Resfriamento por aspersão para painéis fotovoltaicos flutuantes

Uma equipe de pesquisa na Alemanha desenvolveu um modelo dinâmico de resfriamento por aspersão para sistemas fotovoltaicos flutuantes que acopla o comportamento térmico, o desempenho elétrico e o resfriamento ativo, e o validou em uma instalação de 750 kW. Simulações em quatro climas diferentes mostraram que o resfriamento por aspersão reduz a temperatura dos módulos em até 42% e melhora a produção de energia em até 3,8%, com benefícios fortemente dependentes das condições locais.

Sistema de resfriamento por aspersão virtual com 4 unidades de bomba-aspersão instaladas em uma planta FPV.

Pesquisadores da Universidade de Ciências Aplicadas FH Aachen, na Alemanha, desenvolveram um novo modelo dinâmico de resfriamento por aspersão para sistemas fotovoltaicos flutuantes (FPV).

“Este trabalho adota uma perspectiva sistêmica sobre o resfriamento por aspersão para sistemas fotovoltaicos flutuantes. Embora o resfriamento em si não seja novidade, o foco aqui é um sistema de aspersão muito simples e de baixo custo que poderia ser implementado na prática”, disse o autor correspondente Nico Oellers à pv magazine. “Ele combina modelagem dinâmica detalhada com validação e aplica o conceito a diferentes climas, mostrando o quanto o desempenho e a operação ideal dependem da localização”.

Ele acrescentou que, além do resfriamento, o resfriamento por aspersão também pode ser útil para limpeza, prevenção de neve e proteção contra incêndios em veículos aéreos flutuantes. “Também planejamos testes de longo prazo em grande escala para validar os resultados e investigar outros casos de uso e efeitos ambientais, incluindo impactos no ecossistema do lago e na evaporação”, acrescentou.

O modelo dinâmico criado pela equipe integra o comportamento térmico, o desempenho elétrico e o resfriamento ativo de sistemas fotovoltaicos flutuantes. Ele utiliza diversos dados meteorológicos como entradas e calcula o aquecimento solar, o resfriamento convectivo e radiativo, bem como os efeitos de evaporação e condensação para determinar a temperatura do módulo. Essa temperatura é então inserida em um modelo elétrico, no qual a eficiência diminui com o aumento da temperatura.

Quando um limite de temperatura definido é ultrapassado, o método ativa um modelo de resfriamento por aspersão. Este modelo quantifica os efeitos da remoção de calor sensível e latente pelas gotículas de água que incidem sobre o módulo fotovoltaico, contabilizando simultaneamente o consumo de eletricidade da bomba de água. Em última análise, ele avalia o impacto energético líquido do resfriamento sob diferentes condições climáticas e cenários de operação.

Esquema do sistema de resfriamento por aspersão. Imagem: Solar-Institut Jülich (SIJ) da FH Aachen University of Applied Sciences, Energia Solar, CC BY 4.0

Para validar o modelo, a equipe comparou seus resultados com medições de uma instalação fotovoltaica flutuante real em um reservatório de água em Weeze, no noroeste da Alemanha. O sistema tem uma capacidade total de aproximadamente 750 kW e utiliza módulos de 395 W com uma eficiência de 19,5%. Um sistema de resfriamento por aspersão foi instalado em uma seção limitada da usina em sua área central, onde os módulos estão dispostos em orientações leste e oeste. A instalação consistia em uma bomba submersível de 2,2 kW conectada a um aspersor agrícola operando a 2,3 bar, com um jato de 23 m de comprimento e uma vazão de 10,4 m³/h.

O modelo apresentou forte concordância com os resultados experimentais, com um desvio absoluto médio de 0,98 °C. Simulações anuais subsequentes foram realizadas para quatro lagos com climas distintos: o Lago Kinneret em Israel, o Lago de Garda na Itália, o Lago Tahoe nos EUA e toda a instalação Weeze.

“Em todos os locais, o resfriamento por aspersão reduziu substancialmente as temperaturas dos módulos, com reduções médias anuais variando de 12% a 22% e reduções de temperatura máxima de até 42%”, enfatizaram os pesquisadores.

Eles também descobriram que a magnitude do efeito de resfriamento e o consequente ganho de energia dependiam fortemente das condições climáticas, com o maior ganho relativo de energia, de 3,8%, sendo obtido no Lago Kinneret. Em contraste, os climas mais frios do Lago de Garda e do Lago Tahoe produziram ganhos relativos menores, de 2,7% a 3,1%, apesar das temperaturas médias mais baixas dos módulos, enquanto o local temperado de Weeze apresentou o menor efeito, de 1,9%.

Sistema fotovoltaico flutuante offshore que resiste às maiores ondas artificiais do mundo.

A unidade de testes Delta Flume está localizada no Instituto de Pesquisa Deltares, nos arredores da cidade de Delft, Holanda.

Os resultados da pesquisa foram apresentados em “Dynamic modeling of spray cooling for floating photovoltaics with application to different climates”, publicado na revista Solar Energy. (pv-magazine-brasil)