Os cientistas afirmam que os sistemas fotovoltaicos em combinação com o resfriamento termoelétrico podem atingir um período de retorno de 6 anos

Uma equipe de pesquisadores da Universidade Central de Tecnologia da África do Sul desenvolveu um módulo solar que incorpora um sistema de resfriamento baseado em resfriador termoelétrico (TEC).

Os TECs podem converter calor em eletricidade através do “efeito Seebeck”, que ocorre quando uma diferença de temperatura entre dois semicondutores diferentes cria uma tensão entre as duas substâncias. Esses dispositivos são normalmente usados ​​em aplicações industriais para converter o excesso de calor em eletricidade. No entanto, devido ao seu alto custo e potência limitada, ainda não puderam ser utilizados em larga escala.

“O sistema PV-TEC proposto neste estudo consiste em um painel fotovoltaico com um dispositivo TEC acoplado na parte traseira, um dissipador de calor acoplado no lado oposto do dispositivo termoelétrico e um mecanismo de comutação”, explicam os cientistas. “O TEC é alimentado pelo painel fotovoltaico que supostamente resfria.”

O grupo realizou uma simulação numérica para avaliar o desempenho do sistema. Uma função de otimização também foi definida para maximizar o desempenho, tentando manter uma temperatura alvo entre 23 C e 27 C quando a temperatura da célula excede 25 C. O painel fotovoltaico usado na simulação tinha uma potência de 100 W, uma eficiência de 17,8 por cento. e um tamanho de 20.200 cm3. O TEC tinha corrente máxima de 6,1 A, tensão máxima de 17,2 V e tamanho de 6,08 cm3. O dissipador de calor tinha resistência térmica de 2,6 C/W e tamanho de 39,2 cm3.

“Dados meteorológicos de Bloemfontein, Estado Livre, África do Sul, foram usados ​​para o cenário estudado”, disseram os pesquisadores. “O conjunto de dados específico inclui irradiância horizontal difusa, difusa normal e global horizontal, bem como valores de temperatura ambiente que descrevem um dia típico de inverno em 17 de julho de 2021 e um dia de verão em 17 de janeiro de 2021.”

A operação do sistema foi analisada tanto para um dia de verão quanto para um dia de inverno, e seu desempenho foi comparado com o de um painel fotovoltaico de referência sem TEC e dissipador de calor. Nas condições simuladas de inverno, a temperatura da célula nunca excedeu 25 °C, portanto o TEC não estava ativo.   Portanto, uma temperatura de pico de 22,9 °C, uma potência constante de 86,9 W e uma produção total de energia de 363,47 Wh foram medidas tanto no PV-TEC quanto no caso de referência.

No verão, entretanto, o TEC foi usado e permitiu que o painel atingisse uma potência de pico de 104,1 W, em comparação com 94,4 W no caso de referência. A temperatura de pico no caso de referência foi de 36,1 C, enquanto o PV-TEC não excedeu 25 C. Uma eficiência energética de 603,60 Wh foi alcançada no caso TEC, em comparação com 547,65 Wh no caso de referência. “Os resultados do nosso modelo proposto mostram uma melhoria significativa na produção de energia, especialmente 9,27% no verão”, salientam os cientistas.

Com base nestes resultados, os investigadores realizaram uma análise económica com uma vida útil estimada de 20 anos para o PV e o PV-TEC e um aumento anual no preço da eletricidade de 10% e uma taxa de juro de 6%. Embora o preço inicial apenas do módulo solar de 100 W tenha sido considerado ZAR 1.235 (US$ 66,9), o custo total para o caso PV-TEC foi ZAR 1.562,77.

“O ponto de equilíbrio é alcançado relativamente cedo durante a vida operacional do projeto. Para ser mais preciso, ocorre aos 6,5 anos”, concluíram os cientistas. “A análise económica também mostrou poupanças de custos de ZAR 2.905,61, o que corresponde a uma poupança de 10,56 por cento ao longo de toda a vida útil do projecto, de 20 anos.”