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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ESTUDO DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM
PAINEL FOTOVOLTAICO
PRISCILA MEDEIROS SANTANDREA
NATAL- RN, 2019
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ESTUDO DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM
PAINEL FOTOVOLTAICO
PRISCILA MEDEIROS SANTANDREA
Trabalho de Conclusão de Curso
apresentado ao curso de Engenharia
Mecânica da Universidade Federal do
Rio Grande do Norte como parte dos
requisitos para a obtenção do título de
Engenheira Mecânica, orientado pelo
Prof. Dr. George Santos Marinho.
NATAL - RN
2019
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO NORTE
CENTRO DE TECNOLOGIA
CURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
ESTUDO DA TRANSFERÊNCIA DE CALOR EM
PAINEL FOTOVOLTAICO
PRISCILA MEDEIROS SANTANDREA
Banca Examinadora do Trabalho de Conclusão de Curso
Prof. Dr. George Santos Marinho ___________________________
Universidade Federal do Rio Grande do Norte – Orientador
Prof. Dr. Kleiber Lima De Bessa ___________________________
Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Avaliador Interno
Prof. Ewerton Felipe De Souza Cordeiro ___________________________
Robô Ciência LTDA - Avaliador Externo
NATAL, 17 de Junho de 2019.
i
Dedicatória
Dedico este trabalho ao meu pai, por ser meu oito, aquele que me inspira,
apoia e suporta ao longo desses anos de conhecimento e minha mãe por ser meu
oitenta, aquela que sempre me deu liberdade de seguir meus sonhos, aos meus
irmãos e amigos por estarem sempre ao meu lado e por fim aos meus mestres que
me deram a oportunidade de chegar até aqui.
ii
Agradecimentos
Este trabalho não poderia ser concluído sem a ajuda de diversas pessoas as
quais presto minha homenagem:
Professor George Santos Marinho;
Engenheiro Higo Leonardo;
Engenheiro Rafael Escóssia;
Professor Tulio César Soares Santandrea.
iii
Santandrea, P M. Estudo da transferência de calor em painel fotovoltaico. 2019.
Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) –
Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2019.
Resumo
O uso de energias renováveis é o caminho para o desenvolvimento sustentável. O
Brasil tem se destacado no cenário mundial devido à longa tradição no
aproveitamento de fontes renováveis, como a energia hidroelétrica e a de biomassa.
Mais recentemente o Rio Grande do Norte tornou-se o maior produtor nacional de
energia renovável a partir dos ventos. Devido à localização geográfica, o estado
também dispõe de amplo potencial para exploração da energia solar, apesar de
ainda incipiente neste setor. Para que essa pretensão seja viabilizada, técnica e
economicamente, são necessários estudos que considerem as peculiaridades
regionais e locais. Nesse sentido, é necessário considerar o uso de painéis
fotovoltaicos. Devido ao elevado índice de radiação solar incidente, há um
sobreaquecimento dos painéis, que reduz a eficiência da conversão em eletricidade
e diminui o tempo de vida útil das células fotovoltaicas. Visando contribuir para
promover o aproveitamento da energia solar no RN, considerou-se a possibilidade
de reduzir o problema de sobreaquecimento dos painéis solares por meio de
resfriamento passivo. Assim, no presente trabalho, realizou-se um estudo
experimental no qual um painel fotovoltaico foi submetido a aquecimento controlado
em duas situações: com e sem troca de calor entre o painel e um recipiente d’água.
Para arrefecimento da temperatura do painel, foram considerados três diferentes
fluidos de trabalho: ar, água e etileno glicol. Os experimentos foram realizados em
ambiente termicamente controlado, com aquecimento do painel por meio de um
banco de lâmpadas incandescentes e monitoramento da temperatura por meio de
termopares acoplados a um sistema de aquisição de dados por computador. Para
cada fluido, foram realizados três experimentos. Considerou-se como referência a
situação na qual o recipiente acoplado à base do painel continha ar. Nesse caso,
conforme esperado, foram registrados os maiores valores para temperatura média
do painel. Quando o recipiente foi preenchido com água, a temperatura média do
painel ficou cerca de 2 ºC abaixo do caso anterior. Resultado semelhante foi
observado quando do preenchimento do recipiente com etileno glicol.
Palavras-chave: Energia solar; Painel fotovoltaico; Resfriamento passivo.
iv
Santandrea, P. M. Study of heat transfer in photovoltaic panel. 2019.
Conclusion work project (Graduate in Mechanical Engineering) - Federal University
of Rio Grande do Norte, Natal-RN, 2019.
Abstract
The use of renewable energy is the way to sustainable development. Brazil has
stood out in the world scene because of the long tradition in the use of renewable
sources, such as hydroelectric power and biomass. More recently, Rio Grande do
Norte has become the largest national producer of renewable energy from the
winds. This study is the state of potential of solar energy, even incipient this sector.
For this pretension to be made feasible, technically and economically, studies are
necessary that consider as regional and local peculiarities. In this sense, it is
necessary to use photovoltaic panels. Due to the high solar radiation, there is an
overheating of the panels, which reduce the efficiency of solar radiation and reduce
the shelf life of photovoltaic cells. Aiming at helping to obtain the use of solar
energy in the RN, considering the possibility of reducing the consumption of solar
energy through passive cooling. Thus, no work was done, an experimental study
was carried out in which a photovoltaic panel was moderated in two situations: with
and without heat exchange between the panel and a water container. For warming
the panel temperature, there were three different working fluids: air, water and
ethylene glycol. The experiments were carried out in a thermally controlled
environment, with the heat of a bank of incandescent batteries and the temperature
monitoring by means of thermocouples coupled to a computer data capture
system. For each fluid, three experiments were used. Reference was made to the
condition of the carrier coupled to the base of the air-contained panel. In this case,
as expected, they were the highest values for the panel average. When shipping
was done with water, the heat was below 2 ° C below the previous case. The result
was when filling the container with ethylene glycol.
Keywords: Solar energy; Photovoltaic panel; Passive cooling.
