Influência da temperatura no rendimento de módulos fotovoltaicos: análise experimental

Janeiro de 2025 Nuno Miguel Silva Sousa Influência da Temperatura no Rendimento de Módulos Fotovoltaicos: Análise Experimental Janeiro de 2025 Nuno Miguel Silva Sousa Influência da Temperatura no Rendimento de Módulos Fotovoltaicos: Análise Experimental Dissertação de Mestrado Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Área de especialização em tecnologias energéticas e ambientais Trabalho efetuado sob a orientação do(a): Professor Doutor José Carlos Teixeira Professora Doutora Flávia Vieira Barbosa i DIREITOS DE AUTOR E CONDIÇÕES DE UTILIZAÇÃO DO TRABALHO POR TERCEIROS Este é um trabalho académico que pode ser utilizado por terceiros desde que respeitadas as regras e boas práticas internacionalmente aceites, no que concerne aos direitos de autor e direitos conexos. Assim, o presente trabalho pode ser utilizado nos termos previstos na licença abaixo indicada. Caso o utilizador necessite de permissão para poder fazer um uso do trabalho em condições não previstas no licenciamento indicado, deverá contactar o autor, através do RepositóriUM da Universidade do Minho. Licença concedida aos utilizadores deste trabalho Atribuição-NãoComercial CC BY-NC https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/ ii AGRADECIMENTOS Este trabalho reflete todo o esforço e dedicação investidos na conclusão da etapa final do meu percurso académico. No entanto, esta jornada não teria sido possível sem o contributo indispensável de muitas partes, às quais faço questão de deixar o meu profundo agradecimento. Primeiramente, gostaria de expressar a mais profunda gratidão ao meu orientador, Professor Doutor José Carlos Teixeira, pelo seu apoio imensurável, paciência e feedback construtivo, que foram essenciais para a conclusão bem-sucedida desta investigação. A sua sabedoria e experiência enriqueceram significativamente a qualidade deste trabalho. Agradeço pelo suporte e motivação, e por me ter proporcionado a oportunidade de integrar um projeto numa área de interesse pessoal, que me permitiu reconhecer o contributo real da mesma. Manifesto também o meu sincero agradecimento à minha coorientadora, Professora Doutora Flávia Barbosa, pelas valiosas lições profissionais e pessoais, comentários construtivos e conselhos sábios e amigáveis. A sua confiança no meu trabalho, apesar da distância física, foi fundamental para que pudesse produzir um trabalho de qualidade. Ao Diogo Oliveira, um agradecimento especial pela disponibilidade, boa vontade, paciência e apoio no laboratório ao longo de todo o processo, assim como pelos momentos de amizade e companhia. Gostaria também de manifestar a minha gratidão ao Eng. Carlos Costa pelo apoio prestado e conhecimento partilhado. Os seus conselhos e companheirismo foram determinantes ao longo desta jornada. Aos meus amigos e familiares, reconhecer o papel fundamental desempenhado ao longo de toda esta etapa tão importante da minha vida. Um agradecimento especial aos meus amigos mais próximos, pela sua companhia, crença nas minhas capacidades e sobretudo pelas memórias criadas para além do ambiente académico. À minha namorada, manifesto uma enorme gratidão pelo seu apoio constante, amor, compreensão e paciência, encorajando-me continuamente, independentemente do quão difícil parecia o futuro. Sem o seu incentivo e o seu abraço, nada disto teria sido alcançável. Por último, estendo a minha mais profunda gratidão aos meus pais, por acreditarem em mim e me proporcionarem um apoio inabalável em cada etapa da minha vida. À minha mãe, um agradecimento especial por todo o carinho e atenção que demonstrou durante os momentos mais exigentes ao longo do curso de Engenharia Mecânica. A todos, o meu sincero e profundo agradecimento! iii DECLARAÇÃO DE INTEGRIDADE Declaro ter atuado com integridade na elaboração do presente trabalho académico e confirmo que não recorri à prática de plágio nem a qualquer forma de utilização indevida ou falsificação de informações ou resultados em nenhuma das etapas conducente à sua elaboração. Mais declaro que conheço e que respeitei o Código de Conduta Ética da Universidade do Minho. STATEMENT OF INTEGRITY I hereby declare having conducted this academic work with integrity. I confirm that I have not used plagiraism or any form of misuse or falsification of information or results at any stage of its development. I further declare that I have fully acknowledged the Code of Ethical Conduct of the University of Minho. iv RESUMO A crescente necessidade de otimizar a eficiência dos sistemas fotovoltaicos tem incentivado o desenvolvimento de tecnologias que permitam uma melhor monitorização do seu desempenho energético. O aumento da temperatura de operação dos painéis fotovoltaicos representa um dos principais desafios para a sua eficiência, sendo responsável por uma redução significativa na potência fornecida. Neste contexto, a presente dissertação centra-se no desenvolvimento de um sistema de monitorização open source , concebido para recolher e analisar, em tempo real, variáveis críticas como temperatura, corrente elétrica, tensão elétrica e radiação solar, permitindo uma avaliação detalhada do comportamento térmico e energético de um sistema fotovoltaico autónomo. O principal objetivo consistiu na implementação de um sistema de monitorização de baixo custo e fácil integração, capaz de quantificar a influência da temperatura dos módulos fotovoltaicos na potência fornecida pelos mesmos. A metodologia adotada envolveu uma caracterização detalhada de todo o tipo de sistemas fotovoltaicos, o desenvolvimento do sistema de monitorização utilizando sensores acessíveis e um microcontrolador para aquisição e processamento de dados. Foram realizadas medições em condições ambientais reais, permitindo a análise do impacto térmico sobre o desempenho do painel e a determinação de coeficientes de temperatura específicos para diferentes intervalos de radiação solar. Além da monitorização do sistema fotovoltaico, foram idealizados dois sistemas de arrefecimento, um passivo e outro ativo, como possíveis soluções para mitigar os efeitos do sobreaquecimento. Apesar de não terem sido implementados, foi discutida a possibilidade de expandir o sistema de monitorização desenvolvido, integrando sensores adicionais para a avaliação da eficácia destas soluções térmicas. Os resultados experimentais confirmam a influência direta da temperatura na eficiência do painel fotovoltaico, evidenciando perdas de potência superiores a 20% em períodos de radiação média-alta. O sistema de monitorização demonstrou ser uma ferramenta eficaz para a análise do comportamento térmico do painel, proporcionando uma base sólida para futuras investigações no setor da