BTE Solar: Uma análise comparativa de sistemas PVT com sistemas fotovoltaicos e solares térmicos tradicionais

No contexto da actual transição energética global, a energia solar, como forma de energia mais limpa e renovável, está a integrar-se rapidamente na produção e na vida da sociedade humana. As principais formas de utilização da energia solar incluem a geração de energia fotovoltaica (FV) e a utilização solar térmica (ST). A primeira converte diretamente a radiação solar em energia elétrica através do efeito fotoelétrico, enquanto a segunda absorve a radiação solar através de coletores e converte-a em energia térmica. É frequentemente utilizada para aquecimento de água residencial, aquecimento ou aquecimento industrial. Nos últimos anos, uma nova tecnologia que combina as vantagens de ambas – a integração fotovoltaica e solar térmica (PVT) – ganhou gradualmente destaque e demonstrou um valor único na investigação e aplicações comerciais. Este artigo irá comparar o sistema PVT com os sistemas fotovoltaicos e solares térmicos tradicionais sob diversas perspetivas e explorar as suas vantagens e desvantagens.

I. Comparação da composição do sistema e princípio de funcionamento

Sistema Fotovoltaico (FV)

O núcleo de um sistema fotovoltaico é o módulo de célula solar, cujos materiais comuns são o silício cristalino ou células de película fina. Quando a luz solar incide sobre a superfície da bateria, os fotões excitam os eletrões no material semicondutor para formar uma corrente elétrica, que é depois convertida em corrente alternada através de um inversor para fornecer energia às casas ou à rede elétrica. A estrutura do sistema fotovoltaico é relativamente simples e a sua principal função é gerar eletricidade.

2. Sistema Solar Térmico (ST)

O sistema solar térmico consiste principalmente em coletores de placa plana ou coletores de tubo de vácuo. Após a exposição à luz solar, a placa absorvedora converte a energia em calor, que é transferido para o depósito de armazenamento de água quente através do meio de trabalho (água ou anticongelante) para fornecimento de água quente ou aquecimento. A capacidade de geração de energia do sistema ST é quase nula, mas a sua eficiência térmica pode geralmente atingir 40% a 70%.

3. Sistema Integrado Fotovoltaico e Solar Térmico (PVT)

O sistema PVT combina módulos fotovoltaicos com coletores, recolhendo a energia térmica do calor residual na parte traseira dos painéis fotovoltaicos e gerando eletricidade. Isto não só evita a queda de eficiência das células fotovoltaicas causada pelas altas temperaturas, como também melhora a eficiência energética global por unidade de área. O seu conceito central é "uma placa que gera eletricidade e calor simultaneamente".

Ii. Comparação da eficiência energética e desempenho

1. Eficiência fotoelétrica

Para um sistema fotovoltaico simples, a eficiência de conversão fotoelétrica dos componentes comuns situa-se entre os 18% e os 22%. Um aumento da temperatura levará a uma diminuição da eficiência. Por cada aumento de 1°C na temperatura, a potência média de saída dos painéis fotovoltaicos desce de 0,3% a 0,5%. Portanto, em regiões quentes, o problema da dissipação de calor na parte traseira dos painéis fotovoltaicos é mais evidente.

O sistema PVT mantém uma eficiência de geração de energia mais estável, arrefecendo os módulos fotovoltaicos para reduzir a sua temperatura de funcionamento. Pesquisas mostram que, nas mesmas condições ambientais, a geração de energia do PVT pode ser aumentada em 5% a 15% em comparação com os sistemas fotovoltaicos tradicionais.

2. Eficiência energética térmica

A vantagem do sistema solar térmico reside na sua elevada eficiência térmica. A eficiência dos coletores planos é de aproximadamente 50% a 70% a temperaturas médias e baixas (30 a 70 °C), enquanto os coletores de tubo de vácuo apresentam um melhor desempenho no inverno ou em regiões de alta latitude. Em contraste, a eficiência térmica do sistema PVT é ligeiramente inferior, variando geralmente entre 40% a 60%, mas considerando que gera eletricidade simultaneamente, a sua eficiência energética global é superior.

3. Eficiência abrangente

A maior vantagem do PVT reside na sua eficiência global. A eficiência dos sistemas fotovoltaicos puros ou solares térmicos varia entre 20% a 70%, enquanto a eficiência global dos sistemas PVT pode chegar aos 70% a 80%, e alguns produtos avançados chegam a ultrapassar os 85%. Isto significa que, para telhados da mesma área, o PVT pode gerar mais energia utilizável.

Iii. Comparação Econômica

1. Investimento inicial

Sendo tecnologias maduras, a FV e a ST têm custos de instalação relativamente baixos quando instaladas em separado. Devido ao seu design complexo e aos elevados requisitos do processo de produção, o sistema PVT é geralmente mais caro do que um sistema único. No entanto, se for tida em conta a necessidade de geração de energia e aquecimento simultâneos no mesmo telhado, a “instalação combinada” de PVT pode, em vez disso, reduzir os custos de suportes, tubagens e espaço.