v
Lista de Ilustrações
Figura 1 - Comparação da temperatura x eficiência das célular nos diferentes
modelos. Fonte: Adaptado de Roney et al. (2004). __________________________ 5
Figura 2 - Influência da temperatura da célula fotovoltaica na curva IxV. _________ 6
Figura 3 - Modelo denominado TEPVIS criado na Alemanha em 1995. _________ 10
Figura 4 - Esquema dos modos de transferência de calor. ___________________ 12
Figura 5 - Entrada dos fluidos de trabalho no recipiente térmico. ______________ 18
Figura 6 - Diâmetro do recipiente térmico. ________________________________ 19
Figura 7 - Altura do recipiente térmico. __________________________________ 20
Figura 8 - Espuma na qual proporciona isolamento térmico ao recipiente. _______ 20
Figura 9 - Recipiente térmico com pasta térmica. __________________________ 21
Figura 10 - Placa fotovoltaica. _________________________________________ 22
Figura 11 - Termopares utilizados no sistema. _____________________________ 23
Figura 12 - Painel de iluminação. _______________________________________ 23
Figura 13 - Processo de destilação da água. ______________________________ 24
Figura 14 - Etilenoglicol fabricado pela Valeo. _____________________________ 25
Figura 15 - Sistema de aquisição de dados. ______________________________ 26
Figura 16 - Programa que capta os valores quantitativos do sistema de aquisição de
dados. ___________________________________________________________ 27
Figura 17 - Organização dos termopares no sistema de aquisição de dados. _____ 28
Figura 18 - Localização dos termopares 01 e 03 na placa fotovoltaica. __________ 28
Figura 19 - Localização dos termopares 02 e 07 no recipiente térmico. _________ 29
Figura 20 - Localização dos termopares 04 e 05. __________________________ 30
vi
Figura 21 - Junção da placa fotovoltaica e do coletor térmico. ________________ 30
Figura 22 – Distância entre o sitema placa fotovoltaica / painel de lâmpadas. ____ 31
Figura 23 - Esquema térmico da célula fotovoltaica sem o recipiente. ___________ 33
Figura 24 - Esquema térmico da célula fotovoltaica com o recipiente térmico. ____ 33
vii
Lista de Tabelas
Tabela 1 - Propriedades termofísicas da água pura. ................................................. 11
Tabela 2 - Propriedades termofísicas de misturas água/álcool-30%. ........................ 11
Tabela 3 - Efeito da difusividade térmica na taxa de propagação de calor .............. 17
Tabela 4 - Valores difusividade térmica. ................................................................... 39
viii
Lista de Gráficos
Gráfico 1 - Demostração da perda de potêcia durante os anos .................................. 9
Gráfico 2 – Temperatura x Tempo do resfriamento da placa fotovoltaica. ................ 37
Gráfico 3 - Temperatura x Tempo do comportamento da temperatura ambiente. .... 37
Gráfico 4 - Temperatura x Tempo dos fluidos de trabalho. ....................................... 38
Gráfico 5 - Temperatura x Tempo do comportamento da temperatura entre o
recipiente e o isolamento. ......................................................................................... 39
Gráfico 6 - Temperatura x Tempo da temperatura na placa comparando os três
fluidos. ....................................................................................................................... 40
ix
Sumário
Dedicatória ...................................................................................................... i
Agradecimentos .............................................................................................. ii
Resumo ......................................................................................................... iii
Abstract ......................................................................................................... iv
Lista de Ilustrações ......................................................................................... v
Lista de Tabelas ........................................................................................... vii
Sumário ......................................................................................................... ix
1 Introdução .................................................................................................... 1
1.1 Problema ............................................................................................... 4
1.2 Hipóteses .............................................................................................. 4
1.3 Objetivo Geral ....................................................................................... 4
1.4 Objetivo Específico ............................................................................... 4
2 Fundamentação ........................................................................................... 5
2.1 Análise do Parâmetro Temperatura. ..................................................... 5
2.2 Análise da Conversão Térmica ........................................................... 11
2.3 Análise dos Modelos Térmicos ........................................................... 13
2.4 Análise da difusividade térmica ........................................................... 16
3 Materiais e Procedimentos ........................................................................ 18
3.1 Especificação e dimensionamento dos materiais utilizados ................ 18
3.2 Caracterização dos fluidos utilizados .................................................. 24
3.2.1 Água Destilada ............................................................................. 24
3.2.2 Etileno Glicol ................................................................................. 25
3.3 Caracterização dos programas computacionais utilizados ................. 26
3.3.1 SecCool ........................................................................................ 26
3.3.2 Aquisição de dados ...................................................................... 26
3.4 Montagem da bancada ....................................................................... 27
x
3.5 Testes realizados ................................................................................ 31
4 Resultados e Discussões .......................................................................... 33
4.1 Balanço de energia do sistema ........................................................... 33
4.1.1 Célula fotovoltaica sem o recipiente ............................................. 35
4.1.2 Célula fotovoltaica com recipiente preenchido de água ............... 35
4.1.3 Célula fotovoltaica com recipiente preenchido de etilenoglicol ..... 36
4.2 Tempo de Resfriamento ...................................................................... 36
4.3 Variação da temperatura ambiente no laboratório .............................. 37
4.4 Variação da temperatura do fluido de trabalho. .................................. 38
4.5 Variação da temperatura entre o recipiente e o isolamento. ............... 39
4.6 Variação da temperatura na placa. ..................................................... 40
5 Conclusões ................................................................................................ 41
6 Referências ............................................................................................... 42
1
1 Introdução
Um dos grandes avanços na globalização é a grande corrida em busca de
energia renovável a partir de fontes alternativas, essa busca insaciável é decorrente
aos esgotamentos dos combustíveis fosseis e principalmente aos grandes impactos
ambientais que eles causam.
É evidente que o crescimento populacional é realidade e com isso é
necessário prever maneiras para disponibilizar energia suficiente para atender toda a
população sem que haja esgotamento e principalmente degradação do meio
ambiente. Atualmente já existem várias pesquisas em cima de fontes alternativas de
energia, como as eólicas, hídricas, geotérmicas, das ondas e marés, biomassa e a
solar.
A energia solar é considerada um recurso limpo e abundante, segundo a
Agência Nacional de energia elétrica (ANEEL, 2008), no plano nacional de Energia
de 2030, a irradiação de energia solar por ano na superfície da Terra é suficiente
para atender milhares de vezes o consumo anual de energia do mundo, porém
depende da localidade de cada região, na qual ela conseguirá ou não captar
irradiação solar suficiente para atender a demanda de energia necessária.
O Brasil está localizado bem próximo à linha do Equador o que lhe favorece
na absorção dos raios solares. A ABSOLAR (Associação Brasileira de Energia Solar
Fotovoltaica) realizou um estudo no qual prevê que até 2040 serão 126GW de
energia gerada pela luz do sol em nosso país. Desse modo, temos grande potencial
para se tornar referência mundial em energia solar comparado com outros países
altamente desenvolvido, porém com uma localização desfavorecida.
Sabendo que o efeito fotovoltaico é devido à excitação dos elétrons com a
incidência da luz solar, a geração de energia elétrica com módulos fotovoltaicos é
100% livre de emissão de poluentes. Entre os diversos materiais utilizados na
fabricação das células fotovoltaicos para montagem desses módulos, na conversão
da radiação solar em energia elétrica, o mais usual é o silício. Na década de 50, os
painéis solares convertiam apenas 4,5% da energia solar em eletricidade, o que
correspondia a 13 Wp/m², a um custo de US$ 1.785/Wp. Atualmente, a eficiência
2
média mundial triplicou para 15% (143 Wp/m²), a um custo 1.370 vezes mais barato,
de US$ 1,30/Wp (MME, 2014).
Atualmente existem dois segmentos de geração de energia, o de geração
distribuída, em que os consumidores fazem o uso das PV (placas fotovoltaicas) para
geração de energia própria, e os de geração centralizada, que engloba as grandes
usinas solares.
Segundo o caderno Setorial da ETENE a capacidade instalada de geração
solar fotovoltaica no Brasil corresponde a 1,22 GW, sendo 1,02 GW em projetos
centralizados e 0,20 GW em geração distribuída (dados de 28/02/2018). O Nordeste
sedia 73,1% dos projetos centralizados e 20,2% da geração distribuída. Nessa
região, destacam-se a Bahia, que detém cerca de um terço da geração centralizada
do Brasil, e o Ceará, com 6,4% da geração distribuída do País. O 27º Leilão de
Energia Nova, realizado em 05 de abril de 2018, aprovou 806,6 MW em projetos de
energia solar fotovoltaica, dos quais 78,9% no Nordeste. Os investimentos previstos
somam R$ 4,3 bilhões.
