Coletor solar híbrido térmico fotovoltaico - Photovoltaic thermal hybrid solar collector
1 - Vidro anti-reflexo
2 - Encapsulante (por exemplo, EVA )
3 - Células solares fotovoltaicas
4 - Encapsulante (por exemplo, EVA )
5 - Folha traseira ( por exemplo, PVF )
6 - Trocador de calor (por exemplo , alumínio , cobre ou polímeros )
7 - Isolamento térmico (por exemplo , lã mineral , poliuretano )
Coletores térmicos fotovoltaicos , normalmente abreviados como coletores PVT e também conhecidos como coletores solares híbridos, coletores solares térmicos fotovoltaicos, coletores PV / T ou sistemas de cogeração solar , são tecnologias de geração de energia que convertem a radiação solar em energia térmica e elétrica utilizável . Os coletores PVT combinam células solares fotovoltaicas , que convertem a luz do sol em eletricidade, com um coletor térmico solar , que transfere o calor residual não utilizado do módulo fotovoltaico para um fluido de transferência de calor. Ao combinar a geração de eletricidade e calor dentro do mesmo componente, essas tecnologias podem alcançar uma eficiência geral mais alta do que a energia solar fotovoltaica (PV) ou solar térmica (T) sozinha.
Uma pesquisa significativa foi feita no desenvolvimento de uma ampla gama de tecnologias PVT desde os anos 1970. As diferentes tecnologias de coletor PVT diferem substancialmente em seu projeto de coletor e fluido de transferência de calor e abordam diferentes aplicações que vão desde o calor de baixa temperatura abaixo do ambiente até o calor de alta temperatura acima de 100 ° C.
Mercados PVT
Os coletores PVT geram calor solar e eletricidade basicamente livre de emissões diretas de CO2 e, portanto, são considerados uma tecnologia verde promissora para fornecer eletricidade e calor renováveis para edifícios e processos industriais.
O calor é o maior uso final de energia . Em 2015, o fornecimento de aquecimento para uso em edifícios, fins industriais e outras aplicações representou cerca de 52% (205 EJ) do total de energia consumida. Destes, mais da metade foi utilizada na indústria e cerca de 46% na construção. Enquanto 72% do calor era fornecido pela combustão direta de combustíveis fósseis , apenas 7% era proveniente de fontes renováveis modernas , como energia solar térmica , biocombustível ou energia geotérmica . O mercado de aquecimento de baixo grau até 150 ° C é estimado em 26,8% da demanda mundial de energia final, que atualmente é atendida por combustíveis fósseis (gás, petróleo e carvão), eletricidade e calor renovável. Essa é a soma da demanda da indústria 7,1% (25,5 EJ) e da demanda predial 19,7% (49,0 EJ residenciais e 13,6 EJ comerciais ).
Espera-se que a demanda de eletricidade em edifícios e na indústria cresça ainda mais devido à eletrificação contínua e ao acoplamento do setor . Para uma redução significativa das emissões de gases de efeito estufa , é essencial que a maior parte da eletricidade seja proveniente de fontes de energia renováveis , como a energia eólica , solar , biomassa e hidráulica .
O mercado de calor e eletricidade renováveis é, portanto, vasto, ilustrando o potencial de mercado dos coletores PVT.
O relatório "Solar Heat Worldwide" avaliou o mercado global de coletores PVT em 2019. Segundo os autores, a área total de coletores instalados somou 1,16 milhão de metros quadrados. Os coletores de água descobertos tiveram a maior participação de mercado (55%), seguidos pelos coletores de ar (43%) e coletores de água cobertos (2%). O país com maior capacidade instalada foi a França (42%), seguida da Coréia do Sul (24%), China (11%) e Alemanha (10%).
Tecnologia de coletor PVT
Os coletores PVT combinam a geração de eletricidade solar e calor em um único componente e, assim, alcançam uma maior eficiência geral e melhor utilização do espectro solar do que os módulos fotovoltaicos convencionais.
As células fotovoltaicas normalmente atingem uma eficiência elétrica entre 15% e 20%, enquanto a maior parte do espectro solar (65% - 70%) é convertida em calor, aumentando a temperatura dos módulos fotovoltaicos. Os coletores PVT, ao contrário, são projetados para transferir calor das células PV para um fluido, resfriando as células e melhorando sua eficiência. Desta forma, este excesso de calor torna-se útil e pode ser utilizado para aquecer água ou como fonte de baixa temperatura para bombas de calor, por exemplo. Assim, os coletores PVT aproveitam melhor o espectro solar.