2. Operação e manutenção

A operação e manutenção dos sistemas fotovoltaicos são simples, envolvendo principalmente a limpeza regular dos componentes e a inspeção dos equipamentos elétricos. O sistema solar térmico requer trabalhos de manutenção como anticongelamento, antiincrustação e troca regular do fluido de trabalho. O PVT combina ambos, tornando a operação e a manutenção um pouco mais complexas. No entanto, devido à sua elevada integração estrutural, a estabilidade global não é má.

3.º Período de retorno do investimento

Em regiões com preços elevados da electricidade e do aquecimento (como a Europa e o Japão), o período de retorno de um sistema PVT pode ser mais curto do que o de um sistema único. Especialmente sob o apoio de políticas de energia distribuída, os benefícios combinados dos subsídios à ligação à rede eléctrica e da substituição da energia térmica tornam a eficiência económica do PVT mais proeminente. No entanto, nas regiões onde os preços da energia são baixos ou o apoio político é insuficiente, a promoção do PVT ainda enfrenta resistência.

Iv. Comparação de Cenários de Aplicação

1. Famílias residentes

Os utilizadores residenciais geralmente precisam de eletricidade e água quente. Se a área do telhado for limitada, a instalação de um sistema PVT pode gerar uma dupla produção de energia num espaço confinado, o que é particularmente adequado para casas e vilas urbanas.

2. Edifícios comerciais e públicos

Edifícios como escolas, hospitais e hotéis não só têm uma grande procura de electricidade, como também exigem um fornecimento estável de água quente. A PVT pode fornecer uma solução integrada para reduzir o espaço ocupado pelos equipamentos e os custos de manutenção.

3.º Campo industrial

Algumas produções industriais (como as indústrias de processamento de alimentos, têxtil e química) têm uma grande procura de energia térmica a baixa temperatura. A energia solar térmica tradicional pode satisfazer parte da procura, mas a procura de eletricidade também é muito elevada. A energia fotovoltaica (PVT) tem o potencial de substituir parte da energia fóssil nestas áreas.

4. Agricultura e Estufas

Nas estufas agrícolas, são necessárias tanto a energia fotovoltaica para acionar os equipamentos como a energia térmica para manter a temperatura. A PVT pode satisfazer simultaneamente duas exigências e aumentar a taxa de autossuficiência energética.

V. Comparação de Benefícios Ambientais e Sociais

A energia fotovoltaica e a energia térmica desempenham um papel significativo na redução das emissões de carbono. A energia fotovoltaica não só pode substituir a energia térmica para reduzir as emissões de dióxido de carbono, como também reduzir a utilização de caldeiras a gás ou a carvão. Sob a tendência principal da neutralidade carbónica, o valor da energia fotovoltaica torna-se ainda mais proeminente. Ao mesmo tempo, também alivia o problema da falta de espaço no telhado e evita o embaraço de ter de escolher entre duas opções dentro de uma área limitada.

Vi. Problemas e desafios existentes

Custo elevado: Atualmente, o preço do PVT é ainda mais elevado do que o dos sistemas individuais, o que limita a sua popularização.

Falta de normas técnicas: As normas internacionais para testes, certificação e instalação de PVT ainda não estão unificadas.

Consciencialização de mercado insuficiente: muitos consumidores e empreiteiros de engenharia têm conhecimentos limitados sobre PVT, o que dificulta a promoção de mercado.

Complexidade de operação e manutenção: Embora a integração global seja elevada, envolve dois sistemas, energia e aquecimento, que impõem maiores requisitos profissionais aos instaladores e à equipa de manutenção.

VII. Direções de desenvolvimento futuro

Novas aplicações de materiais, como revestimentos de absorção seletiva e materiais compósitos condutores térmicos, ajudam a aumentar a eficiência térmica.

Design modular: Torna o PVT tão fácil de instalar e substituir como os módulos fotovoltaicos comuns.

Combinado com o armazenamento de energia: O sistema duplo de armazenamento de energia elétrica e térmica aumentará a flexibilidade de utilização de energia do PVT.

Promoção de políticas: subsídios governamentais, recompensas pela redução de carbono, certificações de construções ecológicas, etc., podem facilitar a aplicação do PVT.

viii. Resumo

Como forma emergente de utilização da energia solar, a PVT não se trata apenas da sobreposição de energia fotovoltaica e solar térmica, mas alcança uma maior eficiência energética abrangente através da integração de sistemas. Comparativamente à energia fotovoltaica tradicional, resolve o problema da quebra de eficiência provocada pelo aumento da temperatura. Comparativamente à energia solar térmica tradicional, oferece o valor acrescentado da produção de energia elétrica. Em termos de economia, utilização do espaço, redução de carbono e outros aspetos, a PVT demonstrou vantagens evidentes. É evidente que a sua promoção ainda enfrenta desafios em termos de custo, normas e sensibilização. Com os avanços tecnológicos e a promoção de políticas, espera-se que a PVT se torne uma componente importante da energia limpa distribuída no futuro.