Sistemas Fotovoltaicos-Térmicos (PVT) para Cogeração de Calor e Energia: Tecnologias e Implementação

Resumo: A tecnologia solar fotovoltaica térmica (PVT) recupera o calor residual dos painéis fotovoltaicos enquanto gera eletricidade. Esta tecnologia não só consegue a geração combinada de calor e energia solar, como também reduz a temperatura dos painéis, melhorando a eficiência da geração de energia. Esta tecnologia, especialmente quando combinada com a tecnologia de armazenamento de calor residual a baixa temperatura para armazenamento sazonal, é muito promissora para aplicações futuras.

A tecnologia de geração de energia fotovoltaica é altamente desenvolvida e amplamente utilizada, oferecendo aplicações promissoras. No entanto, a sua eficiência é de apenas 20%, o que resulta na perda de uma quantidade significativa de energia solar para o ambiente.

Sem geração fotovoltaica, todo o calor solar é perdido para o ambiente. Em comparação, uma eficiência de 20% é suficiente. Os painéis fotovoltaicos também concentram o calor, atingindo temperaturas até 50 ou 60 graus Celsius. Este calor concentrado reduz a eficiência da geração de energia fotovoltaica, encurta a sua vida útil e impacta negativamente os painéis. O calor dissipado no ambiente de forma descontrolada também não é propício à reutilização.

As fontes de energia de baixo carbono são escassas em áreas como o aquecimento. A geração de calor requer o consumo de energia primária, que consome energia significativa, é cara e gera emissões significativas de carbono. A reutilização do calor recolhido pelos painéis fotovoltaicos pode reduzir os danos nos painéis, melhorar a eficiência da geração de energia e fornecer uma fonte de calor zero carbono, oferecendo aplicações promissoras. Com o aumento dos projetos fotovoltaicos, esta quantidade de calor é também considerável.

A tecnologia térmica solar fotovoltaica (PVT) recupera o calor residual da geração de energia fotovoltaica, obtendo calor e energia solar combinados.

O PVT é composto por dois componentes: módulos fotovoltaicos e dissipadores de calor. Os módulos fotovoltaicos utilizam tecnologia convencional, incluindo vidro fotovoltaico, película de EVA, células solares e uma camada inferior. Os dissipadores de calor são constituídos por uma camada absorvedora de calor, tubos de transferência de calor e materiais isolantes. Estes dois componentes são montados e componentes externos, como a estrutura e a caixa de derivação, são instalados para formar o PVT.

Os sistemas PVT estão disponíveis em dois tipos: refrigerados a líquido e refrigerados a ar. O arrefecimento por líquido utiliza normalmente água como refrigerante, embora o anticongelante também possa ser utilizado em regiões frias. A estrutura é apresentada na figura acima. O arrefecimento a ar utiliza gás, normalmente ar, como se pode ver na figura abaixo. Os dois produtos têm aplicações diferentes.

Os PVT arrefecidos a ar possuem canais de arrefecimento mais amplos, e a temperatura de saída é ajustada pelo controlo do caudal de gás. O ar quente gerado por este produto é sobreaquecido, podendo ser utilizado de duas formas: como fonte direta de calor para a secagem de produtos como produtos agrícolas e alimentos que não são adequados para secagem a alta temperatura; ou como fonte de calor a baixa temperatura numa bomba de calor de fonte de ar, gerando calor a alta temperatura.

O canal de arrefecimento do PVT arrefecido a água é geralmente um tubo fino. Para garantir o efeito de arrefecimento de toda a superfície da placa, o tubo de transferência de calor necessita de ser firmemente integrado na placa de transferência de calor para obter um melhor efeito de recuperação de calor. A temperatura da água de saída do PVT arrefecido a água é baixa e difícil de utilizar diretamente. Geralmente, precisa de ser utilizado em conjunto com uma bomba de calor.

Sistemas de painéis PVT com bombas de calor

De um modo geral, os cenários comuns de aplicação da tecnologia PVT são os seguintes:

(1) Processo de secagem: o PVT arrefecido a ar é utilizado para gerar ar sobreaquecido e remover a humidade do material seco. Como a temperatura do ar de secagem é baixa, isto não afeta a qualidade. É geralmente utilizado na secagem de culturas e alimentos ou noutras áreas com elevados requisitos de qualidade.

(2) Aquecimento distribuído: a bomba de calor PVT+ é utilizada para gerar água quente para aquecimento, água quente sanitária, etc. Em comparação com a rota convencional da bomba de calor de fonte de ar, a gama de otimização dos parâmetros do processo da bomba de calor PVT+ é grande e a poupança é muito boa.

(3) Aquecimento centralizado inter-sazonal: Este é um cenário para a aplicação em larga escala da tecnologia PVT no futuro. É particularmente adequado para ocasiões com grandes vantagens de espaço, como o aquecimento rural. Os sistemas de aquecimento rural têm pouco calor residual utilizável, pelo que a utilização direta de bombas de calor de fonte de ar consome energia significativa. Aproveitando as vastas extensões do espaço rural, os sistemas PVT de telhado podem recolher luz solar, enquanto as tubagens subterrâneas podem armazenar calor no solo durante a entressafra. As bombas de calor podem então utilizar calor geotérmico para aquecimento no inverno. Isto permite o armazenamento de calor residual a baixa temperatura ao longo das estações, aumentando a temperatura do calor residual da bomba de calor e reduzindo significativamente os custos operacionais.

Em resumo, a PVT, como melhoria de baixo custo na tecnologia fotovoltaica, é um poderoso complemento à tecnologia solar fotovoltaica. Se estiverem disponíveis métodos adequados de aproveitamento do calor residual, como a secagem, o aquecimento de águas residenciais ou o aquecimento entre estações, a tecnologia PVT pode melhorar significativamente a eficiência do sistema, reduzir os custos operacionais e apresentar perspetivas de desenvolvimento promissoras.