Segundo o LABREN (Laboratório de Modelagem e Estudos de Recursos
Renováveis de Energia) a taxa de radiação solar na região do Rio Grande do Norte
tem uma média na faixa de 5.500 Wh/m², o que favorece o Estado em investir no
mercado solar. Já existe um projeto de lei que propõe a implantação de
equipamentos para a produção de energia fotovoltaica em locais como hospitais,
escolas e repartições públicas do Estado a fim de resultar em significativa economia
de recursos por parte do Poder Público.
Como já foi visto o mercado que envolve as células fotovoltaicas está cada
dia mais em alta, com isso os estudos em cima do aumento de sua eficiência se
torna fundamental para que possamos alavancar os avanços nessa tecnologia.
O seu desempenho é afetado por vários parâmetros como, ângulo de
incidência dos raios solares nos painéis, qualidade construtiva (matéria prima
utilizada), qualidade da instalação e a temperatura de operação, dentre todo o mais
relevante. A radiação solar absorvida que não é convertida em energia elétrica se
converte em energia térmica e provoca uma diminuição na eficiência elétrica dos
painéis solares (ABDULGAFAR et al., 2014).
3
O aumento da temperatura compromete diretamente o funcionamento da
célula fotovoltaica diminuindo sua eficiência, para que isso não ocorra o método
mais eficaz seria a extração de calor. Estudos em cima do resfriamento das PV
estão sendo feitos justamente para analisar a quantidade final total de energia,
comprovando ou não sua eficácia quando comparada com aquelas que não
estariam submetidos à retirada de calor.
Atualmente, existem demasiados trabalhos em cima de novas tecnologias
que envolvem o resfriamento da placa fotovoltaica, os mais difundidos são os
chamados Sistemas Híbridos PV/T (Photovoltaic/Thermal), no qual o fluido de
trabalho utilizado para extração de calor não possui função apenas de arrefecimento
da célula fotovoltaica, mas também para outras aplicações práticas.
Os sistemas PV/T’s consistem na junção de uma unidade térmica,
geralmente usam-se serpentinas, e uma bomba para dar movimento ao fluido de
trabalho, com isso a energia economizada na extração de calor muitas vezes seria
usada na bomba acoplada ao sistema. Desse modo para equipamentos menores,
principalmente utilizados para geração de energia própria, que utiliza esse tipo de
sistema para economizar energia não seria recomendado.
Geralmente esses sistemas utilizam apenas a água como fluido de trabalho,
atualmente não há estudos comparativos sobre o melhor tipo de fluido que poderia
ser utilizado para esse fim.
A água é um bom refrigerante, porém quando falamos de lubrificação ele
não possui características adequadas para exercer esse tipo de função,
principalmente quando trabalhamos com longos períodos sem lubrificação
adequada. Se o fluido estiver contaminado por ferrugem, o desgaste é ainda maior.
Hoje em dia os álcoois estão tendo forte presença como solutos para fluidos
secundários a base de água, principalmente pela sua baixa ou até nenhuma ação
corrosiva. No presente trabalho foi realizado o estudo comparativo entre a água, o ar
e o etilenoglicol, este último foi escolhido principalmente por possuir propriedades
físico-químicas que permitem utiliza-lo como um aditivo nos processos de
refrigeração e arrefecimento. (FINK, 2003).
4
1.1 Problema
A intensa irradiação solar faz com que as placas fotovoltaicas fiquem
expostas a altas temperaturas, o que causa sua degradação e tenha que ser feita a
troca prematura das células.
1.2 Hipóteses
O resfriamento passivo é a primeira opção para melhoria do desempenho de
painéis fotovoltaicos, contribuindo para o aumento do tempo de vida útil das células.
1.3 Objetivo Geral
O presente trabalho tem como objetivo geral o estudo do aproveitamento da
energia provinda de lâmpadas, focando na comparação da analise térmica de três
fluidos usados para o resfriamento da placa, sendo eles o ar, a água e o etileno
glicol.
1.4 Objetivo Específico
Construir dispositivos para testes de fluidos de arrefecimento em
painel fotovoltaico;
Realizar testes de aquecimento da célula fotovoltaica submetido ao
aquecimento em ambiente termicamente controlado;
Comparar os resultados obtidos a partir dos testes com os três fluidos
de trabalhos distintos.
5
2 Fundamentação
Nesse tópico discutiremos sobre as análises para o estudo teórico do
presente trabalho.
2.1 Análise do Parâmetro Temperatura.
Roney et al. (2004), cita a influência da temperatura na eficiência de vários
modelos encontrados na literatura. Verifica-se que a energia elétrica resultante das
células fotovoltaicas está fortemente ligada a temperatura. Quanto maior a
temperatura menor a eficiência da célula. A figura 1 compara seis modelos
diferentes nos quais o aumento da temperatura interferiu na eficiência do sistema
estudado. A diferença dos resultados encontrados é explicada pelo valor de pico de
eficiência de cada módulo fotovoltaico.
Figura 1 - Comparação da temperatura x eficiência das células de seis diferentes modelos.
Fonte: Adaptado de Roney et al. (2004).
Segundo Pinho et al. (2014), o aumento da irradiância incidente e/ou da
temperatura ambiente produz um aumento da temperatura da célula e,
consequentemente tende a reduzir a sua eficiência. Ele explica que esse efeito é
ocasionado pela significativa perda de tensão devido ao aumento da temperatura e
em contrapartida a corrente sofre uma elevação quase desprezível. Um exemplo
6
citado é de uma célula de silício cristalino, na qual um aumento de 100ºC na
temperatura produz uma variação da ordem de 0,2 V (-30%) em Voc (tensão de
circuito aberto) e de +0,2 em Isc (corrente de curto circuito). A figura 2 demonstra o
gráfico da influência da temperatura da célula fotovoltaica na curva I-V.
Figura 2 - Influência da temperatura da célula fotovoltaica na curva IxV.
Fonte: Adaptado de Pinho et al. (2014).
Outro fator no qual a temperatura influencia é sobre as propriedades da
célula solar, dependendo do material que a placa seja fabricada, podemos
determinar o efeito da temperatura sobre elas, alguns dos coeficientes já são pré-
determinados pelos fabricantes dos módulos, suas referências geralmente estão
especificadas nas folhas de dados técnicos.
Para os materiais nos quais não especificam o valor de cada coeficiente,
Pinho et al. (2014) descreveu as fórmulas nas quais determinam os coeficientes de
temperaturas, definidos abaixo, para representar o efeito da temperatura nas
características dos módulos.
Primeiramente vamos especificar a equação 1, do coeficiente (β) de
variação da tensão de circuito aberto (Voc) com a temperatura:
( 1 )
Em que o ΔVoc é a variação da tensão em circuito aberto para uma variação de
temperatura de célula ΔT.
7
Já o coeficiente (α) de variação da corrente de curto-circuito com a
temperatura pode ser expresso pela equação 2:
( 2 )
Onde o ΔIsc significa a variação da corrente de curto-circuito (Isc) para uma variação
de temperatura de célula ΔT.
Por fim o coeficiente (γ) de variação de potência máxima (potência de pico)
do módulo com a temperatura pode ser descrito pela fórmula 3:
( 3 )
No qual o ΔPmp é a variação de potência máxima do módulo para uma variação de
temperatura de célula ΔT.
