Grampos impressos em 3D para montagem fotovoltaica na superfície frontal em estantes de madeira

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Da pv magazine Global

Um grupo de pesquisadores da Universidade de Western Ontario, no Canadá, desenvolveu e testou mecanismos de montagem impressos em 3D para estantes de madeira de módulos fotovoltaicos. Os designs de código aberto, além de permitirem a fabricação distribuída, também são considerados mais baratos e têm menor energia incorporada e carbono incorporado em comparação com materiais de estantes convencionais.

“Os racks à base de madeira são especialmente apropriados para sistemas agrivoltaicos montados no solo, mas podem ser aplicados em qualquer lugar”, disse o autor correspondente, Uzair Jamil, à pv magazine.

Segundo o grupo de pesquisa, os racks de madeira também oferecem vantagens como facilidade de fabricação distribuída, menor custo por W de material e ausência de corrosão ou ferrugem. “O problema com as estantes de madeira é que elas não permitem as fixações padrão na superfície frontal, agora comuns entre os sistemas proprietários de estantes de alumínio. Pela primeira vez, este artigo apresenta novos grampos impressos em 3D para montagem de módulos solares na superfície frontal em estruturas de estantes de madeira”, afirmaram.

Os pesquisadores propuseram quatro tipos de mecanismos de montagem, que foram simulados usando o software Abaqus e com a análise de elementos finitos (FEA), comumente usada para resolver equações diferenciais que surgem em engenharia e modelagem matemática. Cada mecanismo foi simulado como sendo impresso usando um dos três materiais de impressão comuns: polietileno tereftalato glicol (PETG), acrilonitrila estireno acrilato (ASA) e policarbonato (PC).

Em todos os casos, o mecanismo de montagem foi projetado para suportar módulos de 410 W com dimensões de 1.880 mm x 1.042 mm x 40 mm e massa de 19,7 kg. Eles também foram projetados para usar parafusos de 127 mm de comprimento e diâmetro de 6,4 mm. Um orifício de 7 mm de largura é projetado em todas as peças impressas em 3D para acomodar o parafuso.

O primeiro mecanismo foi um grampo em forma de T, onde a barra em T repousa na estrutura do módulo fotovoltaico e prende o módulo à estrutura do rack. Neste caso, uma arruela plana é colocada entre o parafuso e os componentes impressos em 3D para evitar danos ao grampo. Outra proposta utilizou uma pinça em forma de U, que utiliza base própria para apoiar o módulo enquanto uma arruela quadrada segura o módulo pela parte superior.

Dimensões dos mecanismos de montagem. Imagem: University of Western Ontario, Energia Renovável, Licença Creative Commons CC BY 4.0

Os dois mecanismos a seguir eram espaçadores. No primeiro foi utilizado um espaçador quadrado com arruela quadrada para apoiar a movimentação dos módulos. No segundo, um espaçador em forma de H era auxiliado por duas arruelas quadradas que seguravam os módulos solares, enquanto o suporte agia como espaçador entre eles.

“Entre todos os projetos, a configuração do grampo em forma de T apresentou melhores resultados com tensão máxima na estrutura de alumínio (Al) de 34,27 MPa”, afirmaram os pesquisadores. “As maiores tensões foram observadas no espaçador em U para espaçador (4,53 MPa – material PC), parafuso (32,01 MPa – material PETG) e moldura (37,30 MPa) e para arruela no espaçador H (42,77 MPa). As tensões de Mises para todos os projetos, no entanto, estão dentro dos limites permitidos, qualificando a técnica de fixação a ser adotada para instalações futuras.”

Após os resultados da simulação, os acadêmicos imprimiram diversos mecanismos de montagem para garantir sua aplicabilidade em campo. “Todas as quatro braçadeiras foram relativamente fáceis de instalar”, enfatizaram. “Nenhum problema de instalação foi observado ao apertar o parafuso de fixação. Usar uma pré-perfuração antes de apertar o parafuso de fixação, no entanto, facilita a operação de aperto/aparafusamento.”

Além disso, o grupo fez uma análise econômica da produção, contabilizando os preços dos materiais utilizados nas peças impressas, consumo de energia, tempo de impressão, tarifas de energia elétrica, custo da arruela e custo dos parafusos.

“O custo das diferentes soluções apresentadas varia de CAD 1,50 (US$ 1,10) a CAD 3,83 para espaçador quadrado e braçadeira em forma de U, respectivamente”, disseram. “As soluções disponíveis no mercado são, em sua maioria, braçadeiras metálicas e, às vezes, até mais caras, variando de CAD 1,76/peça até CAD 4,50/peça. Isto representa uma economia de custos de 14,7% a 66% para os grampos de montagem.”

Os mecanismos propostos foram apresentados em “Distributed Manufacturing for Distributed Generation: 3-D Printed Solar Photovoltaic Module Mounting Mechanisms for Wood Racking”, publicado em Energia Renovável.

“Nosso grupo de pesquisa Free Appropriate Sustainability Technology (FAST) está atualmente trabalhando em módulos fotovoltaicos totalmente impressos em 3D. Também estamos buscando a oportunidade de fazer molduras impressas em 3D para PVs sem moldura”, disse Jamil.

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