticalmente, consoante as alterações verificadas na temperatura das células FVs e nos índices de irradiância solar, respectivamente. O aumento da irradiância solar origina um aumento do número de fótons, o que proporciona um maior número de elétrons livres resultando no aumento da corrente, conforme podemos observar na Figura 1.6. Por sua vez, o aumento da temperatura das célula FV origina uma aproximação das bandas de energia do silício diminuído assim a energia da banda proibida. Dessa forma, a energia necessária para fazer com que os elétrons saltem para a banda de condução também será menor originando uma diminuição na tensão de saída, conforme podemos observar na Figura 1.7 7 6 5 4 3 2 1 0 8 9 10 30 C or re nt e (A ) Tensão (V) P PM 20 0
7
Figura 1.6: Comportamento da curva de geração I-V do módulo fotovoltaico KC200GT com variação da irradiância solar. Adaptado do datasheet do fabricante [24].
Figura 1.7: Comportamento da curva de geração I-V do módulo fotovoltaico KC200GT com variação da temperatura da célula fotovoltaica. Adaptado do datasheet do fabricante [24] 9 7 6 5 4 3 2 1 0 0 8 10 20 30 40 1000W/m2 800W/m2 600W/m2 400W/m2 200W/m2 C or re nt e (A ) Tensão (V) Temperatura célula FV = 25 °C PPM 7 6 5 4 3 2 1 0 8 9 10 30 C or re nt e (A ) Tensão (V) 75 °C 25 °C 50 °C Irradiância: 1000 W/m ; Massa de ar= ,2 1 5
PPM
20 0
8
Para garantir que o sistema FV opere em seu PMP atualmente utilizam-se algoritmos que efetuam o SPMP, de modo a localizar e garantir que o sistema FV opere em seu PMP. No entanto, o fato de a curva de geração de um módulo FV depender da temperatura das células FVs e dos valores da irradiância solar impossibilita os algoritmos responsáveis por efetuar o SPMP, de alterar a curva de geração do sistema FV. Como tal, são incapazes de maximizar o rendimento do mesmo. Sendo assim, acredita-se que o caminho a percorrer para maximizar o rendimento de um sistema FV passa pela alteração da sua curva de geração, através do controle do aumento da temperatura deste, por meio de um sistema de resfriamento, assegurando ao mesmo tempo que o sistema opere em seu PMP maximizado, como por exemplo, através de um algoritmo de SPMP baseado na temperatura das células FV.
Um coletor solar conhecido como FV/T tem a capacidade de combinar um módulo FV e um coletor térmico em uma única unidade, produzindo energia elétrica e térmica simultaneamente, por meio da extração de calor das células FVs. Este tipo de equipamento apresenta-se como uma possível solução para o problema do aumento de temperatura das células FVs, atuando como um sistema de resfriamento, e ao mesmo tempo poderá ajudar o sistema de SPMP, possibilitando uma temperatura de operação mais constante e consequentemente uma tensão do PMP com menos variações.
Como percebido na Figura 1.7, a tensão do PMP permanece praticamente constante, independentemente das variações ocorridas nos níveis de irradiância solar, desde que a temperatura da célula FV se mantenha constante [19]. Portanto, um sistema que efetue o resfriamento das células FVs pode ajudar a simplificar o algoritmo de SPMP, contribuindo para uma menor variação da temperatura das células FVs e consequentemente da tensão do PMP, desde que a carga do sistema se comporte como uma fonte de tensão constante, como por exemplo, um banco de baterias ou a rede elétrica.
1.4 ALGORITMOS DE SPMP
O objetivo do algoritmo de SPMP é garantir que o módulo FV funcione constantemente em seu PMP, de acordo com os níveis de temperatura da célula FV e da radiação solar. Normalmente, o SPMP é alcançado interpondo um conversor entre o módulo FV e a carga, onde a partir das medições de tensão e/ou corrente, o algoritmo SPMP calcula a razão cíclica (D) do conversor (D) que garante operação no PMP [25]–
9
[28]. A Figura 1.8 apresenta a configuração típica de um sistema SPMP usando um conversor tipo CC-CC.
Figura 1.8: Configuração típica de um sistema de SPMP [29].
Os algoritmos tipicamente utilizados para determinar o PMP são: Perturba e Observa (P&O), Condutância Incremental (IncCond), Tensão Constante (CV) e os baseados na temperatura da célula FV, embora existam muitos outros documentados na literatura [30], [31].