Quando as condições-padrão de ensaio (STC) não apresentam condições
operacionais reais, as normas definem uma temperatura nominal para a operação
das células nos módulos, em que as características encontradas em campo se
aproximam das características elétricas. Essa temperatura é independente para
cada módulo e pode ser obtida através da exposição do módulo em circuito aberto a
uma radiância de 800 W/m² em um ambiente com temperatura do ar a 20ºC e
sofrendo ação do vento incidindo com velocidade de 1 m/s. Geralmente essa
temperatura vem especificada nos dados técnicos das células e é identificada como
NOCT (Nominal Operating Cell Temperature), ela normalmente varia entre 40 a 50
ºC, ela está relacionada às características térmicas e ópticas dos materiais utilizados
em sua fabricação. Caso os coeficientes de temperatura (α, β e γ) sejam os
mesmos, o módulo que tiver a menor NOCT terá menos perdas relacionadas à
temperatura, o que lhe garantirá melhor desempenho em campo (Pinho et al., 2014)
Como podemos ver existem varias variáveis que influenciam diretamente na
temperatura da placa fotovoltaica, como a irradiância, a temperatura ambiente, se há
fluxo de vento perto da placa, entre outros. Esses fatores interferem diretamente na
eficiência elétrica da placa, outro parâmetro é a capacidade de absorção que célula
tem, segundo Dubey et al., 2013, um módulo fotovoltaico comercial consegue
converter de 6 à 20% da radiação solar incidente em energia elétrica, do restante
8
parte da radiação é refletida, porém outra parte é absorvida e convertida em calor
aumentando a temperatura do módulo, com isso ele perde sua eficiência com o
tempo.
Com o passar do tempo a placa fotovoltaica vai perdendo eficiência,
principalmente pela alta incidência de radiação sobre elas, tornando-a mais quente.
Para diminuir a temperatura dessas células fotovoltaicas e aumentar seu tempo útil
de vida é necessário retirar o calor absorvido que pode ser extraído por água, ar,
etileno glicol, entre outros fluidos, porém atualmente existem poucos estudos em
cima de opções de fluidos de trabalho a serem usados nos coletores térmicos.
Pinho et al. (2014) exemplifica a perda de potência de uma célula
fotovoltaica, ele diz que a garantia de rendimento mínimo é de 25 anos. O módulo
fotovoltaico instalado no campo perde cerca de 0,5% a 1% ao ano. Geralmente
durantes os 12 primeiros anos é garantida uma potência mínima de 90% já para um
período de 20 a 25 anos o fabricante garante uma potência de 80%, ele classifica
esse grupo como G1, já o grupo G2 são as células nas quais os fabricantes
garantem por 5 anos pelo menos 95% da potência, durante 12 anos pelo menos
90%, durante 18 anos pelo menos 85% e durante 25 anos pelo menos 80%. Existem
também o grupo G3, os fabricantes que garantem uma degradação de rendimento
anual linear de 0,7 a 8% por ano durante 25 anos. Podemos analisar as classes G1,
G2 e G3 a partir do gráfico 1.
9
Gráfico 1 - Demostração da perda de potêcia durante os anos
Fonte: PINHO et al., 2014
Um dos primeiros trabalhos foi desenvolvido em 2004, o autor Krauter notou
a necessidade que parte da população brasileira tinha em ter acesso à energia
elétrica. Levando energia solar a elas foi verificado outro problema, as células
fotovoltaicas fornecidas eram substituídas frequentemente, com isso ele criou um
sistema solar caseiro de coletor térmico no qual acoplava na placa fotovoltaica um
tanque de água triangular, a fim de aumentar a vida útil da célula solar, pois ele
notou que um dos problemas frequentemente encontrados era o desgaste prematuro
dos módulos caseiros devido, principalmente, ao aumento da temperatura na placa.
Com o uso dessa tecnologia ele obteve uma redução significativa na temperatura
operacional do módulo, aumentando seu rendimento elétrico em 9-12%. Segue na
figura 3 o modelo no qual ele se baseou para desenvolver seu estudo.
10
Figura 3 - Modelo denominado TEPVIS criado na Alemanha em 1995.
Já existem dispositivos mais modernos nos quais trabalham com o
movimento da água, como foi citado na introdução, os sistemas PV/T’s. É em cima
deles que a tecnologia vem se desenvolvendo para o aumento do rendimento
térmico das células fotovoltaicas. A maioria dos trabalhos ainda utiliza a água como
fluido, que apesar de ter boas características termofísicas, apresentam em sua
composição cloro ou flúor, além de outros mineirais, esses elementos quando
entram em contato com partes metálicas sofrem reações químicas formando as
famosas ferrugens, que dificultam a troca de calor entre o bloco e o fluido, fazendo
dele um mau lubrificante.
Como foi estabelecido, o objetivo do presente trabalho é estudar, a partir da
temperatura, qual o melhor fluido para absorver a radiação solar incidente na placa
fotovoltaica. Um dos fluidos que iremos abordar é a mistura de água com etileno
glicol.
Em 2010, Medeiros et al., discutiram sobre as propriedades termofísicas da
água pura e da mistura água/álcool. Para efeito de comparação as tabela 1 e 2
mostram as propriedades térmicas dos fluidos para uma temperatura de 4°C.
11
Tabela 1 - Propriedades termofísicas da água pura.
Fonte: Medeiros et al. 2010.
Tabela 2 - Propriedades termofísicas de misturas água/álcool-30%.
Fonte: Medeiros et al. 2010.
Para analisar o sistema em questão, uma das propriedades do fluido
escolhido de maior relevância foi o calor específico, que segundo Çengel et al.
(2012) trata-se da energia necessária para elevar a temperatura em uma unidade de
massa de uma substância. Quanto maior o valor do calor específico de um
determinado fluido, maior será a dificuldade de ele sofrer variações em sua
temperatura.
Outra propriedade que vale a pena ser analisada é a condutividade térmica,
que também é função da temperatura, ela analisa a taxa com qual um dado material
pode transportar energia sob determinadas condições de geometria e temperatura.
Nos fluidos essa característica é mais difícil de ser descrita, principalmente pelos
mecanismos envolvidos ainda não serem bem definidos. (Çengel, 2012)
2.2 Análise da Conversão Térmica
Para que possamos entender como funciona a conversão da irradiação solar
sob a placa em energia térmica, Ciência Viva (2006), explica a conversão térmica da
energia solar como sendo a absorção de radiação numa superfície absorsora, no
caso a célula fotovoltaica, e na transferência desta energia, sob forma de calor, para
o elemento que irá receber a energia útil, que será abordado nesse trabalho como
sendo o ar, a água e o etileno glicol. Com isso a temperatura atingida no elemento
12
que recebe a energia útil é resultado do balanço entre a quantidade de radiação
absorvida e as perdas térmicas existentes. Dessa forma para que a energia útil seja
maximizada é necessário um aumento da quantidade de radiação absorvida na
superfície absorsora e diminuir as perdas térmicas do conjunto.
Como foram definidas no tópico anterior, as propriedades da célula solar
interferem na absorção da radiação solar. Os coeficientes de transmissividade,
refletividade e absortividade são propriedades que quantificam a fração da radiação
incidente que é transpassada, refletida e absorvida por uma superfície, a soma
desses três fatores precisa ser igual a um. (Incropera et al. 2008).
Para que possamos modificar a energia útil do sistema é preciso conhecer
um pouco sobre as perdas térmicas, que ocorre na transferência de calor por meio
da condução, convecção ou radiação.
