Análise comparativa, desempenho energético e otimização operacional de sistemas fotovoltaico-térmicos (FVT) com aplicação residencial

Abstract

A queima de combustíveis fósseis para geração de energia constitui a principal fonte de emissão de gases de efeito estufa. Segundo a Agência Internacional de Energia (IEA), em 2024, mais de 90% do consumo final de energia concentrou-se nos setores industrial, de transporte e de edificações, sendo este último responsável por cerca de 30% da demanda global. No Brasil, apesar da elevada participação de fontes renováveis na matriz elétrica, o setor energético ainda enfrenta desafios de descarbonização. Nesse contexto, o crescimento da demanda energética em edificações reforça a necessidade de soluções sustentáveis, destacando-se a energia solar, capaz de fornecer energia elétrica por meio de módulos fotovoltaicos (FV) e energia térmica por coletores solares (ST). Entretanto, a eficiência de conversão de módulos fotovoltaicos (FV) diminui com o aumento da temperatura de operação das células. Como solução, sistemas fotovoltaico-térmicos (FVT) integram ambas as tecnologias, possibilitando o aproveitamento simultâneo das formas elétrica e térmica da energia solar, elevando a eficiência global do sistema. Por meio de uma análise bibliométrica exploratória-descritiva e temporal, foi evidenciada a lacuna que existe de estudos que consideram sistemas FVT com aplicação residencial, não encontrando nas bases de dados consideradas nenhum estudo no cenário brasileiro. Assim, o presente trabalho avaliou o desempenho energético de dois sistemas FVT com trocador de calor em polipropileno (PP). O primeiro sistema, instalado em uma residência habitada por três pessoas, em Florianópolis, e operando em condições reais, foi analisado sob diferentes dias e perfis de demanda. Os resultados demonstraram que o sistema foi capaz de suprir quase integralmente a demanda de água quente, atingindo temperaturas de consumo superiores a 40 °C. Em termos de desempenho térmico, o sistema FVT residencial possibilitou economias superiores a 90% na energia necessária para o aquecimento de água nos dias de alta irradiação solar, quando comparado a um cenário de aquecimento exclusivamente elétrico para alcançar a temperatura ideal de banho. O segundo sistema FVT consistiu em um protótipo desenvolvido para a otimização da vazão de operação, por meio de testes experimentais conduzidos no intervalo entre 11h e 13h, com vazões variando de 1 a 10 l/min. O ganho térmico do fluido mostrou-se diretamente dependente da vazão, variando de 7,3 °C a 1,1 °C em dias de alta irradiação e de 2,6 °C a 0,4 °C em dias de média irradiação. A temperatura de operação do módulo FVT manteve-se, em média, 5 °C e 2 °C inferior à do módulo FV, para as respectivas condições. Sob céu claro, o módulo FVT apresentou eficiências térmicas entre 28% e 33%. Já em condições de média irradiação, o desempenho térmico foi influenciado pela inércia térmica do sistema, resultando em valores médios de 36%. A análise permitiu identificar a faixa de 3 a 5 l/min como a de melhor desempenho global, sendo 4 l/min definida como a vazão otimizada. Esses resultados foram validados por um modelo numérico em Python, que apresentou incertezas absolutas inferiores a 1% para a temperatura de saída da água e de até 10% para a temperatura de operação do módulo FVT. Para viabilizar a utilização do protótipo como planta piloto, seu desempenho foi comparado ao do sistema FVT residencial a partir de um perfil de consumo previamente definido e replicado por um simulador de consumo integrado ao protótipo FVT. Os resultados indicaram que o protótipo apresentou densidade de energia térmica aproximadamente 25% inferior à do sistema residencial, comportamento esperado devido as diferenças de escala e condições de instalação entre os sistemas. Apesar disso, o simulador demonstrou capacidade de reproduzir, de forma satisfatória, os perfis de demanda estabelecidos. A análise de incertezas indicou que os sistemas operaram dentro de limites metrológicos adequados para ensaios em ambiente externo.

Abstract: The burning of fossil fuels for energy generation constitutes the main source of greenhouse gas emissions. According to the International Energy Agency (IEA), in 2024, more than 90% of final energy consumption was concentrated in the industrial, transport, and building sectors, with the latter accounting for approximately 30% of global demand. In Brazil, despite the high share of renewable sources in the electricity matrix, the energy sector still faces decarbonization challenges. In this context, the growth of energy demand in buildings reinforces the need for sustainable solutions, with solar energy standing out as a promising alternative, capable of providing electrical energy through photovoltaic (PV) modules and thermal energy through solar thermal (ST) collectors. However, the conversion efficiency of photovoltaic (PV) modules decreases as the operating temperature of the cells increases. As a solution, photovoltaic-thermal (PVT) systems integrate both technologies, enabling the simultaneous use of the electrical and thermal forms of solar energy and increasing the overall efficiency of the system. Through an exploratory-descriptive and temporal bibliometric analysis, a gap was identified in studies considering residential applications of PVT systems, with no studies found in the Brazilian context within the databases analyzed. Thus, the present work evaluated the energy performance of two PVT systems equipped with a polypropylene (PP) heat exchanger. The first system, installed in a residence occupied by three people in Florianópolis and operating under real conditions, was analyzed under different days and demand profiles. The results demonstrated that the system was able to almost entirely meet the hot water demand, achieving consumption temperatures above 40 °C. In terms of thermal performance, the residential PVT system provided savings of more than 90% in the energy required for water heating on days with high solar irradiance when compared to a scenario of exclusively electric heating to reach the ideal shower temperature. The second PVT system consisted of a prototype developed to optimize the operating flow rate through experimental tests conducted between 11:00 AM and 1:00 PM, with flow rates ranging from 1 to 10 l/min. The thermal gain of the fluid proved to be directly dependent on the flow rate, varying from 7.3 °C to 1.1 °C on days of high irradiance and from 2.6 °C to 0.4 °C on days of medium irradiance. The operating temperature of the PVT module remained, on average, 5 °C and 2 °C lower than that of the PV module under the respective conditions. Under clear-sky conditions, the PVT module achieved thermal efficiencies between 28% and 33%. Under medium-irradiance conditions, thermal performance was influenced by the thermal inertia of the system, resulting in average values of 36%. The analysis identified the range from 3 to 5 l/min as providing the best overall performance, with 4 l/min defined as the optimized flow rate. These results were validated by a numerical model developed in Python, which presented absolute uncertainties below 1% for the water outlet temperature and up to 10% for the operating temperature of the PVT module. To enable the use of the prototype as a pilot plant, its performance was compared with that of the residential PVT system using a previously defined consumption profile reproduced by a consumption simulator integrated into the PVT prototype. The results indicated that the prototype presented a thermal energy density approximately 25% lower than that of the residential system, a behavior expected due to the differences in scale and installation conditions between the systems. Nevertheless, the simulator demonstrated the ability to satisfactorily reproduce the established demand profiles. The uncertainty analysis indicated that the systems operated within metrological limits suitable for outdoor testing.