A maioria das células fotovoltaicas (por exemplo, à base de silício ) sofre uma queda na eficiência com o aumento da temperatura das células. Cada Kelvin de aumento da temperatura da célula reduz a eficiência em 0,2 - 0,5%. Portanto, a remoção de calor das células PV pode diminuir sua temperatura e, assim, aumentar a eficiência das células. A vida útil aprimorada das células fotovoltaicas é outro benefício das temperaturas de operação mais baixas.
Este é um método eficaz para maximizar a eficiência e confiabilidade total do sistema, mas faz com que o componente térmico tenha um desempenho inferior em comparação ao que pode ser obtido com um coletor térmico solar puro . Ou seja, as temperaturas máximas de operação para a maioria dos sistemas PVT são limitadas a menos do que a temperatura máxima da célula (normalmente abaixo de 100 ° C). No entanto, duas ou mais unidades de energia térmica ainda são geradas para cada unidade de energia elétrica, dependendo da eficiência da célula e do projeto do sistema.
Tipos de coletores PVT
Existem inúmeras possibilidades técnicas para combinar células fotovoltaicas e coletores solares térmicos . Vários coletores PVT estão disponíveis como produtos comerciais, que podem ser divididos nas seguintes categorias de acordo com seu projeto básico e fluido de transferência de calor :
- Coletor de líquido PVT
- Coletor de ar PVT
Além da classificação por fluido de transferência de calor , os coletores PVT também podem ser categorizados de acordo com a presença de uma vidraça secundária para reduzir as perdas de calor e a presença de um dispositivo para concentrar a irradiação solar :
- Coletor PVT descoberto (WISC PVT)
- Coletor PVT coberto
- Coletor concentrador de PVT (CPVT)
Além disso, os coletores PVT podem ser classificados de acordo com seu design, como tecnologia de célula , tipo de fluido , material e geometria do trocador de calor , tipo de contato entre o fluido e o módulo PV , fixação do trocador de calor ou nível de integração do edifício (PVT integrado ao edifício (Coletores BIPVT)).
O design e tipo de coletores PVT implicam sempre uma certa adaptação às temperaturas de operação , aplicações e priorizando a geração de calor ou eletricidade . Por exemplo, operar o coletor PVT em baixas temperaturas leva a um efeito de resfriamento das células fotovoltaicas em comparação com os módulos fotovoltaicos e, portanto, resulta em um aumento da energia elétrica. No entanto, o calor também deve ser utilizado em baixas temperaturas.
As temperaturas máximas de operação para a maioria dos módulos fotovoltaicos são limitadas a menos do que as temperaturas máximas de operação certificadas (normalmente 85 ° C). No entanto, duas ou mais unidades de energia térmica são geradas para cada unidade de energia elétrica, dependendo da eficiência da célula e do projeto do sistema.
Coletor de líquido PVT
O projeto básico resfriado a água usa canais para direcionar o fluxo de fluido usando tubulação conectada direta ou indiretamente à parte traseira de um módulo fotovoltaico. Em um sistema baseado em fluido padrão, um fluido de trabalho , normalmente água, glicol ou óleo mineral circula no trocador de calor atrás das células PV. O calor das células PV é conduzido através do metal e absorvido pelo fluido de trabalho (presumindo que o fluido de trabalho seja mais frio do que a temperatura de operação das células).
Coletor de ar PVT
O projeto básico resfriado a ar usa um invólucro oco e condutor para montar os painéis fotovoltaicos ou um fluxo controlado de ar para a face posterior do painel fotovoltaico. Os coletores de ar PVT aspiram ar fresco externo ou usam o ar como meio de transferência de calor circulante em um circuito fechado. O calor é irradiado dos painéis para o espaço fechado, onde o ar é circulado em um sistema HVAC do edifício para recapturar a energia térmica ou sobe e é ventilado do topo da estrutura. A capacidade de transferência de calor do ar é menor do que a dos líquidos normalmente usados e, portanto, requer uma taxa de fluxo de massa proporcionalmente maior do que um coletor de líquido PVT equivalente. A vantagem é que a infraestrutura necessária tem menor custo e complexidade.
