Uma equipe de pesquisa liderada por cientistas da Universidade de Energia Elétrica do Nordeste da China investigou o impacto da perfuração da estrutura na redução da temperatura dos painéis fotovoltaicos usando resfriamento passivo a ar.
“Em comparação com estudos anteriores, a principal novidade deste estudo é a avaliação abrangente do efeito da perfuração da estrutura no desempenho de resfriamento passivo do ar, gerenciamento térmico e desempenho elétrico dos painéis fotovoltaicos”, explicou o grupo. “A análise detalhada do campo de fluxo de ar ao redor dos painéis fotovoltaicos e do campo de temperatura dos painéis fotovoltaicos é conduzida, e os efeitos de diferentes padrões de perfuração da estrutura e diferentes formas de furos nos desempenhos térmicos e elétricos dos painéis fotovoltaicos são comparados e discutidos. O principal objetivo deste artigo é fornecer uma referência para a pesquisa de tecnologia de resfriamento de ar passivo de painéis solares fotovoltaicos.”
A equipe de pesquisa investigou 17 projetos diferentes de perfuração de quadros usando simulações tridimensionais de dinâmica de fluidos computacional (CFD).
As simulações foram baseadas em um painel fotovoltaico de silício monocristalino (PV) medindo 52,8 cm × 32 cm × 1,05 cm. O painel consistia em uma estrutura de liga de alumínio (2,5 mm de espessura), uma camada de vidro (3,2 mm), uma camada de etileno-acetato de vinila (EVA) (0,5 mm), uma célula fotovoltaica (0,6 mm) e uma tabela (0,7 mm).
O domínio computacional foi um cubo medindo 0,8 m de cada lado, com altura de instalação de 0,4 m. A velocidade do vento de entrada foi fixada em 6,0 m/s. Os lados de barlavento e sotavento do painel mediam 52,8 cm, enquanto os lados esquerdo e direito tinham 32 cm. A irradiância solar incidente foi de 900 W/m².
Para validar seu modelo, os pesquisadores construíram uma configuração experimental usando um painel fotovoltaico de silício monocristalino menor com dimensões de 35 cm × 23,5 cm × 1,5 cm. O painel tinha uma potência nominal de 10 W e foi instalado em um ângulo de inclinação de 50°.
Os experimentos foram conduzidos na cidade de Jilin, no centro da China, e os resultados foram comparados com um modelo de simulação separado. A análise mostrou uma diferença média de temperatura entre os valores simulados e medidos de apenas 0,2267 °C, com um desvio máximo de um ponto de 0,4 °C.
Uma vez validado o modelo CFD, a equipe otimizou o ângulo de inclinação para resfriamento passivo, identificando 11° como o mais eficaz. Todas as simulações subsequentes dos casos de perfuração foram conduzidas nesta inclinação. Os 17 projetos de perfuração foram agrupados em quatro categorias com base no número de lados perfurados da estrutura: perfurações de um lado, dois lados, três lados e quatro lados.
Cada caixa apresentava perfurações circulares ou retangulares. Para painéis com perfurações de barlavento e sotavento, os furos circulares tinham um raio de 3 mm e eram espaçados 58,68 mm; Nos lados esquerdo e direito, os furos também tinham 3 mm de raio, mas espaçados de 64 mm. As perfurações retangulares mediam 4 mm × 100 mm com espaçamento de 107 mm e 5 mm × 70 mm com espaçamento de 60 mm, dependendo do lado.
“O caso 2 – com oito furos circulares de raio de 3,0 mm no lado de barlavento – alcançou a temperatura média mais baixa do painel fotovoltaico (39,37 ° C), a temperatura máxima mais baixa (42,63 ° C), a distribuição de temperatura de superfície mais uniforme, a maior potência de saída (24,18 W) e a maior eficiência de conversão fotoelétrica (15,9%)”, relataram os pesquisadores.
“Do ponto de vista da temperatura média do painel fotovoltaico, 13 dos projetos de perfuração de estrutura avaliados superaram a estrutura não perfurada (Caso 1)”, acrescentaram. Em comparação com o painel não perfurado, o design Case 2 reduziu a temperatura do painel em 5,44 °C. Em condições sem vento, a estrutura perfurada diminuiu a temperatura média em 37,8 °C e aumentou a eficiência de conversão fotoelétrica em 2,89%.
Apenas três experimentos de perfuração – Casos 3, 7 e 8 – tiveram desempenho inferior em relação ao painel não perfurado. A Caixa 3 apresentava orifícios circulares a sotavento, a Caixa 7 tinha orifícios retangulares a sotavento e a Caixa 8 tinha orifícios retangulares no lado esquerdo. “Ao contrário das suposições comuns, fazer mais furos na estrutura não melhora necessariamente o desempenho de resfriamento do painel fotovoltaico”, concluiu a equipe.
Seu trabalho foi apresentado em “Effect evaluation of frame perforation on reducing photovoltaic panel temperature with passive air cooling“, publicado em Case Studies in Thermal Engineering. Pesquisadores da Universidade de Energia Elétrica do Nordeste da China, do Grupo Shengu e da Universidade de Ciência e Tecnologia da China participaram do estudo.
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