Avaliação experimental do desempenho de painéis fotovoltaicos com unidades de armazenamento de energia amovíveis

Abstract

O principal objetivo deste trabalho é avaliar experimentalmente, o aumento da eficiência das células fotovoltaicas na conversão de energia solar em energia elétrica quando se utilizam abordagens passivas de refrigeração dos painéis fotovoltaicos (PV). Face à necessidade de melhorar tal eficiência, é feita uma avaliação da transferência de calor através das unidades de armazenamento de energia (UAE) amovíveis, contendo PCMs no seu interior, com o objetivo de perceber o seu efeito de termorregulação de painéis PV. Foi usado o PCM RT22HC da Rubitherm Technologies GmbH que apresenta uma temperatura de fusão de aproximadamente 22 ºC.Este estudo tem como ponto de partida uma instalação desenvolvida no plano de trabalhos do Professor Doutor Nelson Soares, no terraço da cobertura do edifício da Associação para o Desenvolvimento da Aerodinâmica Industrial (ADAI). O sistema de monitorização e aquisição de dados é constituído por um programa desenvolvido em LabViewTM, por fluxímetros, termopares devidamente calibrados, um piranómetro e ainda por equipamento de medição da curva característica de painéis PV (PVPM2540C). A instalação experimental é constituída por três painéis PV monitorizados individualmente e instalados em paralelo. Mediante os objetivos traçados, numa primeira fase, levou-se a cabo a calibração dos painéis PV. Com recurso ao equipamento de medição PVPM2540C, com condições climáticas de céu limpo, foram obtidos os principais valores das curvas características de cada painel PV. De modo a levar a cabo a validação do programa desenvolvido em LabViewTM, foram registadas durante três dias consecutivos as curvas da tensão e da corrente para posteriores comparações. Como o grande objetivo deste trabalho é perceber em que medida as UAE amovíveis preenchidas com PCMs podem ser usadas para a termorregulação de painéis PV sem apoio de outros dispositivos para auxiliar os processos de mudança de fase dos PCMs, numa segunda fase e com recurso ao programa desenvolvido em LabViewTM, foram registadas durante seis dias consecutivos as curvas da corrente e da tensão de cada painel PV (para posterior cálculo da potência elétrica e da energia produzida). No decorrer desta etapa um dos painéis é considerado como o painel de referência, e os outros dois funcionam como sistemas PV/PCM. A um deles é anexada uma UAE com cavidades horizontais e ao outro uma UAE com cavidades verticais. As condições meteorológicas foram devidamente monitorizadas, assim como a evolução da temperatura na parte frontal e posterior dos painéis PV e das UAE. Foi ainda registada a evolução dos fluxos de calor nas superfícies frontal e posterior das UAE. Depois de analisados os resultados obtidos, concluiu-se que o PCM utilizado possui uma temperatura de mudança de fase muito baixa para potenciar a termorregulação dos painéis PV para as condições meteorológicas registadas durante o período de análise (16 a 21 de agosto). Isto deve-se ao fato de o PCM não solidificar durante o período noturno, uma vez que a temperatura ambiente é muito próxima da temperatura de mudança de fase do PCM.Posteriormente, no final de agosto, as temperaturas registadas em Coimbra durante o período noturno baixaram alguns graus. Voltou-se a montar toda a instalação e a analisar os resultados obtidos, concluindo-se que o painel PV1 contínua a ser o que possui temperaturas operativas mais baixas, ou seja, o painel sem qualquer UAE, onde a refrigeração é feita por convecção natural.

The main objective of this work is to evaluate experimentally the increasing efficiency of PV cells, using passive cooling systems to minimize heat absorption from PV panel without additional power consumption. In view of the need to improve such efficiency, an evaluation of the heat transfer through the mobile energy storage units containing PCMs is made, in order to understand its thermoregulation effect on the PV panels. The PCM used is a paraffinic organic type RT22HC of Rubitherm Technologies GmbH with a phase change between solid and liquid at 22ºC.This study has as its starting point an installation developed in the work plan of Professor Nelson Soares, on the roof terrace of the building of the Association for the Development of Industrial Aerodynamics (ADAI). The monitoring and data acquisition system is composed of a LabView developed program, heat flux sensors, thermocouples properly calibrated, a pyranometer and also by measuring equipment of the characteristic curve of PV panels (PVPM2540C). The experimental setup is made up of three PV panels, connected in parallel and individually monitored.Through the goals outlined, in a first phase, the calibration of the PV panels was carried out. Using the measuring equipment PVPM2540C, with clean sky conditions, the main values of the characteristic curves of each PV panel were obtained. In order to carry out the validation of the program developed in LabView, the voltage and current curves for subsequent comparisons were recorded for three consecutive days.As the big goal of this work is to understand the extent to which the movable UAE filled with PCMs can be used for the thermoregulation of PV panels without the additional devices to assist the phase change processes of the PCMs, in a second phase using the program in LabView, the current and voltage curves of each PV panel (for later calculation of the power and energy produced) were recorded for six consecutive days. During this stage, one of the panels is considered as the reference panel, and the other two work as PV / PCM systems. A UAE with horizontal cavities is annexed to one of them and to the other is annexed a UAE with vertical cavities. The weather conditions were monitored as well as the temperature evolution on the front and back of the PV and UAE panels. The evolution of the heat fluxes on the front and back surfaces of the UAE were also recorded.After studying the obtained results, it was concluded that the PCM used has a very low phase change temperature to enhance the thermoregulation of the PV panels to the weather conditions registered during the period of analysis (16-21 august). This is due to the fact that the PCM does not solidify during the night time, since the ambient temperature is very close to the phase change temperature of the PCM.Afterward, at the end of august, temperatures recorded in Coimbra during the night period dropped a few degrees. The entire installation was set up and the results obtained were examined. It was concluded that the PV1 panel continues to be the one with the lowest operating temperatures, that is, the panel without any UAE, where the cooling is done by natural convection.