Pesquisadores da China projetaram um novo sistema fotovoltaico integrado aos edifícios (BIPV) que integra uma camada de material de mudança de fase (PCM) em cada lado da parede.
Apelidado de envelope composto BIPV de PCM duplo (BIPV-dPCM), o novo sistema foi validado experimentalmente por meio de um modelo numérico e foi comparado aos sistemas de referência. De acordo com os resultados, ele atingiu desempenho de acoplamento termoelétrico superior em comparação a todos os outros sistemas.
“A integração do PCM com o BIPV apresenta uma abordagem atraente para aprimorar a utilização da energia solar e mitigar as cargas térmicas internas, contribuindo para o desenvolvimento de edifícios com eficiência energética e baixo carbono”, disseram os cientistas. “O PCM pode reduzir a temperatura operacional do PV e reduzir a diferença de pico de carga, ao mesmo tempo em que reduz a flutuação da temperatura do ar interno.”
O sistema proposto, que foi simulado usando o software TRNSYS, é composto por várias camadas. Primeiro, módulos fotovoltaicos de silício monocristalino são colocados na camada externa, que são então acoplados com 30 mm de RT-28 PCM. Isso é seguido por argamassa de cimento de 10 mm de espessura, 120 mm de parede de tijolos e outros 10 mm de argamassa de cimento. Finalmente, um RT-40 PCM de 30 mm de espessura é colocado no interior do apartamento.
“Durante o dia, os painéis fotovoltaicos convertem a radiação solar em eletricidade, gerando excesso de calor que é direcionado para o interior”, explicaram os acadêmicos. “O PCM afixado na parte de trás dos painéis fotovoltaicos absorve calor, o que faz com que ele derreta, reduzindo assim a temperatura do PV e melhorando a eficiência da geração de energia. À noite, o PCM perto da área interna começa a solidificar e, portanto, a ficar exotérmico, mantendo assim a temperatura interna com pequenas flutuações. Os PCMs duplos aumentam a resistência térmica da parede, evitando a transferência de calor entre as camadas interna e externa.”
Este sistema foi simulado para estar em uma sala voltada para o sul de 5 metros de dimensão, localizada no andar intermediário de uma habitação civil em Guangzhou, China. Uma pessoa foi assumida para viver nesta sala, usando 3,8 W/m2 de luz e 5 W/m2 de outros equipamentos. As luzes foram assumidas como acesas de 1h e 14h, e os outros equipamentos estavam em uso entre 7h e 21h. O ar condicionado foi ligado durante os meses de verão entre 7h e 17h e ajustado para uma temperatura de 26 C.
“Para verificar a capacidade do novo envelope BIPV-dPCM proposto de considerar tanto a geração de energia quanto o desempenho do isolamento térmico, o estudo o compara com três outros envelopes típicos”, disseram os pesquisadores. “A parede de referência é chamada de Parede I, enquanto a Parede II é um PCM de camada única comum acoplado a uma estrutura de invólucro fotovoltaico que mostra melhor desempenho de geração de energia quando perto dos painéis fotovoltaicos. A Parede III mostra melhor desempenho de isolamento térmico quando perto do interior. O BIPV-dPCM proposto neste estudo é denominado Wall IV.”
A análise mostrou que o novo sistema atingiu uma redução de carga fria de 7,94%, 4,60% e 0,50% a menos que as estruturas I, II e III, respectivamente. Ele melhorou o controle de temperatura e reduziu as temperaturas de pico do sistema fotovoltaico em 1,77 ºC e as temperaturas da parede interna em 6,3 C, atrasando a penetração de calor em 1 hora.
“A análise de exergia dos quatro tipos de estrutura de invólucro mostra que os PCMs duplos podem melhorar mais efetivamente a eficiência geral da exergia e reduzir o dano de exergia de cada componente”, acrescentou o grupo. “No entanto, a perda interna de exergia do módulo PV é responsável por mais de 80%, então é necessário incorporar técnicas de resfriamento, como ventilação.”
Concluindo os resultados, os cientistas disseram que “o coeficiente de autossuficiência (SSC) do sistema BIPV-dPCM está intimamente relacionado ao tempo de transição de fase do PCM. O SSC pode exceder 55%, mostrando uma forte capacidade de autoconsumo de PV. Ao otimizar os parâmetros, especialmente a taxa de espessura de PCM, o SSC pode exceder 65%.”
O sistema foi apresentado em “Investigation of double-PCM based PV composite wall for power-generation and building isolation: thermal characteristics and energy consumption prediction,” publicado em Energy and Built Environment. Pesquisadores da Universidade de Jinan, Universidade de Tecnologia de Anhui e Universidade de Wuhan da China conduziram o estudo.
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