O ar aquecido é circulado em um sistema HVAC predial para fornecer energia térmica . O excesso de calor gerado pode ser simplesmente liberado para a atmosfera. Algumas versões do coletor de ar PVT podem ser operadas de forma a resfriar os painéis fotovoltaicos para gerar mais eletricidade e auxiliar na redução dos efeitos térmicos na degradação do desempenho durante a vida útil.
Existem várias configurações diferentes de coletores de ar PVT, que variam em sofisticação de engenharia . As configurações do coletor de ar PVT variam de uma caixa de metal rasa fechada básica com uma entrada e exaustão até superfícies de transferência de calor otimizadas que alcançam uma transferência de calor de painel uniforme em uma ampla gama de condições de processo e ambiente.
Os coletores de ar PVT podem ser executados como projetos descobertos ou cobertos.
Coletor PVT descoberto (WISC)
Os coletores PVT descobertos, também designados como não vidrados ou coletores PVT sensíveis ao vento e / ou infravermelho (WISC), normalmente consistem em um módulo PV com uma estrutura de trocador de calor conectada à parte traseira do módulo PV. Enquanto a maioria dos coletores PVT são unidades pré-fabricadas, alguns produtos são oferecidos como trocadores de calor para serem adaptados para módulos fotovoltaicos prontos para uso. Em ambos os casos, um contato térmico bom e duradouro com um alto coeficiente de transferência de calor entre as células PV e o fluido é essencial.
A parte traseira do coletor PVT descoberto pode ser equipado com isolamento térmico (por exemplo, lã mineral ou espuma) para reduzir as perdas de calor do fluido aquecido. Os coletores PVT não isolados são benéficos para operação próxima e abaixo da temperatura ambiente . Coletores PVT particularmente descobertos com maior transferência de calor para o ar ambiente são uma fonte de calor adequada para sistemas de bomba de calor . Quando a temperatura na fonte da bomba de calor é inferior à ambiente, o fluido pode ser aquecido até a temperatura ambiente mesmo em períodos sem sol.
Assim, os coletores PVT descobertos podem ser categorizados em:
- Coletor PVT descoberto com maior transferência de calor para o ar ambiente
- Coletor PVT descoberto sem isolamento traseiro
- Coletor PVT descoberto com isolamento traseiro
Os coletores PVT descobertos também são usados para fornecer resfriamento renovável , dissipando o calor através do coletor PVT para o ar ambiente ou utilizando o efeito de resfriamento radiativo . Ao fazer isso, ar frio ou água são aproveitados, que podem ser utilizados para aplicações HVAC .
Coletor PVT coberto
Os coletores PVT cobertos ou envidraçados apresentam um envidraçamento adicional, que envolve uma camada de ar isolante entre o módulo fotovoltaico e o envidraçamento secundário. Isso reduz as perdas de calor e aumenta a eficiência térmica . Além disso, os coletores PVT cobertos podem atingir temperaturas significativamente mais altas do que os módulos PV ou coletores PVT descobertos . As temperaturas de operação dependem principalmente da temperatura do fluido de trabalho. A temperatura média do fluido pode estar entre 25 ° C em aplicações de piscina e 90 ° C em sistemas de resfriamento solar .
Os coletores PVT cobertos assemelham-se à forma e ao design dos coletores planos convencionais ou tubos de vácuo evacuados . No entanto, as células fotovoltaicas, em vez de revestimentos absorvedores espectralmente seletivos , absorvem a irradiância solar incidente e geram uma corrente elétrica além do calor solar .
As características de isolamento da tampa frontal aumentam a eficiência térmica e permitem temperaturas de operação mais altas. No entanto, as interfaces ópticas adicionais aumentam as reflexões ópticas e, assim, reduzem a energia elétrica gerada. Os revestimentos anti-reflexos no vidro frontal podem reduzir as perdas ópticas adicionais.
Concentrador PVT (CPVT)
Um sistema concentrador tem a vantagem de reduzir a quantidade de células fotovoltaicas necessárias. Portanto, é possível usar células fotovoltaicas mais caras e eficientes, por exemplo, células fotovoltaicas de multijunção . A concentração de luz solar também reduz a quantidade de área de absorção de PV quente e, portanto, reduz as perdas de calor para o ambiente, o que melhora significativamente a eficiência para temperaturas de aplicação mais altas.
Os sistemas concentradores também requerem frequentemente sistemas de controle confiáveis para rastrear com precisão o sol e proteger as células fotovoltaicas de condições prejudiciais de superaquecimento. No entanto, também existem tipos de coletores PVT estacionários que usam refletores sem imagem , como o Concentrador Parabólico Composto (CPC) , e não precisam rastrear o sol.