Uma alternativa interessante aos algoritmos SPMP mais comuns é o uso de um algoritmo de SPMP baseado na temperatura das células FVs, onde o problema relativo à variação da temperatura desta, que modifica severamente o PMP, pode ser evitado [30]. A principal vantagem desse tipo de algoritmo é unificar a simplicidade de implementação do método CV com a velocidade e o rastreamento da precisão do IncCond [29]. No entanto, a implementação prática da medição da temperatura do módulo FV pode ser problemática devido à distribuição irregular da temperatura [18]. A parte central é a que apresenta a temperatura mais elevada verificando-se um gradiente de temperatura cerca de até 5 ºC do centro para as extremidades do módulo FV [32]. Essa diferença de temperatura dificulta a obtenção da temperatura média do módulo FV e por conseguinte o SPMP. No entanto, este problema pode ser ultrapassado por meio da medição da tensão do circuito aberto (Vca) do módulo FV.
1.4.1 SPMP Temperatura – Vca
No método SPMP-temperatura (temp) Tensão de circuito aberto, a temperatura da célula FV (TFV) é inferida exclusivamente a partir da Vca
do módulo FV, considerando (1.1) [33]. I módulo + + - -V módulo ConversorCC-CC I carga Sensor V Sensor I V carga C ar ga Algoritmo S MP P D
10 C PE C PE ca ca FV F a V c V V T T (1.1)
Em (1.1) Vca CPE representa a Vca do módulo FV e TFVCPE a
temperatura da célula FV ambos em condições CPE. Por sua vez µca é o
coeficiente de temperatura da tensão em circuito aberto. Sendo assim, entende-se que a temperatura das células FVs depende exclusivamente dos parâmetros do módulo FV. Conhecendo a temperatura da célula FV usando (1.2)[29], [30], [33], a tensão do PMP (VPMP) é determinada.
( ) ( CPE) CPE
PMP FV PMP FV FV FV ca
V T V T T T (1.2)
O método SPMP baseado na temperatura da célula FV é semelhante ao método de tensão constante e, por essa razão, é simples de implementar [30]. Usando medições da Vca para determinar a temperatura
do módulo FV, a questão referente à distribuição irregular da temperatura do mesmo é ultrapassada.
Na Figura 1.9 é apresentado um exemplo de implementação do algoritmo SPMP-temp Vca em um conversor do tipo CC-CC.
Uma vez determinada a tensão do PMP, usando a tensão de saída (Vcarga), medida no sensor a D do conversor, é calculada usando a equação
de ganho correspondente. Este algoritmo de SPMP pode ser considerado mais simples do que os algoritmos frequentemente utilizados, uma vez que requer o uso de apenas dois sensores de tensão [33]. Um para medir a tensão de saída do módulo FV (Vmódulo) e outro para medir a tensão de
carga. Além disso, apesar de ser um algoritmo SPMP baseado em temperatura, descarta o uso de sensores de temperatura, podendo a implementação prática dos sensores de tensão ser realizada por meio de um divisor de tensão [33].
Figura 1.9: Implementação do sistema com SPMP- temp Vca [33].
Imódulo Icarga + + - -Conversor CC-CC Vmódulo Vcarga Vcarga C ar ga SPMP - Temp Vc a + - + -D
11 1.5 OBJETIVO
O presente trabalho tem como objetivo obter uma proposição relativa ao desempenho de um módulo FV transformado em um módulo FV/T, produzindo energia elétrica e térmica simultaneamente, com o intuito de estabelecer um sistema de resfriamento para as células FVs que possibilite manter a temperatura das mesmas em um valor constante ou pelo menos de mínima variação facilitando o SPMP.
1.5.1 Objetivos específicos
Os objetivos específicos do presente trabalho são:
Identificar os métodos de resfriamento a água que melhor se adaptam à utilização em sistemas FVs visando uma temperatura praticamente constante;
Reaproveitar a energia rejeitada na forma de calor para aquecimento de água;
Aplicar um modelo matemático que permita determinar a resposta do sistema alvo do estudo;
Analisar o comportamento do sistema de resfriamento;
Analisar a influência do sistema de resfriamento na tensão de PMP.