Segundo Incropera et al. (2008), condução ocorre através das superfícies,
em que o calor se propaga para o exterior. Já a convecção refere-se ao calor
difundido entre uma superfície e um fluido em movimento, estando eles a diferentes
temperaturas. Por fim radiação é o calor espalhado por meio da emissão de energia
na forma de ondas eletromagnéticas a partir das superfícies. A figura 4 esquematiza
esses três processos.
Figura 4 - Esquema dos modos de transferência de calor.
Fonte: Adaptado de Ciência Viva (2006).
13
Para que possamos minimizar as perdas térmicas na condução pode ser
utilizado os isolamentos térmicos no sistema ou reduzir a área superficial por onde
essas perdas ocorrem. Já na convecção podemos limitar o escoamento de ar sobre
a superfície absorsora ou colocando-a no vácuo, eliminando totalmente estas
perdas. Em relação à radiação, as perdas térmicas podem ser minimizadas através
da utilização de uma cobertura transparente, como o vidro, pois ele apresenta uma
elevada transmitância no espectro solar e uma reduzida transmitância para maiores
comprimentos de onda no infravermelho, processo encontrado no famoso efeito
estufa. Outros dois fatores que diminuem a perda na radiação é a minimização da
área da superfície absorsora e a utilização de uma superfície absorsora seletiva, na
qual apresenta menores valores de emitância para uma mesma absortância. (Ciêcia
Viva 2006).
Falando um pouco sobre o coletor solar, que segundo a Associação
Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), é um dispositivo capaz de absorver radiação
solar incidente e transferi-la para um fluido de trabalho através de energia térmica.
Eles podem ser classificados como aberto ou fechado, esse último foi o escolhido no
presente trabalho.
O coletor fechado é composto pela cuba, pelo isolamento térmico, para
reduzir as perdas por condução, pelas placas absorvedoras, nas quais absorvem e
transferem a energia solar para a água e para o etileno e pela vedação, na qual
aumenta a superfície de condução do sistema, representada pela pasta térmica.
2.3 Análise dos Modelos Térmicos
Para quantificar o efeito físico da temperatura da placa fotovoltaica acoplada
às cubas de água e etileno glicol, foram desenvolvidos nesse tópico modelos
térmicos baseados na primeira lei da termodinâmica.
Segundo Çengel (2012) a conservação de energia é descrita pelo aumento
ou diminuição da energia total de um sistema durante um processo, ou seja, a
variação líquida que é igual à diferença entre a energia total recebida e a energia
que não é utilizada pelo sistema durante o processo, essa energia pode ser
transferida para ou do sistema por meio de calor, trabalho e fluxo de massa.
14
Descrevendo ainda uma fórmula na qual a energia total do sistema é igual a soma
das energias interna, cinética e potencial.
( 4 )
Onde:
Ėent = taxa de energia total na entrada do sistema (W/m²)
Ėsai = taxa de energia total na saída do sistema (W/m²)
Esistema = mudança de energia do sistema (W/m²)
Como existe uma imensa complexidade ao analisar todas as variáveis que
interferem na mudança de energia no sistema em questão, foi considerado o regime
permanente. Dessa forma a taxa de mudança da energia total nos sistemas é igual a
zero, assim, a taxa de energia total que entra no sistema é igual a taxa de energia
total que sai do sistema, como mostra a equação abaixo:
( 5 )
Segundo Incropera et al. (2008) a equação simplificada que define energia
térmica para sistemas com escoamento em regime estacionário, pode ser expressa
da seguinte maneira:
( 6 )
Onde:
q = taxa líquida de saída de entalpia para um gás ideal ou de saída de energia para
um líquido incompressível (W/m²);
ṁ = vazão mássica de um fluido (kg/s);
Cp = calor específico do fluido (J/(kg.K));
= temperatura de saída do fluido (K);
= temperatura de entrada do fluido (K).
Incropera et al. (2008) quantifica condução térmica pela lei de Fourier,
representada, em regime estacionário pela equação abaixo:
15
( 7 )
Onde:
= taxa de transferência de calor por condução (W/m²);
K = condutividade térmica (W/(m.K));
ΔT = gradiente de temperatura (K);
Y = espessura por onde o fluxo térmico percorre (m).
Para expressar convecção térmica, Incropera et al. (2008) utiliza a lei de
resfriamento de Newton, pois é a expressão adequada para quantificar o fluxo de
calor, independente do processo de transferência utilizado na convecção.
( 8 )
Em que:
= taxa de transferência de calor por convecção (W/m²)
h = coeficiente de transferência de calor por convecção (W/m²K)
= temperatura da superfície (K);
= temperatura do fluido em repouso longe da superfície (K).
A partir da equação 8 é possível encontrar o valor do coeficiente de
transferência de calor por convecção.
( 9 )
Onde:
= entrada de calor ou perda de calor (J);
h = coeficiente de transferência de calor (W/(m²K));
A = área de superfície de transferência térmica (m²);
Por fim, Incropera et al. (2008) descreve uma equação para radiação térmica,
ele cita um caso particular que acontece com frequência inclusive no trabalho em
questão, onde a troca de radiação é entre uma pequena superfície, no caso desse
16
trabalho a célula solar, e uma superfície muito maior, no caso as paredes do
laboratório no qual foi realizado o trabalho, envolvendo a placa completamente e
apresentando uma temperatura diferente. Segue a equação abaixo:
) ( 10 )
Onde:
= taxa de transferência de calor por radiação (W/m²);
ɛ = emissividade da superfície;
σ = constante de Stefan-Boltzmann (W/(m². ));
= temperatura da superfície (K);
= temperatura efetiva da parede (K).
2.4 Análise da difusividade térmica
Segundo Ozisik (1985), quanto maior for a difusividade térmica de um
material mais rápida será a propagação do calor envolvido no meio. Ele cita um
exemplo que explica fisicamente esse efeito, imaginemos um meio semi-infinito que
vá de x = 0 até x → ∞ que esteja a uma temperatura de 100 ºC e repentinamente cai
para 0ºC, com isso a temperatura do material se alterará com o tempo e com a
posição, com isso conseguimos comparar numa mesma posição quanto tempo
determinado material levou para resfriar.
A fórmula que representa a difusividade térmica é descrita pela equação 11.
( 11 )
Na qual:
= difusividade térmica (m²/s);
k = condutividade térmica (W/m.K);
ρ = massa volumétrica (kg/m³);
Cp = calor específico (KJ/kg.ºC).
A tabela 3 compara a difusividade térmica de quatro materiais distintos.
17
Tabela 3 - Efeito da difusividade térmica na taxa de propagação de calor
Fonte: Modificado de Ozisik (1985)
Material Prata Cobre Aço Vidro
α x m²/s 170 103 12,9 0,59
Tempo 9,5 min 16,5 min 2,2 h 2,0 dias
18
3 Materiais e Procedimentos
Serão descritos nesse tópico os materiais e procedimentos que foram
necessários para desenvolver o projeto em questão.
3.1 Especificação e dimensionamento dos materiais utilizados
Para que possamos entender o funcionamento do sistema do presente
trabalho, serão descritos os materiais necessários.
