Transferência de calor por convecção natural e mista em sistemas fotovoltaicos : estudo do comportamento térmico e desempenho do sistema

Abstract

Esse trabalho avaliou o funcionamento de módulos fotovoltaicos levando em consideração o balanço térmico e o funcionamento elétrico. No balanço térmico foram analisadas as formas de transferência de calor como irradiância e convecção natural, mista e forçada. O problema clássico das placas inclinadas planas foi revisitado para entender o comportamento do módulo fotovoltaico e as correlações existentes utilizando números adimensionais como Grashof (Gr), Prandlt (Pr), Rayleigh (Ra), Reynolds (Re), Richardson (Ri) e Nusselt (Nu). Para isso foram desenvolvidos: bancadas experimentais, simulação numérica e o modelo matemático. A princípio, na convecção natural foram comparados os resultados de simulação numérica e uma bancada experimental 1. Posteriormente, houve a realização de novos experimentos em uma segunda bancada aprimorada e seus resultados foram comparados a um sistema fotovoltaico em operação. Os experimentos de pequena escala obtiveram uma estimativa adequada quando comparados a correlações empíricas clássicas disponíveis na literatura e com relação a simulação numérica. Os dados da bancada aprimorada apresentaram uma correlação R=0,9 com o sistema instalado, sugerindo sua capacidade de prever o comportamento do desempenho térmico do sistema. Além disso, foi desenvolvido um modelo matemático para o comportamento de módulos solares fotovoltaicos, envolvendo uma descrição detalhada do processo fotônico de conversão de energia bem como do balanço térmico e suas trocas com o ambiente. Este modelo proporciona uma estimativa precisa da temperatura do módulo, em face às condições de radiação solar incidente e climatológicas ao longo do dia. Uma avaliação de sensibilidade de parâmetros é apresentada, bem como os resultados do comportamento em diferentes condições de operação do módulo, variando-se condições de irradiância e demais parâmetros operacionais típicos para a região de Brasília. Como resultados do trabalho está o desenvolvimento de simulações numéricas e do método experimental com resultados capazes de prever o desempenho térmico por convecção de uma usina em operação. O desenvolvimento de um modelo linearizado com potencial de previsão da temperatura dos módulos e estimativas de erro da temperatura e da potência associados a variação dos coeficientes de transferência de calor por convecção para melhoria das estimativas de geração de usinas fotovoltaicas através da estimativa do erro.