Analisar a viabilidade energética e econômica do sistema concebido;
Analisar o impacto ambiental do sistema concebido, na redução de emissões CO2, durante a sua operação;
1.6 MÓDULOS SOLARES HÍBRIDOS A ÁGUA
O calor dissipado pelas células FVs pode ser reaproveitado, em vez de ser liberado para o ambiente. A água utilizada no processo de resfriamento das mesmas irá aquecer e, como tal, poderá ser reaproveitada em outras aplicações. Existem módulos solares capazes de reaproveitar essa água produzindo, dessa forma, energia elétrica e térmica simultaneamente. Esses módulos são conhecidos por módulo solar do tipo híbrido FV/T [34]–[37].
Um FV/T agrega em uma única unidade células FVs e um coletor térmico permitindo, assim, a produção de eletricidade e calor ao mesmo
12
tempo. Isto é possível porque as células FVs são incapazes de transformar em eletricidade a totalidade da radiação solar por elas absorvida. Como tal, uma porcentagem dessa energia absorvida em forma de radiação, é dissipada como calor fazendo com que o módulo FV atinja temperaturas de até 40 °C acima da temperatura ambiente [34]. Consequentemente, a produção de energia térmica é conseguida através da remoção do calor proveniente do aquecimento das células FVs.
Como referido anteriormente, o rendimento de uma célula FV é afetado negativamente pelo aumento da temperatura. Em um FV/T ao ser removido calor das mesmas a sua temperatura irá diminuir e, consequentemente, o seu desempenho elétrico será maior quando comparado com um sistema de FV tradicional, que não utiliza qualquer sistema de remoção de calor.
Uma vez que os coletores solares térmicos só aproveitam a radiação solar para geração de energia térmica, e os FVs para a geração de eletricidade, um FV/T ao efetuar os dois processos de conversão de energia solar apresenta um rendimento superior aos dois sistemas operando separadamente, gerando assim mais energia por área [34]–[36]. Dessa forma, é conseguida uma redução em cerca de 40% da área ocupada para o mesmo desempenho energético [36]. A aplicação de FV/T a água é comum em residências, sendo a água utilizada para higiene pessoal e/ou sistemas de calefação.
Os módulos FV/T a água, pela sua facilidade de aplicação e elevado rendimento energético, são elemento chave do estudo apresentado neste documento. Na Figura 1.10 é possível observar as principais características de um módulo FV/T.
Figura 1.10: Características principais de um módulo FV/T [23]. Entrada de fluido Saída de fluido
Canal de circulação Célul as VF s
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1.6.1 Características e configurações dos módulos solares híbridos a água
Com o objetivo de melhorar o desempenho elétrico e térmico de um módulo FV/T a água foram desenvolvidos vários modelos dos mesmos [23], [34]–[37]. As configurações mais comuns destes tipos de módulos estão presentes na Figura 1.11.
Alguns módulos FV/T são compostos por uma ou várias placas coletoras em contato com a parte traseira das células FVs, que incorporam tubos no interior dos quais circula água, removendo calor das mesmas. O formato e a posição desses tubos podem apresentar as mais diversas configurações [38], sendo as mais comuns o arranjo em paralelo ou em forma serpentina [34]. Na Figura 1.11 a) e Figura 1.11 b) está representada a vista de corte de um módulo FV/T que utiliza uma placa coletora de tubos paralelos com geometria circular e retangular, respectivamente. Fatores relativos à configuração da placa coletora tais como geometria, formato e posição dos tubos, influenciam o desempenho do módulo FV/T [34], [35], [39]. Como tal, foi estudado o desempenho de várias configurações [38] tendo sido verificado que o fato de os tubos estarem mais próximos, nos coletores do tipo serpentina, faz com que estes absorvam e removam mais calor das células FVs [40], [41]. Além da configuração, o desempenho dos módulos FV/T a água que utilizam placas de tubos depende da qualidade da junção entre placa e as células FVs, o que pode trazer problemas na transferência de calor entre estes dois [42], [43].
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Figura 1.11: Vista de corte de algumas das configurações dos módulos FV/T a água, mais comuns [23].
