Resfriamento de módulos fotovoltaicos utilizando água em convecção natural

Abstract

A temperatura de operação é um dos principais fatores operacionais que afetam o desempenho de módulos fotovoltaicos. O seu aumento causa uma perda na eficiência de conversão, tendo como consequência a diminuição na potência elétrica máxima de saída. Este estudo apresenta uma análise teórica de um sistema de resfriamento utilizando água em convecção natural para diminuir a temperatura de operação de módulos fotovoltaicos. No sistema proposto, a água escoa por um duto anexado à superfície inferior do módulo. A água circula através de tubulações conectadas à caixa d água do edifício. A diferença de temperatura na água dentro do duto de resfriamento da célula e no reservatório provoca uma corrente de convecção natural que retira parte do calor absorvido do sol. Foi desenvolvida uma análise teórica para prever o desempenho do sistema proposto, onde foi calculada a temperatura da célula fotovoltaica em função do tempo pelo método das diferenças finitas a partir de balanços de energia nos componentes do sistema. O sistema simulado consiste de 8 módulos fotovoltaicos de 1,6 m2 cada e um reservatório de água de 1.000 litros. As simulações foram feitas a partir de dados de radiação solar, temperatura e velocidade do vento para o ano de 2016. Os resultados mostram que, aplicando o sistema proposto, o ganho médio na eficiência de conversão do módulo ao longo do ano está em 5,89%. Isso equivale a um aumento médio na potência elétrica de saída de aproximadamente 13,45W por módulo.

Abstract : Operating temperature level is one of the main operating factors that affect the performance of photovoltaic modules. Its increase causes a loss in conversion efficiency, resulting in a decrease in the maximum power output. This study presents a theoretical analysis of a cooling system using water in natural convection to decrease the operating temperature of photovoltaic modules. In the proposed system, the water flows through a duct attached to the lower surface of the module. The water circulates through pipes connected to the building s water reservoir. The temperature difference between the water inside the cell's cooling duct and the reservoir causes a natural convection current that draws out some of the heat absorbed from the sun. The theoretical analysis was developed to predict the performance of the proposed system, where the temperature of the photovoltaic cell was calculated as a function of time by the Finite Differences Method from energy balances in the system main components. The simulated system consists of 8 photovoltaic modules with1.6 m² each and a water reservoir of 1,000 liters. The simulations were made from solar radiation, temperature and wind speed data for the year 2016. The results show that, applying the proposed system, the average gain in the conversion efficiency of the module during the year is 5,89%. This corresponds to an average increase in electrical output power of approximately 13.45 W per module.