As fontes de energia primárias renováveis tendem cada vez mais a serem utilizadas na obtenção de energia para consumo, em detrimento das fontes de origem não renovável. Esta situação deve-se sobretudo à escassez e poluição provocada pelas fontes não renováveis comparativamente com as renováveis, que se consideram inesgotáveis e não poluentes.
A energia proveniente do sol, a energia solar, é uma das fontes de energia consideradas renováveis, donde se podem obter, através de dispositivos de conversão, as energias elétrica e térmica.
Nesta tese é avaliado, numérica e experimentalmente, o comportamento de um coletor solar híbrido, denominado termo-fotovoltaico (PVT) e que produz simultaneamente calor e eletricidade. A estrutura do coletor estudado é composta por uma cobertura de vidro, células solares, tubos, placa absorvedora e isolamento térmico.
O potencial deste tipo de coletores é reconhecido desde a década de 70 do século passado e o interesse na sua investigação tem vindo a aumentar desde a década de 90 do mesmo século. Na análise da evolução deste equipamento solar, estudaram-se as diferentes configurações e fluidos de transferência térmica.
O presente estudo assenta, inicialmente, na avaliação experimental do comportamento global do coletor híbrido solar PVT e na sua simulação, na perspetiva da otimização do seu desempenho.
Foi usado neste estudo um coletor disponível comercialmente, suportado pela instalação de sistemas elétricos e térmicos, o qual foi devidamente instrumentado de forma a poder obter-se dados climáticos (irradiância solar incidente, temperatura ambiente e velocidade do vento), o caudal mássico do fluido térmico, temperaturas em vários pontos de interesse no equipamento, a tensão e a corrente elétricas. O grau de detalhe do estudo desenvolvido, como por exemplo a aquisição de dados ao segundo, é um fator diferenciador em comparação com outros estudos.
Foi desenvolvido um modelo matemático do coletor, baseado nos balanços dos fluxos de energia térmica (modelo térmico) dos seus diferentes componentes e do circuito equivalente da célula solar (modelo elétrico). Este modelo permite, não apenas o cálculo da produção de eletricidade e calor, como também o conhecimento do comportamento geral do coletor, sob diferentes condições ambientais e operacionais. O modelo foi validado com dados experimentais, podendo considerar-se que é uma ferramenta confiável para o estudo do comportamento de PVTs em estruturas semelhantes ao deste trabalho.
Neste trabalho é avaliado o efeito de vários fatores no rendimento do coletor, nomeadamente o caudal mássico, a radiação solar, a temperatura do fluido térmico, a temperatura das células solares e a temperatura ambiente. Verificou-se que o rendimento aumenta, até um certo valor, com o caudal mássico e com a radiação solar incidente e é prejudicado pelo aumento da temperatura do fluido e da temperatura das células solares.
Os resultados observados neste trabalho podem revelar-se vantajosos para a indústria, pois poderão ter interesse para os construtores deste tipo de equipamento solar, ao fornecer informação que permite a otimização do coletor híbrido. Para além disso, o facto de haver benefícios ambientais, decorrentes do seu uso, representa informação relevante para as entidades certificadoras e futuros utilizadores.The use of primary renewable energy sources is trending upwards, to the detriment of non-renewable sources, in generating useful energy for consumption. This situation is mainly due to the scarcity of, and pollution caused by non-renewable sources when compared to renewable sources, which are considered inexhaustible and non-polluting.
The energy captured from the sun, solar energy, is one of those considered as renewable, from which electrical and thermal energy can be obtained through conversion devices.
In this thesis, the performance of a hybrid solar collector, called photovoltaic-thermal (PVT) that simultaneously produces heat and electricity, is evaluated through experimental and numerical tests. The structure of the collector under study is composed of a glass cover, solar cells, tubes, absorber plate and thermal insulation.
The potential of this type of collector has been recognized since the 70s of the last century, and the interest in its research has been increasing since the 90s of the same century. Different configurations and heat transfer fluids were studied throughout the analysis of the evolution of this solar equipment.
The present study is initially based on the experimental evaluation of the global performance of the hybrid solar collector PVT and by its simulation, with the aim of optimizing its performance.
A commercial collector was used in the study, supported by an electrical and thermal systems infrastructure, which was properly instrumented in order to obtain climatic data (incident solar radiation, ambient temperature and wind speed), the mass flow rate of the thermal fluid, temperatures at various points of interest in the equipment, voltage, and current. The degree of detail of the study developed herein, such as data acquisition rate, is a differentiating factor in comparison to other studies.
A mathematical model of the collector was developed, based on the energy balances (thermal model) of its different components, and on the equivalent circuit of the solar cell (electrical model). This model not only allows for the calculation of electricity and heat production, but also for understanding the general behavior of the collector, under different environmental and operational conditions. The model was validated through experimental data, and it can be considered a reliable tool for studying the performance of PVTs with structures similar to the one researched herein.
In this thesis, the effect of several factors on the efficiency of the collector is evaluated, namely the mass flow rate, the solar radiation, the temperature of the thermal fluid, the temperature of the solar cells, and the ambient temperature. It was found that the efficiency increases, up to a certain value, together with the mass flow rate and with incident solar radiation, and it decreases with the increase in the fluid temperature and in the temperature of the solar cells.
The results observed in this work may prove to be advantageous for the industry, as they may be of interest to manufacturers of this type of solar equipment, by providing information that allows for the optimization of the hybrid collector. Furthermore, the fact that there are environmental benefits in the use of these collectors represents relevant information for certifying entities and future users