Existem configurações de módulos FV/T a água nas quais esta circula por canais, entrando diretamente em contato com as células do módulo FV/T. Essa circulação pode ser realizada por cima ou por debaixo das células FVs [34], [35], [37]. Um exemplo típico de cada uma dessas configurações está presente, na Figura 1.11 c) e na Figura 1.11 d), respectivamente. A água ao passar por cima das células FVs é atravessada pela radiação solar diminuindo, assim, a quantidade de radiação infravermelha absorvida por estas, sem afetar consideravelmente a parte visível [44], [45]. Porém a água irá evaporar, originando uma redução no desempenho térmico do sistema, fruto da condensação verificada na parte interior da cobertura de vidro. Essa condensação é responsável por um
Células VF
Cobertura de vidro (opcional)
b) Coletor de tubos com seção retangular
Isolamento térmico Entrada de água Saída de água
Cobertura de vidro (opcional)
d) Circulação por debaixo das células VF a) Coletor de tubos com seção circular
c) Circulação por cima das células VF
Água
Cobertura de vidro (opcional) Cobertura de vidro
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aumento da reflexão, o que se traduz numa diminuição do desempenho elétrico do sistema [37], [44]. Caso a passagem de água seja efetuada por cima da cobertura do módulo FV/T, as perdas por reflexão diminuem devido à passagem da água [45], [46]. Contudo, ocorre a perda da massa do fluído, devido ao efeito de evaporação deste para o ambiente [46], [47].
A face traseira da célula FV é a que apresenta a maior temperatura, devido à elevada condutividade térmica do silício [48] e, como tal, o desempenho térmico do módulo FV/T será maior, caso a remoção de calor seja efetuada nessa face [23], [49]. A utilização de canais, nos quais a água está diretamente em contato com a parte traseira da célula FV, permite uma remoção de calor mais eficaz, quando comparado com os que utilizam placas de tubos, devido à maior transferência de calor, promovida pelo uso do canal, pois é eliminado o problema da junção entre placa e as células FVs [38], [50]. Porém, existe o problema da tensão exercida pelo fluido na superfície traseira do módulo FV que poderá danificar o mesmo.
Além das características e configurações relativas à circulação do fluido, o desempenho dos módulos FV/T a água também é afetado pela vazão e temperatura de entrada do mesmo [34]–[37], [51]. O aumento da vazão proporciona um acréscimo da taxa de remoção de calor, originando um aumento do desempenho elétrico e térmico do módulo FV/T [52], [53]. Contudo, esse acréscimo de desempenho ocorre até um certo valor de vazão, designado por valor crítico de fluxo, a partir do qual o incremento da mesma deixa de ser acompanhado por um aumento da taxa de remoção de calor [34]. Isso acontece porque o coeficiente de transferência de calor por convecção não varia linearmente com o aumento da velocidade, tornando-se constante para velocidades superiores [54].
Face ao exposto, entende-se que a melhor opção é a utilização de um sistema de resfriamento colocado na parte traseira das células FVs por meio de um trocador de calor, sendo esse o método utilizado no presente trabalho. A utilização de um sistema com vazão variável poderá ser viável dependendo do valor crítico de fluxo do trocador de calor.
1.7 ESTADO DA ARTE
Com o intuito de verificar a originalidade da presente tese e averiguar se os objetivos da mesma estão de acordo com linha de pesquisa seguida pela comunidade científica, foi efetuada uma revisão bibliográfica, com o objetivo de obter uma visão geral sobre o estado da
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arte. Para tal foi realizada uma pesquisa sistemática nas bases IEEE e ScienceDirect, atendendo às palavras chaves utilizadas no presente trabalho. Essa pesquisa contemplou os 50 artigos considerados mais relevantes por essas bases de dados. Resultante dessa pesquisa, por intermédio da leitura de resumo, foram primeiramente selecionados 75 artigos para leitura. Da leitura integral desses artigos foram escolhidos 34, como sendo os mais relevantes para o trabalho em questão.
Os trabalhos na área de estudo da presente tese focam-se em desenvolver e estudar sistemas de resfriamento, para aplicação em módulos FVs, que permitam controlar ou condicionar a temperatura do mesmo. Esses trabalhos consistem no estudo comparativo do desempenho de um módulo FV, com e sem sistema de resfriamento. As diferenças verificadas entre os diversos trabalhos existentes dizem respeito à configuração e/ou funcionamento do sistema de resfriamento utilizado, assim como os parâmetros que são analisados.
