Uma equipe de pesquisa internacional, liderada pela Universidade de Manchester, estudou a modelagem térmica de painéis fotovoltaicos flutuantes (FPV) com um circuito de resfriamento por convecção natural (NCCL). Os pesquisadores criaram um novo modelo numérico multifísico 2D para avaliar o sistema usando diferentes espessuras de canais de refrigeração e nanofluidos.
“O NCCL é um sistema de resfriamento passivo que remove o calor do painel fotovoltaico e o transfere para um grande corpo de água, como um lago, rio ou represa”, explicou o grupo. “Consiste em três elementos principais: a seção do dissipador de calor na base do loop, imersa no corpo d’água; o módulo fotovoltaico, com comprimento de 0,75 m, acima da seção do dissipador de calor, que recebe a energia solar; e um reservatório de refrigerante no topo.
O sistema NCCL tem 1 metro de comprimento e 1,2 metros de altura, usando tubos de 20 mm e armações de cobre de 1 mm de espessura. Um reservatório de 20 cm de comprimento e 40 cm de altura fica 75 cm acima do módulo fotovoltaico. Dois filtros de radiação de 2 mm flanqueiam o canal de resfriamento, que varia em espessura em 1 mm, 2 mm, 5 mm, 10 mm ou 20 mm.
Um painel fotovoltaico feito de vidro temperado, uma camada de etileno-acetato de vinila (EVA), uma célula fotovoltaica de silício, outra camada de EVA e uma camada de fluoreto de polivinila (PVF) é instalado embaixo. A eficiência do painel, medida sem resfriamento, é de 14,98%. Os pesquisadores simularam os líquidos do reservatório usando água pura ou 5,3 partes por milhão (ppm) de nanofluido de prata (Ag) de água.
“Este reservatório recebe a água aquecida de baixa densidade do painel solar abaixo dele, e esse movimento fluido empurra a água do reservatório para a seção do dissipador de calor na base do circuito, rejeitando a energia térmica do circuito para o corpo de água no qual o sistema fotovoltaico flutua”, afirmou o grupo.
Imagem: Universidade de Manchester, Energia Solar, CC BY 4.0
Os cientistas criaram um modelo numérico para descrever o sistema, incorporando convecção de calor, condução, efeitos de radiação e equações para fluxo de fluido e transferência de calor. Eles testaram o modelo contra resultados experimentais, encontrando um desvio médio de 8,3%. O modelo foi testado em condições de 24 horas e oito horas em Bandung, na Indonésia. A temperatura inicial foi ajustada uniformemente em 298,15 K (25 ° C) em todo o domínio da solução, consistente com as condições de teste padrão (STC).
“Variações na espessura do canal de refrigeração dentro do filtro de radiação acima do módulo fotovoltaico revelam que o aumento da espessura do canal aumenta a taxa de fluxo do refrigerante acionada pela flutuabilidade, o que resulta em temperaturas operacionais mais baixas”, disseram os pesquisadores. “À medida que a espessura do canal de resfriamento aumenta, o incremento da taxa de fluxo do refrigerante diminui. O aumento da espessura do canal de refrigeração também aumenta a absorção da irradiância solar, diminuindo ainda mais as temperaturas das células fotovoltaicas, mas às custas da redução da energia de radiação disponível para a geração de eletricidade.”
Usando água pura no reservatório, o sistema alcançou sua maior eficiência de 15,45% com uma espessura de canal de resfriamento de 2 mm e sua menor eficiência de 14,48% a 20 mm. Com 5,3 ppm de água Ag, a eficiência atingiu o pico de 15,08% a 1 mm e caiu para 11,85% a 20 mm.
“Embora o nanofluido Ag-água resulte em uma temperatura mais baixa, a diferença de eficiência surge da transmissividade aumentada da água pura na faixa de comprimento de onda útil da célula fotovoltaica de silício cristalino (325 nm a 1125 nm), enquanto o nanofluido Ag-água absorve mais em 340 nm – 510 nm”, disseram os acadêmicos. “Portanto, reduzir a temperatura de operação por si só não garante maior eficiência, pois a transmissividade do fluido de resfriamento dentro da faixa de comprimento de onda útil também desempenha um papel crucial.”
Eles apresentaram seus resultados em “Efficiency improvement of floating photovoltaic panels with natural convection cooling loops: Multi-physics thermal modeling“, que foi publicado recentemente na Solar Energy. Além de cientistas da Universidade de Manchester, o grupo de pesquisa incluiu acadêmicos do Politeknik Negeri Semarang na Indonésia, do Instituto de Tecnologia Guangdong Technion-Israel na China e da Universidade Khalifa nos Emirados Árabes Unidos.
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