62ª Reunião Anual da SBPC

B. Engenharias - 1. Engenharia - 14. Engenharia

SISTEMA HÍBRIDO DE GERAҪÃO FOTOVOLTAICA E AQUECIMENTO DE ÁGUA

Arthur Vieira de Oliveira 1 Newton Cesário Frateschi 2

1. Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas/Unicamp 2. Departamento de Física Aplicada, Instituto de Física Gleb Wataghin, Unicamp

INTRODUÇÃO:

A busca de utilização de energia renovável é cada vez mais intensa, onde, dentre estas energias, a energia solar é a que mais se destaca. As suas principais utilizações são aquecimento de fluidos (geralmente água) em coletores solares e geração fotovoltaica em células solares. Nosso trabalho visa à criação de um sistema híbrido de utilização de energia solar, com geração fotovoltaica e aquecimento de água, formado basicamente por um módulo de células solares fotovoltaicas e por um coletor solar térmico. A idéia de utilizar a reflexão de um espelho para aumentar a temperatura da água em um aquecedor solar já é conhecida, e também se sabe que quanto menor a temperatura de uma célula solar maior é sua eficiência. A junção destes dois conhecimentos forma o alicerce deste projeto. Enquanto a água fria que circula no sistema resfria as células solares (aumentando sua eficiência), estas mesmas células refletem radiação infravermelha não aproveitada por elas para o coletor, aumentando a irradiação sobre a água a ser aquecida.

METODOLOGIA:

Teste da refletividade do módulo de células solares com o espectrofotômetro Perkin Elmer, modelo Lambda 9. Uma amostra retirada de um módulo solar comercial foi colocada à prova para analisarmos o espectro de reflexão. Desenvolvimento do modelo matemático para um coletor solar. Através de equações de balanço de energia, foi possível alcançar expressões matemáticas fundamentais para análise do desempenho do sistema em estudo. Caracterização de uma célula solar para diferentes temperaturas. Uma célula solar fabricada em nosso laboratório foi submetida a um experimento onde curvas IxV (corrente por tensão) a diferentes temperaturas foram obtidas. Este teste permitiu mostrar a eficiência da conversão fotovoltaica em função da temperatura da célula. Construção do coletor térmico e do boiler. Foi fabricado um prótotipo do sistema em desenvolvimento para realização de teste para análise de sua eficiência. Este protótipo se baseia no coletor térmico atuando em conjunto com um módulo de células solares comercial. Realização dos testes com o protótipo e construção do layout do sistema híbrido. Os testes foram realizados com o auxílio de uma lâmpada incandescente como a fonte de calor e de um termômetro digital. Após estes testes, foi possível a montagem do novo sistema híbrido.

RESULTADOS:

O teste da refletividade do módulo foi um dos grandes passos do projeto, pois a partir dele pudemos perceber que as células solares refletem a radiação infravermelha, que pode ser usada para auxiliar o aquecimento da água no coletor. O teste da célula solar em diferentes temperaturas mostrou que o aumento de sua temperatura implica em uma queda linear significativa de sua eficiência (a célula solar, após um aumento de temepratura de 20°C para 50°C, perdeu aproximadamente 15% de eficiência). Assim, foi realçada a importância na utilização de um sistema de resfriamento sobre o módulo. O teste com o prótotipo do sistema apresentou resultados favoráveis ao sistema. Foram experimentadas três situações: a lâmpada iluminando o coletor, como se fosse o Sol; o coletor com o auxílio de um espelho (um "refletor perfeito"); e o coletor com o auxílio da reflexão do módulo. Com as equações de energia desenvolvidas, foi possível ver que o espelho aumenta a irradiação sobre o coletor 20,8% a mais que a irradiação sozinha da lâmpada, enquanto o módulo aumenta 12,3%.

CONCLUSÃO:

Com estes resultados, podemos ver que a idéia de montar um sistema híbrido com geração fotovoltaica e aquecimento de água é bastante razoável. A intensa queda de eficiência da célula com a temperatura pode ser revertida com um sistema de resfriamento. Reciprocamente, este resfriamento auxiliaria em um pré-aquecimento da água antes de entrar no coletor. Enfim, com o teste da reflexão do módulo em comparação com um refletor perfeito, podemos ver que as células solares aumentam significativamente a radiação que incide sobre o módulo. Assim, o aumento da temperatura máxima que a água pode atingir no aquecimento também possui um valor considerável. A continuidade do trabalho deve ser a criação de um sistema eletrônico de deslocamento que busca a melhor posição do sistema em relação ao Sol, de forma que a eficiência global do sistema é maximizada.

Instituição de Fomento: Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq

Palavras-chave: Sistema híbrido, Aquecimento, Célula solar.