Com o intuito de demonstrar a grande variedade de sistema de resfriamento a água existentes para módulos FV, foram selecionados os seguintes trabalhos, que analisaram o efeito que os mesmos proporcionam no desempenho de módulos FV: Elnozahy, et al. [55] e Moharram, et al. [47], estudaram um sistema de resfriamento no qual é aplicado um manifold, com o intuito de efetuar a circulação da água, pela superfície frontal do módulo FV, da parte superior para a inferior do mesmo, considerando diferentes condições de operação; Fernandes et al. [56], analisaram um sistema que permite diminuir a temperatura do módulo FV por meio da passagem de água pela superfície traseira deste e da aplicação de um sistema geotérmico; Ceylan, et al. [57], estudaram um sistema FV/T, a água, cujos principais componentes são um módulo FV e um coletor solar, sendo que a água circula por um tubo enrolado em forma circular, acoplado à superfície traseira do módulo FV; Evola e Marletta [58], e Buker et al [59], realizaram o estudo de um módulo FV/T no qual foi instalado um trocador de calor na sua superfície traseira, constituído por uma placa absorsora, formada por tubos paralelos. No primeiro trabalho o trocador de calor empregado é composto por tubos de geometria quadrangular. Já no segundo trabalho, o trocador de calor utilizado apresenta tubos circulares, sendo o módulo FV/T em causa projetado para integração em edifícios; Wilson [60], Bahaidarah et al. [61] e, Tiwari e Sodha [62], [63] estudaram módulos FVs que são resfriados pela passagem de um fluxo de água na sua superfície traseira; Baloch, et al. [64] e Ziapour et al, [65] observaram o resultado derivado da instalação de um canal convergente, na superfície traseira de um módulo FV, no qual circula água, sendo que no primeiro trabalho a
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circulação da água é efetuada por meios naturais. Rahimi et al. [66] avaliaram o efeito originado pela aplicação de um sistema de resfriamento na superfície traseira de um módulo FV, no qual a água circula em micro-canais. Mohd e Nasrudin [67], estudaram um módulo FV que é resfriado por meio de um trocador de calor do tipo serpentina instalado na sua superfície traseira. Bahaidarah et al [68] analisaram um módulo FV resfriado por meio de jatos de água apontados à sua face traseira.
Como referido anteriormente, além de analisar o desempenho do módulo FV, com e sem sistema de resfriamento, por norma os trabalhos publicados sobre o tema avaliam, também, a influência que alguns parâmetros relativos ao mesmo proporcionam no desempenho do sistema FV/T. Um dos parâmetros frequentemente estudado diz respeito à variação da taxa de fluxo de água, como se pode constatar pelo trabalho de revisão publicado por Moradi, et al. [51]. Alguns autores que efetuaram e apresentam essa análise como parte integrante de seus estudos, são: Moharram, et al. [47]; Bahaidarah et al. [61] e Tiwari e Sodha [62], [63] ; Wilson [60]; Ammar, et al. [69]; Rahimi et al [66]; Lowrie, et al. [70]; Ibrahim et al. [40]; Sharma et al. [71].
Existem diversos trabalhos que avaliaram a influência de parâmetros relativos à configuração do tipo de trocador de calor, utilizado para efetuar a remoção de calor das células FVs, no desempenho do módulo ou sistema FV/T. Tiwari e Sodha [62], [63] analisaram o efeito da alteração do comprimento do módulo FV/T. Arcuri, et al. [72] estudaram o resultado proveniente da alteração de algumas configurações relativas ao trocador de calor do tipo de placa de tubos, tais como, o número de tubos e o posicionamento dos mesmos, entre outros. Baloch, et al. [64] estudaram a influência da inclinação do canal convergente utilizado para resfriar as células FVs. Ibrahim et al. [40] estudaram a consequência da alteração do formato da serpentina do trocador utilizado na remoção de calor. Bahaidarah et al [68] estudou a diferença de desempenho entre um módulo FV, que é resfriado pela passagem de um fluxo de água na sua superfície traseira, com um sistema que utiliza jatos de água. Também Tripanagnostopoulos [73] observou o efeito proveniente de diferentes configurações de módulos FV/T, tais como a colocação de aletas no canal de circulação, entre outros.