O recipiente térmico utilizado para acoplar o fluido foi retirado de um bebedouro
de coluna de pressão confeccionado em aço inox. Nela existem quatro tipos de
entradas, onde foram testadas para que conseguíssemos encontrar a função de
cada uma. Como podemos ver na figura 5, foi especificada cada entrada pelas letras
A, B, C e D. Na entrada A, o fluido consegue entrar e sair da coluna interna, o
diâmetro da entrada é de 11 mm. Já na entrada B o fluido consegue apenas entrar
na coluna interna e possui um diâmetro de 11 mm. Na entrada C o fluido não
consegue nem entrar, nem sair. Por fim, na saída D o fluido consegue tanto entrar
como sair e seu diâmetro também tem o valor de 11 mm.
Figura 5 - Entrada dos fluidos de trabalho no recipiente térmico.
Como segue nas figuras 6 e 7, o diâmetro da cuba possui um valor de 18 cm
e a altura de 12 cm, com isso chegamos a um volume de aproximadamente 3,053L.
19
Já para encontrar a massa da cuba sem o fluido foram realizadas na balança de
precisão, que mede de 1 até 10kg, três medições e o valor médio encontrado foi de
1180g.
Figura 6 - Diâmetro do recipiente térmico.
20
Figura 7 - Altura do recipiente térmico.
Para evitar as perdas de calor para o meio externo, o recipiente no qual
acondiciona o fluido de trabalho foi isolado termicamente com espuma, como segue
na figura 8.
Figura 8 - Espuma na qual proporciona isolamento térmico ao recipiente.
21
Para aderir o recipiente térmico de aço inox na placa fotovoltaica foi utilizada
a pasta térmica, como mostra na figura 9, cuja função vai além de aumentar a
aderência entre os componentes, ela ajuda a manter a temperatura.
Figura 9 - Recipiente térmico com pasta térmica.
A célula fotovoltaica ilustrada na figura 10 é fabricada pela Komaes, ela é feita de
Silício Policristalino, modelo KM(P)20, seu peso é de 2,4kg e as suas dimensões são
de 500 x 350 x 25 (mm). Segundo o fabricante o módulo foi certificado pelo
INMETRO e apresenta uma eficiência de 10,7%. Segue abaixo as especificações da
placa segundo a folha técnica:
Potência máxima (Pmax): 20W;
Tolerância da potência: ±5%;
Tensão de potência máxima (Vm): 17,56V;
Corrente da potência máxima (Im): 1,14A;
Tensão em circuito aberto (Voc): 21,56V;
Corrente de curto-circuito (Isc): 1,23A;
Tensão máxima do sistema: 750Vcc;
22
Figura 10 - Placa fotovoltaica.
A medição da temperatura foi feita a partir dos termopares, distribuídos por
oito pontos sendo eles, dois na placa fotovoltaica, a fim de medir a temperatura
atingida pela célula, dois entre o recipiente e o isolamento, para analisar a
quantidade de energia restante que não foi absorvida pelo fluido, dois dentro do
recipiente térmico, para medir a temperatura do fluido e por fim dois no ambiente.
23
Figura 11 - Termopares utilizados no sistema.
A figura 11 apresenta todos os termopares utilizados na medição das
temperaturas.
O experimento foi realizado dentro do laboratório de Transferência de Calor
da UFRN (Universidade Federal do Rio Grande do Norte) a partir de um painel de
iluminação (Figura 12) com cinco lâmpadas incandescentes, sendo quatro delas de
100W e uma de 200W, somando um total de 600W. O diâmetro do painel é de
aproximadamente 63cm.
Figura 12 - Painel de iluminação.
24
Foi optado por realizar o experimento dentro do laboratório que tem
dimensões de aproximadamente 750 cm x 800 cm. Com isso, não há tanta variação
nas condições climáticas, já que durante os testes deixamos a temperatura do ar
condicionado sempre a 25ºC, diferentemente se fosse medido com a radiação solar,
na qual o experimento estaria exposto a ventos e instabilidades climáticas.
3.2 Caracterização dos fluidos utilizados
Os fluidos escolhidos para serem analisados foram o ar, a água e o
etilenoglicol. Nesse tópico iremos discutir sobre eles.
3.2.1 Água Destilada
Um dos fluidos utilizados para a comparação foi a água destilada, ela foi
retirada do Laboratório de Química da UFRN a partir do processo de Destilação. A
figura 13 mostra a bancada de destilação da água.
Figura 13 - Processo de destilação da água.
25
Geralmente a água natural é composta por vários contaminantes
microscópicos e minerais dissolvidos, para que esses elementos sejam removidos
tornando a água mais pura, ela sofre o processo de destilação, na qual a água é
fervida até alcançar o estado de vapor, após esse procedimento esse vapor fica
resfriando e condensado, passando novamente para o estado líquido, porém sem as
impurezas, gerando assim a água destilada.
3.2.2 Etileno Glicol
O outro fluido que utilizamos no processo de resfriamento foi a mistura
etileno glicol e água na proporção de 1:2. Optou-se por não se utilizar o etileno glicol
puro, por ser tóxico. A figura 14 ilustra o produto utilizado.
Figura 14 - Etilenoglicol fabricado pela Valeo.
O produto da figura 14 é da marca Valeo e é composto por monoetilenoglicol,
inibidores orgânicos, corante, componente anticorrosivo e água desmineralizada.
26
3.3 Caracterização dos programas computacionais utilizados
3.3.1 SecCool
O Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade da Dinamarca
desenvolveu um programa chamado SecCool, no qual detém uma biblioteca com as
propriedades termofísicas de fluidos secundários baseados nos parâmetros
experimentais de ASHRAE, entre outros, e pode ser baixado gratuitamente pela
internet. Foi utilizado esse programa para encontrar as propriedades térmicas dos
fluidos utilizados.
3.3.2 Aquisição de dados
Outro programa utilizado foi o de aquisição de dados desenvolvido pela
Universidade Federal do Rio Grande do Norte, no qual contém um sistema de polos
positivos e negativos para acondicionar os termopares e transmitir para o
computador as temperaturas medidas nos pontos desejados. A Figura 15 ilustra o
sistema de aquisição de dados.
Figura 15 - Sistema de aquisição de dados.
27
A figura 16 ilustra o sistema de aquisição de dados do programa, e a partir
dele podem ser medidos até 16 termopares. A gravação pode ser realizada
automaticamente ou manualmente, nesse caso é preciso determinar um intervalo de
gravação e só após acionar o botão ‘gravar’ para iniciar a gravação. Para terminar
basta clicar no botão ‘Parar’.
Figura 16 - Programa que capta os valores quantitativos do sistema de aquisição de dados.
3.4 Montagem da bancada
O primeiro passo para iniciar a montagem do sistema foi organizar e enumerar
os termopares de maneira que pudéssemos identifica-los no programa de aquisição
de dados. A figura 17 ilustra o estado final da organização.
28
Figura 17 - Organização dos termopares no sistema de aquisição de dados.
A localização de cada termopar ficou da seguinte maneira:
Termopares 01 e 03: em cima da placa fotovoltaica;
Termopares 02 e 07: dentro do recipiente térmico;
Termopares 04 e 05: entre o recipiente e o isolamento térmico;
Termopares 00 e 06: no ambiente dentro do laboratório.
Logo após a identificação de cada termopar, aderimos os mesmos em seus
respectivos lugares.
A figura 18 ilustra a posição dos termopares 01 e 03 na parte superior da
placa de forma equidistante.
Figura 18 - Localização dos termopares 01 e 03 na placa fotovoltaica.
