Cientistas da Espanha, da Universidade Politécnica de Madrid, realizaram um estudo comparativo das configurações de acoplamento direto e indireto para sistemas fotovoltaicos e eletrolisadores na produção de hidrogênio verde (H2). O estudo foi baseado em simulações numéricas realizadas no software MATLAB, com condições meteorológicas baseadas em um ano meteorológico típico em Madri.
Os sistemas de hidrogênio movidos a energia fotovoltaica nos quais a entrada do eletrolisador é conectada à saída elétrica do gerador fotovoltaico sem um estágio de potência intermediário são frequentemente chamados de configuração de acoplamento direto. Os sistemas com configuração indireta, por outro lado, incorporam componentes eletrônicos para polarizar o gerador fotovoltaico em sua potência máxima e usam rastreamento de ponto de potência máxima (MPPT), para garantir a maximização da geração de energia fotovoltaica conforme as condições meteorológicas variam, com um conversor DC-DC combinando a potência de saída fornecida pelo MPPT com a potência de entrada do eletrolisador.
“A configuração indireta envolve um estágio de potência (PS) com um rastreador de ponto de potência máxima e um conversor DC-DC, mantendo uma transferência de energia ideal do PV para os eletrolisadores, mas incorre em perdas no PS. A configuração direta evita essas perdas, mas requer um projeto específico do gerador fotovoltaico para obter alta transferência elétrica”, disseram os cientistas, referindo-se às principais vantagens e desvantagens de cada configuração.
“Em defesa do acoplamento direto, vários autores afirmam que essa configuração pode ser suficientemente boa para ter o eletrolisador funcionando próximo ao MPP se o painel fotovoltaico e o eletrolisador forem projetados corretamente; outros declaram que a configuração de acoplamento direto é economicamente vantajosa, uma vez que os custos dos sistemas de acoplamento eletrônico são totalmente evitados.
O grupo de pesquisa realizou uma série de simulações em uma configuração experimental composta por um módulo solar de 100 W e um eletrolisador de membrana de troca de prótons (PEM) com densidade máxima de corrente de 4 A-cm2. No caso do sistema indireto, a eficiência do conversor DC-DC é assumida como sendo de 95%, enquanto no caso do sistema direto, o número de células solares conectadas em série e a área da célula foram otimizados, preservando a potência do módulo fotovoltaico para uma comparação justa.
“A presença do MPPT faz com que o módulo fotovoltaico opere em seu MPPT para todas as condições meteorológicas, ao contrário da configuração de acoplamento direto, que só funciona perto do MPPT para uma faixa escassa de irradiância e temperatura global, mesmo quando seu número de células foi otimizado”, explicou o grupo.
“Essa maior potência fotovoltaica também se traduz em uma maior quantidade de energia elétrica transferida para o eletrolisador e, portanto, em uma maior produção de H2.”
Por meio dessa análise, os cientistas descobriram que, graças ao PS, a configuração de acoplamento indireto pode injetar 223 kWh por ano de energia elétrica, o que é 39,4% a mais do que a configuração direta, no eletrolisador. Isso seria suficiente para produzir 5,79 kg de H2 em um ano, o que seria 37,5% a mais do que a quantidade produzida no sistema de acoplamento direto.
O sistema direto também atingiu uma eficiência energética de 5%, enquanto o indireto apresentou uma eficiência de 6,9%.
Além disso, os cientistas também avaliaram qual sistema é mais resistente às perdas de energia do módulo. Se tivesse perdido uma das 20 células do módulo fotovoltaico, o sistema direto perderia 18,3% de sua produção de H2, enquanto o indireto perderia apenas 5%. Com uma perda de sete células, o sistema direto deixará de produzir qualquer H2, enquanto o indireto ainda o produzirá, embora com uma capacidade 37% menor.
Os acadêmicos também descobriram que somente quando a eficiência do conversor DC-DC cair para menos de 73%, ele produzirá menos H2 do que o sistema de acoplamento direto. “Para que um projeto de conversor DC-DC seja considerado válido, sua eficiência deve exceder 90%, portanto, é improvável que ocorra um cenário com eficiências e produção de H2 tão baixas quanto no acoplamento direto”, enfatizaram .
Suas descobertas podem ser encontradas no estudo “Optimizing hydrogen Production: A comparative study of direct and indirect coupling between photovoltaics and electrolyzer”, publicado na Energy Conversion and Management.
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