De modo a analisar a influência da alteração das características e/ou parâmetros de funcionamento dos sistemas de resfriamento utilizados em sistemas FV, na grande maioria dos trabalhos encontrados que estudam os mesmos [58], [59], [61]–[63], [69], [74]–[78], são elaborados e/ou aplicados, modelos matemáticos, térmicos e elétricos,
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que permitem estimar a temperatura das células FVs, consoante as características do sistema utilizado e as condições ambientais verificadas. Através dessa temperatura é apurado o desempenho elétrico e/ou térmico do sistema FV/T, sendo efetuadas análises energéticas e/ou exergéticas, com o intuito de avaliar o comportamento do sistema FV/T. A análise energética tem como objetivo analisar a diferença existente entre o ganho e a perda de energia registrada pelo sistema, em termos de quantidade, já a análise exergética pretende avaliar a quantidade e a qualidade ou usabilidade da diferença de energia obtida [79]. Embora a maioria dos trabalhos efetue essa análise matematicamente, comprovando ou não os resultados experimentalmente, existem trabalhos em que a análise do sistema, é efetuada apenas experimentalmente [55], [57], [66], [70], [80], [81].
Além da preocupação com a temperatura de operação da célula FV e o desempenho global do sistema FV/T, existe também a preocupação inerente ao consumo de água. Como tal, existem trabalhos [47], [70] que procuraram otimizar o tempo de operação do sistema resfriamento necessário para garantir a temperatura de operação pretendida e/ou reutilizar a água empregada no processo de resfriamento.
Uma questão importante surge, referente à aplicação de sistemas de resfriamento em módulos FV: a questão econômica. Ou seja, saber se a utilização desse sistema é vantajosa do ponto de vista financeiro. Por esse motivo verificou-se que existem trabalhos [56], [58], [59], [64], [68], [82], que além de contabilizar o aumento relativo ao desempenho do conjunto, também realizam ou referem a importância de efetuar uma análise econômica deste, de modo a determinar a viabilidade do mesmo. Considerando os vários trabalhos abrangidos por esta revisão bibliográfica, verificou-se que o principal objetivo da maioria dos trabalhos publicados relativos ao tema, é conseguir baixar a temperatura de operação das células FVs [38], [44], [57], [59], [61]–[68], [70]–[75], [80], [81], ou que a mesma se mantenha dentro de um intervalo de operação pretendido [47], [55], procurando ao mesmo tempo garantir uma distribuição uniforme de temperatura ao longo do módulo FV. A exceção encontrada relativa a essa tendência verificada foi o trabalho de Wilson [60], no qual o objetivo foi manter a temperatura das células FVs constante ao longo de um período de tempo. Os autores desses trabalhos acreditam que dessa forma é conseguido um maior desempenho do sistema FV. Porém, para que isso aconteça, é necessário utilizar, juntamente com um sistema de resfriamento, um dispositivo de SPMP de modo a garantir que o sistema FV opera em seu PMP. Durante a revisão bibliográfica, constatou-se que, apesar de existirem diversos trabalhos em
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que é efetuado o controle e condicionamento da temperatura do módulo FV, esse controle e as informações relativas à sua temperatura não são utilizadas para determinar e/ou impor o PMP do sistema FV. Na grande parte dos trabalhos é assumido que o sistema opera em seu PMP, ou são aplicados dispositivos que efetuam o SPMP sem utilizar dados relativos à temperatura do módulo FV [61], [64], [67].
O fato de um módulo FV/T produzir energia térmica e elétrica, faz com que o desempenho do mesmo resulte do somatório desses dois tipos de energia. Sendo assim, existem trabalhos que estudam estratégias que possibilitam a determinação do ponto ideal de operação do sistema FV/T. Ou seja, o ponto que permite o maior desempenho global do sistema por intermédio de um compromisso entre a energia térmica e elétrica produzida. Os autores Evola e Marletta [58], [69] entendem que as estratégias estudadas por eles podem ser utilizadas para otimizar o desempenho do sistema FV/T garantindo que o mesmo opere em seu PMP global. Outra abordagem para garantir que o módulo FV opere em seu PMP foi apresentada por Fernandes et al. [56] os quais desenvolveram um algoritmo que permite controlar a velocidade de operação da bomba responsável por efetuar a circulação da água do sistema de resfriamento de modo a garantir que o módulo FV opera em seu PMP. Esse algoritmo tem como base o método de condutância incremental sendo efetuadas medições, de corrente e tensão do módulo FV, a partir das quais é calculada a potência de saída do mesmo. A partir dessa informação o algoritmo decide se deve aumentar ou diminuir a velocidade da bomba.