Em condições ideais, cerca de 75% da energia solar diretamente incidente sobre tais sistemas pode ser coletada como eletricidade e calor a temperaturas de até 160 ° C. Unidades CPVT que são acopladas com armazenamento de energia térmica e geradores de ciclo Rankine orgânico podem fornecer recuperação sob demanda de até 70% de sua geração de eletricidade instantânea e podem, portanto, ser uma alternativa bastante eficiente para os tipos de armazenamento elétrico que são combinados com os tradicionais Sistemas fotovoltaicos.
Uma limitação dos sistemas de alto concentrador (ou seja, HCPV e HCPVT) é que eles mantêm suas vantagens de longo prazo sobre os coletores convencionais de c-Si / mc-Si apenas em regiões que permanecem consistentemente livres de contaminantes de aerossol atmosférico (por exemplo, nuvens claras, poluição, etc.). A produção de energia é rapidamente degradada porque 1) a radiação é refletida e espalhada fora do pequeno (muitas vezes inferior a 1 ° -2 °) ângulo de aceitação da óptica de coleta e 2) a absorção de componentes específicos do espectro solar causa uma ou mais séries junções dentro das células de multi-junção para baixo desempenho. Os impactos de curto prazo de tais irregularidades na geração de energia podem ser reduzidos em algum grau com a inclusão de armazenamento elétrico e térmico no sistema.
Aplicações PVT
A gama de aplicações dos coletores PVT e, em geral , dos coletores solares térmicos , pode ser dividida de acordo com seus níveis de temperatura :
- aplicações de baixa temperatura até 50 ° C
- aplicações de média temperatura até 80 ° C
- aplicações de alta temperatura acima de 80 ° C
Consequentemente, as tecnologias de coletor PVT podem ser agrupadas em relação aos seus níveis de temperatura: a adequação por faixa de temperatura depende do projeto e da tecnologia do coletor PVT. Portanto, cada tecnologia de coletor PVT apresenta diferentes faixas de temperatura ideal. A temperatura operacional define, em última análise, qual tipo de coletor PVT é adequado para cada aplicação.
As aplicações de baixa temperatura incluem sistemas de bomba de calor e aquecimento de piscinas ou spas até 50 ° C. Os coletores PVT em sistemas de bomba de calor atuam como fonte de baixa temperatura para o evaporador da bomba de calor ou no lado da carga para fornecer calor de média temperatura a um tanque de armazenamento . Além disso, a regeneração de poços e trocadores de calor de fonte no solo é possível. Os coletores PVT descobertos com troca de calor ar-água aprimorada podem até ser a única fonte de um sistema de bomba de calor. Em combinação com uma arquitetura de sistema que permite armazenar o frio produzido com WISC ou coletores de ar, o ar condicionado também é possível.
As aplicações de baixa e média temperatura para aquecimento de ambientes e aquecimento de água são encontradas em edifícios, com temperaturas de 20 ° C a 80 ° C. As temperaturas do sistema específico dependem dos requisitos do sistema de fornecimento de calor para água quente sanitária (por exemplo, estação de água doce, requisitos de temperatura para prevenção de legionella ) e para aquecimento ambiente (por exemplo, piso radiante , radiadores ). Além disso, a matriz de coletor PVT pode ser dimensionada para cobrir apenas frações menores da demanda de calor (por exemplo, pré-aquecimento de água quente), reduzindo assim as temperaturas de operação do coletor PVT.
O calor de processo solar inclui uma ampla gama de aplicações industriais com requisitos de baixa a alta temperatura (por exemplo , dessalinização solar de água , resfriamento solar ou geração de energia com coletores PVT de concentração).
Dependendo do tipo de fluido de transferência de calor , as tecnologias de coletor PVT são adequadas para várias aplicações:
- Coletor de ar PVT: sistemas de aquecimento ambiente, processos agrícolas (por exemplo, secagem de safras );
- Coletor de líquido PVT: aquecimento ambiente (doméstico, industrial), sistemas de aquecimento de água , dessalinização de água , refrigeração ambiente , sistemas de processamento de alimentos.
As tecnologias PVT podem trazer uma contribuição valiosa para a matriz energética mundial e podem ser consideradas como uma opção para aplicações que fornecem eletricidade renovável , calor ou frio .