Análise experimental do desempenho térmico de um módulo fotovoltaico - térmico (FV-T)

Abstract

No presente trabalho foi realizado um estudo experimental do comportamento de um trocador de calor de polipropileno, PP, adaptado a um módulo fotovoltaico em sua parte posterior, formando um sistema solar híbrido, conhecido como sistema fotovoltaico - térmico, FV-T. O trocador de calor é um perfil plano de 5,2 mm de espessura e uma área de 1,80 m2 com estrutura alveolar formando múltiplos canais paralelos de seção transversal retangular de 4,24 mm de diâmetro hidráulico interno. O fluido de transferência de calor utilizado foi água, visando à aplicação do sistema para aquecimento de água residencial. Para a caracterização térmica, foram realizados testes com vazões entre 3,41 l/min a 6,52 l/min, e temperatura d'água na entrada do trocador de calor entre 20,6 °C a 33,6 °C. Os testes ocorreram em dias de alta irradiância, com céu claro, obtendo-se em média, uma eficiência e incerteza térmica de 31,4% e 2,8%, respectivamente. A diferença entre as temperaturas da água entre a entrada e a saída do trocador de calor foi em média de 2,7 °C. A eficiência elétrica dos módulos FV com e sem trocador de calor foi em média de 15,8% e de 15,1%, respectivamente. Esse ganho deveu-se à diminuição da temperatura do módulo FV com trocador de calor de cerca de 7 °C quando se compara com a situação do módulo FV de referência. Segundo o perfil de consumo de água programado, com a energia térmica que foi armazenada no reservatório térmico foi possível atender (31,0±1,5)% da demanda. O impacto da irradiância, da velocidade do ar circundante e da temperatura ambiente, na temperatura de operação do módulo FV e do coletor FV-T foram analisados, encontrando-se que no coletor FV-T avaliado, o parâmetro com maior influência sobre o aumento de sua temperatura é a irradiância, quando a velocidade do vento não ultrapassa dos 3 m/s. O projeto e a construção do sistema de aquecimento solar de água residencial, SDHW, com o sistema FV-T como coletor solar, também foram realizados durante este trabalho.

Abstract: This work involved an experimental study on the behavior of a heat exchanger made of polypropylene, PP, adapted to a photovoltaic module in its back side, being obtained a hybrid solar system, known as a photovoltaic-thermal system, PV-T. The heat exchanger is a flat profile with 5.2 mm of thickness and a surface area of 1.80 m2 with an alveolar structure forming multiple parallel channels with a rectangular cross section of 4.24 mm of internal hydraulic diameter. The heat transfer fluid used was water, aiming to apply the system to domestic water heating. For thermal characterization, tests were carried out with flow rates between 3.41 l/min and 6.52 l/min, and water temperatures at the heat exchanger inlet between 20.6 °C and 33.6 °C. The tests were performed on days of high irradiance, with clear skies, obtaining on average a performance and thermal uncertainty of 31.4% and 2.8%, respectively. The water temperature difference between the inlet and outlet of the heat exchanger was an average of 2.7 °C. The electrical performance of the PV module with and without heat exchanger averaged 15.8% and 15.1%, respectively. This gain was due to the fact that the module with heat exchanger recorded an average temperature of roughly 7 °C lower compared to the reference module. According to the programmed water consumption profile, the thermal energy stored in the thermal reservoir was possible to meet (31.0±1.5)% of the demand. The impact of irradiance, surrounding air velocity and ambient temperature on the operating temperature of the PV module and the PV - T collector were evaluated, finding that in the PV-T collector, the parameter that most influences the increase in its temperature is irradiance, whenever the wind speed does not exceed 3 m/s. The design and construction of the solar domestic hot water system, SDHW, with the PV-T system as the solar collector, were also carried out during this work.