29
Para a colocação dos termopares 02 e 07, como visualizado na figura 19, no
interior do recipiente, foi preciso enchê-lo com o primeiro fluido no qual iniciou-se o
experimento, qual seja, água destilada, logo após enchermos o recipiente foi
necessário determinar o peso deste com o fluido, para que possamos ter uma
média, foram realizadas três medições. O passo seguinte foi conter o vazamento do
fluido, para isso utilizamos dois tipos de colas específicas para minimizar o
vazamento quando o mesmo fosse submetido a algum tipo de pressão, como nesse
caso a posição do recipiente ficou com a entrada dos fluidos virada para baixo, foi
necessário o uso desse tipo de vedação.
Figura 19 - Localização dos termopares 02 e 07 no recipiente térmico.
Como representado pela figura 20 os termopares 04 e 05 ficaram dispostos
entre o recipiente que continha o fluido e o isolamento de espuma. Para que fosse
possível alocar esses termopares foi preciso acondicionar o recipiente com a água
no isolamento de espuma e logo após espalhamos pasta térmica na superfície de
contato entre o recipiente e a placa térmica.
30
Figura 20 - Localização dos termopares 04 e 05.
Logo após a colocação dos termopares em seus respectivos locais, aderimos
o recipiente térmico na placa fotovoltaica com ajuda da pasta térmica, como
podemos ver na figura 21.
Figura 21 - Junção da placa fotovoltaica e do coletor térmico.
Por fim, identificamos a altura na qual o sistema composto pela placa
fotovoltaica e o recipiente térmico ficaria, para isso adotamos uma altura de 40 cm
abaixo do painel de lâmpadas. Como visto na figura 22.
31
Figura 22 – Distância entre o sitema placa fotovoltaica / painel de lâmpadas.
3.5 Testes realizados
Logo após o término da montagem da bancada, iniciamos os testes no
Laboratório de Transferência de Calor da UFRN sob uma temperatura controlada de
25ºC. Foi determinado um tempo de 3 horas para cada teste.
O experimento foi organizado em dez passos, sendo eles:
1. Medir a voltagem da placa fotovoltaica;
2. Medir a temperatura inicial da célula, deixando-a a T=25ºC;
3. Iniciar a gravação no programa de aquisição de dados, estabelecendo um
intervalo de 10 minutos.
4. Ligar o painel de lâmpadas;
5. Deixar o experimento nas 3h programadas;
6. Passadas as 3h, verificar os resultados obtidos;
7. Realizar um gráfico Temperatura x Tempo do teste realizado;
8. Conferir a voltagem na placa fotovoltaica;
32
9. Deixar a placa fotovoltaica e o recipiente térmico resfriando até atingir a
temperatura ambiente de 25ºC, que foi alcançada em aproximadamente 2h;
10. Iniciar um novo teste.
Os testes foram realizados entre os dias 13/05/2019 e 24/05/2019, iniciando
com a placa sem o recipiente, logo depois com a água, com o etileno e por fim
deixamos o recipiente vazio. Para cada fluido foram feitos três repetições a fim de
encontrar uma média para os pontos medidos.
33
4 Resultados e Discussões
Nos itens 4.1 a 4.5 são apresentados os resultados dos experimentos
realizados, correspondentes aos doze ensaios.
4.1 Balanço de energia do sistema
Foram especificadas no item 2.3 as equações que compõem o balanço
energético do sistema. Seguem nas figuras 23 e 24 os esquemas dos modelos
reproduzidos para o experimento.
Figura 23 - Esquema térmico da célula fotovoltaica sem o recipiente.
Figura 24 - Esquema térmico da célula fotovoltaica com o recipiente térmico.
Aplicando o balanço energético para o esquema térmico da figura 23, resultará
na seguinte equação:
( 12 )
Já para a figura 24 o balanço energético ficará da seguinte maneira:
( 13 )
34
Para o cálculo da radiação, convecção e condução serão consideradas as
seguintes constantes:
Segundo Ozisik (1985), a constante de Stefan-Boltzmann é igual a σ = 5,6697
x W/(m². ).
Como o fabricante não nos fornece o valor de emissividade da placa, Zhang et
al. (2006) recomenda um valor estimado para célula fotovoltaica de 0,855. Este
mesmo valor foi adotado por Correa et al. (2013) e Roney et al. (2004).
Para estimativa do coeficiente de transferência de calor convectivo foram
considerados os dados fornecidos por Ozisik (1985, pp 373-375), para placa plana
horizontal foi tirada a média de dois coeficientes, um para o escoamento turbulento
que nos fornece um valor de 6,18 W/(m².ºC) e o outro para escoamento laminar, que
possui um valor de 2,29 W/(m².ºC), com isso temos um coeficiente convectivo de
aproximadamente 4,2 W/(m².ºC).
Cantor (2017) cita que geralmente os módulos fabricados a base de silício
conseguem absorver quase 77% dos fótons irradiados. O vidro temperado possui
uma camada antireflexo que diminue a perda por reflexão em até 10%.
O cálculo da temperatura da superfície do módulo fotovoltaico foi obtido a partir
da média de quatro pontos, sendo dois localizados na superfície superior da placa e
os outros dois localizados na superfície inferior. Com isso a .
A condutividade térmica do aço inox do recipiente à é de
aproximadamente 15,3 W/m.K.
A temperatura ambiente média foi de aproximadamente 24ºC.
A área do módulo fotovoltaico é de 0,175 m², já a área do painel de iluminação
é igual a 0,312m² e por fim a área do recipiente térmico é de 0,102m².
A irradiação provinda das lâmpadas incandescentes é igual a
.
35
As temperaturas médias do recipiente para o cálculo da condução são de
26,57ºC e 26,13ºC para a água e 29,5ºC e 28,5ºC para o etileno e a espessura na
qual o fluido térmico percorre é de 0,12m.
No próximo tópico serão descritos os valores quantitativos para todos os casos.
4.1.1 Célula fotovoltaica sem o recipiente
Aplicando os valores especificados no item 4.1, a equação 12 ficara da
seguinte forma:
( 14 )
( 15 )
( 16 )
( 17 )
4.1.2 Célula fotovoltaica com recipiente preenchido de água
Já para o caso do balanço com a placa e a água como fluido de trabalho
resultará no seguinte valor quantitativo:
( ) ( )
( 18 )
[
] ( 19 )
( 20 )
( 21 )
36
4.1.3 Célula fotovoltaica com recipiente preenchido de etilenoglicol
Com etileno glicol o resultado foi de:
( ) ( )
( 22 )
[
] ( 23 )
( 24 )
( 25 )
Nas equações 17, 21 e 25 verificamos que os valores foram respectivamente
18,37%, 18,24% e 18,03% menores do valor da incidência solar. Essa diferença se
deu principalmente pelo fato dos raios serem difusos, provavelmente apenas uma
parcela da incidência consegue chegar ao módulo fotovoltaico, outro fator que
influenciou no resultado foram os valores estimados de α, ρ e h.
4.2 Tempo de Resfriamento
Para encontrarmos o tempo de resfriamento da placa fotovoltaica foi utilizado o
gráfico 2 que apresenta o comportamento térmico da placa fotovoltaica durante 4
horas.
37
Gráfico 2 – Temperatura x Tempo do resfriamento da placa fotovoltaica.
Observa-se que a placa fotovoltaica atinge estabilidade no resfriamento a partir
de aproximadamente duas horas.
4.3 Variação da temperatura ambiente no laboratório
No gráfico 3 apresenta-se o comportamento da temperatura no local dos
experimentos pelo tempo.
