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Monitoramento em campo de coletor FV/T para uma piscina descoberta

 

Laetitia Brottier (DualSun e Universidade de Paris Saclay) e Rachid Bennacer (Universidade de Paris Saclay - França)

Coletores solares híbridos fotovoltaicos/termossolares (FV/T) têm potencial para assumir posição de destaque no segmento de energias renováveis, mas uma das principais barreiras é a falta de registros em termos de confiabilidade e desempenho. Aqui, apresenta-se um estudo do desempenho energético de um coletor FV/T em uma piscina descoberta.

O estudo monitorou o sistema instalado em uma piscina ao ar livre próxima à cidade de Genebra (Suíça), equipada com um módulo coletor FV/T não vitrificado que possui 1,64 m² de área e potências de 250 Wp e 912 Wth. Para a piscina descoberta de 3000 m³ com demanda de água quente de 8000 1/dia, a instalação de 300 m² de coletores PV/T produziu 55 MWh de energia térmica, entre meados de maio e setembro, e 52 MWh anuais de energia fotovoltaica. Esse desempenho foi superior ao previsto pela análise com o software TRNSYS, como se verá.

A tecnologia de coletores híbridos FV/T não é nova. Já em 1978, Kern e Russell publicaram um relatório para o MIT a respeito [1]. Esses equipamentos foram otimizados ao longo dos anos e, em 2003, Zondag et al. [2] apresentaram uma ampla revisão sobre possíveis arquiteturas de coletores. Desde os anos 2000 esses coletores têm sido lançados comercialmente, e a princípio alguns fabricantes subestimaram as dificuldades tecnológicas. Porém, na década de 2010 os produtos comerciais tornaram-se mais confiáveis. Em fins de 2013, a norma ISO 9806 [3] propôs um método de ensaio para aferir a confiabilidade e o desempenho de coletores híbridos.

Revisões mais recentes da tecnologia FV/T foram realizadas por Zhang et al. (2012) [4], Good et al. (2015) [5], Wu et al. (2016) [6] e Das et al. (2018) [7]. Com a queda de preços dos sistemas fotovoltaicos, a competividade da solução híbrida tornou-se ainda mais óbvia. Contudo, Dupeyrat et al. [8] observaram em 2014 que apenas poucos estudos com abordagem global do sistema e dados de campo confirmaram a aplicação competitiva dessa tecnologia. Este artigo pretende contribuir com dados de coletores FV/T aplicados no aquecimento de uma piscina descoberta.

Características dos módulos FV/T

O módulo FV/T considerado neste estudo baseia-se no projeto de coletor plano não vitrificado, descrito nas referidas revisões. Ele mede 1677 x 990 x 40 mm e contém 60 células fotovoltaicas monocristalinas uma potência para nominal de 250 Wp (perda de potência de -0,44%/°C). Os parâmetros térmicos (no = 57,8%; b, 0,028 s/m; b, = 1842 W.s/K/m³) foram determinados por meio de ensaios efetuados no laboratório da TÜV Renânia, conforme regulamentos de certificação (ISO 9806:2013) da Solar Keymark. As características elétricas e térmicas estão detalhadas na tabela I.

Apresentação do ensaio de campo

Piscinas cobertas acopladas a coletores FV/T já foram estudadas por Buonomano et al. [9], mas poucos trabalhos experimentais confirmaram o desempenho previsto em instalações reais, como realizado neste estudo para uma piscina descoberta. A fim de verificar a confiabilidade e o desempenho in-situ de piscinas descobertas equipadas com o módulo solar híbrido FV/T, foi monitorada uma instalação próxima a Genebra, no sul da Suíça (lat./long. 46,2/6,1), provida de 187 módulos FV/T (figura 1), de junho 2017 a junho 2018. Os módulos FV/T são conectados a trocadores de calor e são utilizados para pré-aquecer a água das duchas e aquecer a piscina. Para monitorar o sistema, calorímetros Calec Aquametro foram colocados na frente dos trocadores de calor (coleta de dados médios a cada quatro dias). Os principais parâmetros da instalação solar constam da tabela II.

 

 

 

 

A energia solar térmica destina-se:

1) ao pré-aquecimento de água quentes para duchas, se a temperatura do painel for 5°C mais alta que a base do tanque sanitário; ou 2) à piscina, se essa temperatura for superior a 30°C.

 

 

 

 

 

 

Analise TRNSYS e resultados do ensaio de campo

A figura 2 representa um esquema simplificado do sistema hidráulico. Foi executada uma modelagem TRNSYS, cujo diagrama é mostrado na figura 3. [Nota do editor – TRNSYS é um software comumente utilizado para simulações no campo de energias renováveis, desenvolvido pela Universidade de Wisconsin. ]

O desempenho de produção dos sistemas fotovoltaico e termossolar para suprimento da demanda de água quente estão de fato próximos às previsões para a temporada (meados de maio a meados de setembro), respectivamente com uma produção de 102% e 106% do resultado da simulação, como mostra a figura 4. Nesta figura, o aquecimento solar real na piscina não é mostrado pois esse monitoramento ainda não estava em operação quando da redação deste artigo, estando previsto para futuro próximo.

O custo da instalação foi de aproximadamente € 205 mil, excluídos subsídios, para geração de 52 MWh de eletricidade e 55 MWh de geração termossolar por ano. [Nota do editor – No caso da geração termossolar, “ano" restringe-se à temporada de verão, maio a setembro no local do estudo]. Isto significa um custo de energia de € 9,6 cts/kWh, assumindo uma produção estável por 20 anos, desconsiderados a inflação e os custos de manutenção.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Conclusão

Os 300 m² de painéis FV/T suprem 30% da energia para a demanda de 8000 l/dia das duchas e 30% do aquecimento para a piscina descoberta de 3000 m², durante quatro meses do ano, além de 52 MWh de energia fotovoltaica. Os resultados medidos dos painéis FV/T fotovoltaicos e termossolares são muito próximos e até ligeiramente superiores (+2% e +6%. Respectivamente) aos previstos no modelo TRNSYS.

O custo da energia com essa solução híbrida para uma piscina descoberta já está em torno de € 10 cts/kWh, e continuará em declínio, tornando-se competitivo sem subsídios dentro de poucos anos.

Referências



Publicado em 13 de outubro de 2020 / FotoVolt


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