Estudo teórico-experimental de um sistema fotovoltaico acoplado a concentradores tipo V

Abstract

Foi estudado teórica e experimentalmente um sistema fotovoltaico acoplado a cavidades tipo V com rastreamento em torno de um eixo horizontal orientado na direção Norte-Sul. Para certas combinações da relação de concentração e ângulo do vértice, os concentradores tipo V possuem a propriedade de iluminar uniformemente a região absorvedora, característica que os torna particularmente aptos para trabalhar em conjunto com módulos fotovoltaicos. O trabalho analisa três aspectos: a) as propriedades óticas e radiantes das cavidades tipo V; b) a metodologia de projeto das cavidades e c) o desempenho de um protótipo experimental. Com relação às propriedades óticas, os raios incidentes, que atingem o absorvedor (radiação aceita) ou invertem o sentido de sua trajetória e retornam à abertura (radiação rejeitada), são categorizados de acordo com o número de reflexões que experimentam antes de atingir o absorvedor ou a abertura, respectivamente. Os raios assim classificados são denominados modos de reflexão. O estudo do seu comportamento permite derivar soluções analíticas para as propriedades óticas e radiantes da cavidade. Estas soluções possibilitam calcular: 1 ) a função de aceitação angular e a eficiência ótica para radiação direta, aceita e rejeitada; 2) a distribuição espacial e angular da densidade de fluxo na região do absorvedor e 3) os coeficientes de intercâmbio radiante para radiação difusa, aceita e rejeitada. Resultados numéricos para uma variedade de combinações da relação de concentração e ângulo do vértice são apresentados. A metodologia de projeto da cavidade é abordada a partir dos resultados do estudo anterior, que permitem definir o subconjunto de cavidades cuja iluminação na região do absorvedor é uniforme, determinar o intervalo angular para o qual isso se verifica e calcular suas propriedades óticas e radiantes. Essas informações conjuntamente com uma análise de custos permitem definir a cavidade que apresenta as melhores condições operacionais e relação de custo-benefício. Foi construído um protótipo de sistema fotovoltaico e realizados testes instantâneos de caracterização ótica e elétrica de seus componentes e testes operacionais do sistema. Os resultados experimentais confirmam o aumento esperado de 31% na coleção de energia solar, devido ao acompanhamento do movimento do Sol, e mostram um aumento de 51% na produção de energia elétrica diária do sistema com concentração em relação ao sistema sem concentração. O resultado combinado de ambos efeitos é um aumento da ordem de 100% na energia elétrica produzida, com relação a coletores fixos sem concentração. Os procedimentos desenvolvidos para analisar o sistema fotovoltaico permitem, do ponto de vista qualitativo, adquirir uma adequada compreensão dos processos de conversão de energia e, do ponto de vista quantitativo, estimar seu desempenho com boa exatidão. Os resultados teóricos e experimentais deste estudo podem ser de importância no desenvolvimento da engenharia de projeto, construção e teste de sistemas fotovoltaicos de médio e grande porte.

A theoretical and experimental study of a photovoltaic system coupled to V-trough cavities, tracking the sun around one axis1 N-S horizontal, has been undertaken. For certain combinations of concentration ratio and vertex angle, V-trough cavities can uniformly illuminate the flat absorber, property which makes those concentrators particularly suitable to work in conjunction with photovoltaic modules. The work studies three aspects of the problem: a) the optical and radiative properties of the V-trough cavities; b) their design procedure and c) the performance of an experimental prototype. Concerning the first item, the incident light rays are categorized according to the number of reflections undergone before reaching either the absorber (accepted radiation) or the aperture (light rays which experiment a path reversal toward rejection out of the cavity). These are referred to as reflection modes. The analyses of the reflections modes behavior enables to derive closed form analytic solutions for the optical and radiative properties of the V-trough cavities. Then it can be obtained 1) the angular acceptance function and optical efficiency for accepted and rejected beam radiation; 2) the spatial and angular flux distribution on the absorber region and 3) the radiative exchange coefficients for accepted and rejected diffuse radiation. Numerical results for various combinations of concentration ratio and vertex angle, are given. The design procedure of the cavity is closely related to the results derived in the previous study. They allow to identify the subclass of cavities with uniform illumination on the absorber, to determine the angular interval where this property holds and to calculate its optical and radiative properties. Together with a cost analyses it is possible to select the cavities that meet the best operational conditions and cost-benefit relation. A prototype of the photovoltaic system was built and the optical and electrical characteristics of the various system components, were determined through instantaneous tests. Long run, operational tests of the photovoltaic system were also done. The results confirm the expected increase of 31% in collected energy, due to sun tracking, and show a 51% of energy increase due to light concentration. The combined result of tracking and concentration yields an energetic gain of de arder of 100%, when compared with a fixed system with no concentration. The procedures developed to test and evaluate the photovoltaic system provide a good understanding of the energy conversion processes and enable to predict the system performance with good accuracy. The experimental and theoretical resulta of this study are relevant for the development of the engineering of design, building and test of medium and large size photovoltaic systems.