Ao efetuar a leitura dos diversos trabalhos disponíveis na literatura, contemplados por esta revisão bibliográfica, constatou-se que a forma de controlar a temperatura do módulo FV passa pelo controle do fluxo. Nos trabalhos em que existe a preocupação de manter a temperatura de operação dentro de um determinado intervalo, ou em um valor específico, são utilizadas bombas ou válvulas que permitem controlar o fluxo de água que circula pelo módulo FV e por consequente a sua temperatura. Os trabalhos em que se utiliza válvulas geralmente não existe reaproveitamento ou recirculação de água. Nos casos em que a circulação da água é feita por meio de bomba hidráulica a operação da mesma origina um consumo de energia, o que representa uma desvantagem. Como tal, é necessário efetuar o balanço energético do sistema de modo a avaliar o verdadeiro impacto do sistema de resfriamento, no desempenho global. Não obstante, todos os trabalhos contemplados por esta revisão bibliográfica referem a ocorrência de uma melhoria no desempenho global do módulo FV resultante da aplicação de
20
um sistema de resfriamento neste, mesmo nos casos em que se utiliza bombeamento.
A questão econômica inerente à aplicação de sistemas de resfriamento em módulos FVs é também abordada por vários trabalhos, sendo constatado que a sua aplicação é economicamente viável.
Face ao constatado durante a revisão bibliográfica, e o descrito anteriormente, acredita-se que os sistemas FV/T apresentam grande potencialidade. Como o ponto chave da presente tese consiste em manter a temperatura das células FVs em um valor praticamente constante, de entre os trabalhos contemplados pela revisão bibliográfica efetuada entende-se que os trabalhos de Wilson [60] e de Bahaidarah [68] merecem destaque, uma vez que Wilson demonstrou experimentalmente, e Bahaidarah matematicamente, ser possível manter o módulo FV a uma temperatura constante e próxima da temperatura ideal de funcionamento. No entanto, em ambos os trabalhos o sistema de resfriamento empregado para tal não efetua o reaproveitamento da água utilizada na remoção de calor, nem garante que o mesmo opera em seu PMP.
Para mais informações sobre o estado da arte, relativo ao tema abordado por esta tese, recomenda-se a leitura dos seguintes artigos de revisão: [34]–[37], [51], [83], [84].
1.8 CONTRIBUIÇÕES DO PRESENTE TRABALHO
A principal contribuição do presente trabalho é o estudo de um sistema que combina uma técnica de resfriamento das células FVs com um algoritmo de SPMP baseado em temperatura. A proposta do mesmo visa simplificar o funcionamento dos algoritmos de SPMP, que atualmente são empregados com o intuito de garantir que o sistema FV opere em seu PMP, através do condicionamento da temperatura do mesmo por meio de uma simples adaptação do módulo FV em FV/T, controlando dessa forma a tecnologia de geração de eletricidade e calor a partir de uma única fonte (co-geração). Dessa forma é obtido um rendimento termoelétrico originando um aumento do rendimento global do sistema. Como tal, e diante do exposto anteriormente, entende-se que a presente proposta de tese ainda não foi apresentada por outros autores, e que a mesma representa uma contribuição, para a área de estudo em que se encontra inserida.
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1.9 PRODUÇÃO CIENTIFICA RESULTANTE DO PRESENTE
TRABALHO
Esta seção tem como objetivo enunciar os artigos que foram publicados até ao momento, resultante do trabalho desenvolvido, concernente à presente tese.
Artigos publicados em periódicos:
o Nuno M. M. da Rocha, et al., “MPPT Based on PV Cell Temperature, Using Open Circuit Voltage Measurement, Combined With PV Cell Cooling”, Eletrônica Potência - SOBRAEP, 2018. DOI: 10.18618/REP.2018.4.2804.
Artigos publicados em congressos internacionais:
o N. M. Martins da Rocha, D. C. Martins, and J. C. Passos, “MPPT method based on temperature control of the photovoltaic cells,” in 2016 12th IEEE International Conference on Industry Applications (INDUSCON), Curitiba, PR, Brazil, 2016, pp. 1–8. DOI: 10.1109/INDUSCON.2016.7874451
o da Rocha, N. M., et al., "Suggestion of Associating a PV MPPT Algorithm Based on Temperature Control with a PV Cooling System, Renewable Power Generation Conference, RPG, 2014. DOI: 10.1049/cp.2014.0890 o da Rocha, Nuno M., et al., "A suggestion of combining
a PV MPPT algorithm based on temperature control with a PV cooling system." Industrial Electronics Society, IECON 2014-40th Annual Conference of the IEEE, 2014. DOI: 10.1109/IECON.2014.7048769 o da Rocha, Nuno M., et al. "Proposal of Associating a
PV MPPT Algorithm Based on Temperature Control with a PV Cooling System”, PCIM South America, 2014.