Gráfico 3 - Temperatura x Tempo do comportamento da temperatura ambiente.
20
22
24
26
28
30
32
34
0 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00
Tem
pe
ratu
ra (
ºC)
Tempo (minutos)
Termopar 01
Termopar 03
15
17
19
21
23
25
27
29
0 20,00 40,00 60,00 80,00 100,00 120,00 140,00 160,00 180,00
Tem
pe
ratu
ra (
ºC)
Tempo (minutos)
38
Conforme se observa no gráfico 3, durante os 35 dias de experimento a
temperatura ambiente do laboratório variou 3ºC, evidenciando a estabilidade térmica
necessária para condução dos experimentos.
4.4 Variação da temperatura do fluido de trabalho.
No gráfico 4 visualizam-se as curvas de temperatura dos fluidos de trabalho
em função do tempo.
Gráfico 4 - Temperatura x Tempo dos fluidos de trabalho.
Analisando-se o gráfico 4 percebe-se que a água atinge temperaturas
superiores comparadas àquelas atingidas pelo etileno glicol, já o ar atinge
temperaturas muito maiores que os dois fluidos.
A menor diferença de temperatura entre os fluidos de trabalho (Etilenoglicol e
ar) foi de ΔT=0,4ºC, enquanto a maior diferença foi de ΔT=3,6ºC. De acordo com a
equação 10 essas diferenças podem ser justificadas pela difusividade térmica dos
fluidos. A maior condutividade térmica da água, cerca de 2,5 vezes maior que a do
etileno, faz com que os valores atingidos sejam superiores.
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
Tem
pe
ratu
ra (
ºC)
Tempo (minutos)
Água
Etileno Glicol
Ar
39
Tabela 4 - Valores difusividade térmica.
Água Etilenoglicol Ar
k 0,6 0,25 0,27
ρ 994 1100 1,1307
Cp 4180 2500 1006,5
α 1,44x 0,91x 0,23x
A tabela 4 nos fornece os valores quantitativos calculados a partir da equação
10, quando comparados com os valores tabelados (Ozisik, 1985), nos quais a água
apresenta = 1,5 x e = 0,9 x chegamos a um valor bem
próximo.
4.5 Variação da temperatura entre o recipiente e o isolamento.
No gráfico 5 mostram-se as curvas de variação de temperatura entre o
recipiente e o isolamento em função do tempo.
Gráfico 5 - Temperatura x Tempo do comportamento da temperatura entre o recipiente e o
isolamento.
No gráfico 5 constata-se que as temperaturas do recipiente com etileno glicol
foram superiores as do recipiente com água. Esse comportamento corrobora os
resultados apresentados no gráfico 4, uma vez que a energia absorvida pelo etileno
glicol foi menor que a energia absorvida pela água – consequência da primeira lei da
termodinâmica: se o etileno glicol absorveu menos energia o restante de energia se
distribuiu pelo recipiente.
22
23
24
25
26
27
28
Tem
pe
ratu
ra (
ºC)
Tempo (minutos)
Água
Etileno Glicol
Ar
40
4.6 Variação da temperatura na placa.
A comparação entre as temperaturas dos três fluidos de trabalho é
apresentada no gráfico 6.
Gráfico 6 - Temperatura x Tempo da temperatura na placa comparando os três fluidos.
Como esperado o acoplamento de um reservatório térmico à placa permitiu
perceptível redução da temperatura desta. No intervalo de tempo considerado
durante os experimentos a diferença de temperatura entre as situações da placa
com e sem o acoplamento foi de aproximadamente 2°C. É de suma importância
destacar que os resultados foram obtidos para a situação na qual a área da placa
fotovoltaica foi sete vezes maior que a área de absorção relativa ao fluido.
A placa fotovoltaica com o recipiente térmico abastecido com etilenoglicol
apresentou as menores temperaturas, esse efeito pode ser explicado pelo calor
específico do fluido (Cp), pois quanto maior for esse valor maior a dificuldade dele
sofrer variações em sua temperatura, a tabela 4 mostra que o etilenoglicol possui o
menor valor de Cp o que corrobora o resultado encontrado no gráfico 6, em que o
etilenoglicol possui um ΔT=12 °C e a água um ΔT= 14 °C.
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
Tem
pe
ratu
ra (
ºC)
Tempo (minutos)
Água
Etileno Glicol
Ar
41
5 Conclusões
A fim de comparar o melhor fluido de trabalho para se utilizar no
arrefecimento de placas fotovoltaicas, foi desenvolvido um modelo para testes
experimentais no Laboratório de Transferência de Calor – UFRN, em sala mantida
sob temperatura controlada de aproximadamente 25 ºC.
Realizaram-se testes com a placa fotovoltaica sem acoplamento ao
recipiente do fluido de arrefecimento. Nessa situação (i. e., com a placa apenas em
contato com o ar) obteve-se a maior temperatura, conforme previsto. Como se sabe
essa configuração interfere no tempo de vida útil da célula fotovoltaica.
As discrepâncias constatadas na análise do balanço de energia podem ser
atribuídas às perdas por convecção e radiação, não totalmente identificadas e,
portanto, não quantificadas no processo.
Nos testes com a placa acoplada ao recipiente com fluido de arrefecimento,
foi possível identificar facilmente o efeito de cada fluido de trabalho no arrefecimento
do coletor, com a temperatura mais baixa sendo proporcionada pelo etilenoglicol.
Utilizando o acoplamento do recipiente térmico a placa fotovoltaica
percebeu-se que se obteve uma diferença de temperatura de aproximadamente 2°C,
em que a placa fotovoltaica sem o recipiente obteve uma temperatura de
aproximadamente 39,3°C, já com o recipiente preenchido com água a placa atingiu a
temperatura de 37,8°C e com etilenoglicol 37,5°C, ou seja, aproximadamente 0,06%
a menos, em um período de três horas e com uma área de absorção relativa aos
fluidos sete vezes menor que a da placa fotovoltaica.
Para futuros trabalhos sugere-se analisar outros fluidos de trabalho e aumento
da área de absorção pelo fluido de arrefecimento. Além disso, sugere-se comparar
resultados experimentais obtidos em laboratório com aqueles que poderão ser
obtidos pela exposição direta ao Sol.
42
6 Referências
ABNT. Associação Brasileira de Normas Técnicas. Nbr 15747-2 – Sistemas
Solares Térmicos e Seus Componentes – Coletores Solares Parte 2: Métodos
de Ensaio, Rio de Janeiro, 2009.
ABDULGAFAR, S. A.; OMAR, O. S; YOUSIF, K. M. Improving the efficiency of
polycrystalline solar panel via water immersion method. International Journal of
Innovative Research in Science, Engineering and Technology, v. 3, n. 1, jan. 2014
Ancines, C. A. Comparação entre o desempeno de um coletor híbrido
térmico fotovoltaico com o de um coletor plano e um módulo fotovoltaico
convencional. Dissertação de mestrado (Universidade Federal do Rio Grande do
Sul) – Porto Alegre, 2016.
ANEEL. Agência Nacional de Energia Elétrica. Atlas da Energia Elétrica do
Brasil, 3ª Edição. Brasília, 2008. Disponível em
http://www2.aneel.gov.br/arquivos/PDF/atlas3ed.pdf. Acesso em Maio de 2019.
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Bezerra, F. D., Nordeste: Futuro promissor para Energia Solar. Caderno
Setorial ETENE, ano 3, Maior de 2018.
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