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2 MATERIAIS E METODOLOGIA
De modo a validar as premissas teóricas, montou-se uma bancada experimental e efetuaram-se os testes. Este capítulo pretende esclarecer ao leitor sobre os diversos métodos e materiais utilizados.
2.1 BANCADA EXPERIMENTAL
A bancada experimental é composta por dois módulos FV KC200GT, sendo que em um desses módulos foi acoplado um trocador de calor na superfície traseira. No interior do trocador circula água, estabelecendo-se assim um sistema de resfriamento para as células FVs originando um módulo FV/T. A bancada experimental é apresentada na Figura 2.1 e o seu esquemático geral na Figura 2.2.
Figura 2.1: Bancada experimental.
As variáveis do sistema foram registradas por meio de um data logger Agilent 34972A (tempo de amostragem de 10 segundos) sendo elas, a tensão, corrente, vazão da água e temperatura de entrada e saída do fluído de resfriamento. O valor da vazão de água responsável pelo resfriamento é obtida através de um medidor de fluxo (YF-S403) e as temperaturas, de entrada e saída da água, são medidas utilizando termistores do tipo coeficiente de temperatura negativa (NTC) de 10 kΩ.
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Figura 2.2: Esquemático geral bancada experimental.
Os dados climáticos foram medidos através de uma estação meteorológica LUFFT WS501-UMB utilizando um tempo de amostragem de 5 segundos, sendo fornecido um valor médio para cada 10 minutos. As variáveis climáticas monitoradas são a irradiância solar (G), a temperatura ambiente (Ta) e a velocidade do vento (Vv). A Vv foi monitorada devido à sua significativa influência na temperatura da célula FV resultante do efeito no coeficiente de transferência de calor por convecção, entre a cobertura de vidro e o ar ambiente [58], [62], [65].
Conversor CC-CC Conversor CC-CC V (PMP TFV/T) Reservatório Mód ulo VT F /(T ) FV /T Mód ulo V F (T ) FV Tfs Tfe Caixa de água Chuveiro elétrico Bomba Banco Baterias V (T )PMP FV Medidor de vazão
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Os erros associados aos vários equipamentos de medição utilizados são apresentados na Tabela 2-1.
Tabela 2-1: Erros de medição dos equipamentos utilizados
Parâmetro Erro Tensão ±1 (%) Corrente ±2 (%) Irradiância solar ±1 (%) Temperatura ambiente ±0,2 (°C) Velocidade do vento ±3 (%) Medidor vazão ±1 (%) NTC ±1 (%) 2.1.1 Sistema de resfriamento
O objetivo do sistema de resfriamento é restringir o aumento da temperatura das células FVs e mantê-la o mais constante possível. Uma bomba de água (GP-100C/CB) é responsável por impor o fluxo de água através do trocador de calor, usando a energia da rede. A água, responsável pelo resfriamento das células FVs, sai do reservatório de água, captura o calor desperdiçado pelas por essas e retorna ao mesmo, permitindo assim o armazenamento de calor e a recirculação de água. Consequentemente, não há renovação de água. Portanto, o sistema opera como um sistema fechado. A bomba de água opera em modo contínuo, enquanto se constate que a potência térmica (Q) produzida é superior ao consumo da bomba. Para tal, são monitoradas a temperatura de entrada e saída da água do trocador de calor. Os parâmetros do sistema de resfriamento são apresentados na Tabela 2-2.
Tabela 2-2: Parâmetros do sistema de resfriamento
Parâmetro Valor
Modo de operação Sistema fechado
Fluido de resfriamento Água
Volume total ≈ 102 l
Tubulação PPR PN20 ∅ 20 mm (não isolada)
Potência da bomba 55 W
Modo de operação da bomba Q > 55W = bomba em operação
Vazão 4,21 l/min
Perda de carga do sistema 2,58 m
Como referido anteriormente, um dos módulos KC200GT foi adaptado para módulo FV/T. Para tal, foi acoplado um trocador de calor