energia solar. Conclui-se que este estudo contribui para o avanço do conhecimento na monitorização e avaliação térmica de sistemas fotovoltaicos, servindo como referência para o desenvolvimento de soluções mais eficientes e sustentáveis. PALAVRAS-CHAVE ARREFECIMENTO; MONITORIZAÇÃO; POTÊNCIA ELÉTRICA; SISTEMAS FOTOVOLTAICOS; TEMPERATURA. v ABSTRACT The growing need to optimize the efficiency of photovoltaic systems has driven the development of technologies that enable improved monitoring of their energy performance. The increase in operating temperature of photovoltaic modules is one of the main challenges to their efficiency, significantly reducing the power output. In this context, this dissertation focuses on the development of an open-source monitoring system, designed to collect and analyze, in real time, critical variables such as temperature, electrical current, electrical voltage, and solar radiation, allowing for a detailed assessment of the thermal and energy behavior of an autonomous photovoltaic system. The main objective was the implementation of a low-cost and easily integrable system capable of quantifying the influence of module temperature on the power output. The adopted methodology included a detailed characterization of different photovoltaic systems, the development of the monitoring system using accessible sensors, and a microcontroller for data acquisition and processing. Measurements were carried out under real environmental conditions, enabling the analysis of thermal impact on panel performance and the determination of specific temperature coefficients for different solar radiation intervals. In addition to photovoltaic system monitoring, two cooling systems, one passive and one active, were conceptualized as potential solutions to mitigate overheating effects. Although these systems were not implemented, the possibility of expanding the developed monitoring system to integrate additional sensors for evaluating the effectiveness of these thermal solutions was discussed. The experimental results confirm the direct influence of temperature on photovoltaic panel efficiency, revealing power losses exceeding 20% during medium to high radiation periods. The monitoring system proved to be an effective tool for analyzing the thermal behavior of the panel, providing a solid foundation for future research in the solar energy sector. It is concluded that this study contributes to the advancement of knowledge in the monitoring and thermal evaluation of photovoltaic systems, serving as a reference for the development of more efficient and sustainable solutions KEYWORDS COOLING; MONITORING; ELECTRICAL POWER; PHOTOVOLTAIC SYSTEMS; TEMPERATURE. vi ÍNDICE Agradecimentos ................................................................................................................................... ii Resumo.............................................................................................................................................. iv Abstract............................................................................................................................................... v Índice ................................................................................................................................................. vi Índice de Figuras ................................................................................................................................ ix Índice de Tabelas ............................................................................................................................... xi Lista de Símbolos .............................................................................................................................. xii 1. Introdução .................................................................................................................................. 1 1.1. Objetivos ........................................................................................................................... 2 1.2. Guia de Leitura .................................................................................................................. 3 2. Estado da arte e Revisão de literatura .......................................................................................... 5 2.1. Sistemas Fotovoltaicos ....................................................................................................... 5 2.1.1. Princípio de funcionamento ....................................................................................... 5 2.1.2. Tipos de células fotovoltaicas ..................................................................................... 6 2.1.3. Componentes dos Sistemas Fotovoltaicos .................................................................. 8 2.1.4. Classificação dos Sistemas Fotovoltaicos ................................................................. 11 2.1.4.1. Sistemas Fotovoltaicos On-Grid .................................................................. 11 2.1.4.2. Sistemas Fotovoltaicos Off-Grid .................................................................. 12 2.1.4.3. Sistemas Fotovoltaicos Híbridos ................................................................. 13 2.1.5. Transferência de calor em sistemas fotovoltaicos ..................................................... 15 2.1.5.1. Condução .................................................................................................. 15 2.1.5.2. Convecção ................................................................................................. 16 2.1.5.3. Radiação ................................................................................................... 17 2.2. Métodos de Arrefecimento de Painéis Fotovoltaicos .......................................................... 18 2.2.1. Arrefecimento Passivo ............................................................................................. 20 2.2.2. Arrefecimento Ativo ................................................................................................. 22 vii 2.3. Monitorização de Sistemas Fotovoltaicos .......................................................................... 25 3. Materiais e Métodos do Sistema de monitorização ..................................................................... 28 3.1. Parâmetros ...................................................................................................................... 28 3.2. Componentes e Funcionamento do Sistema ..................................................................... 29 3.3. Hardware......................................................................................................................... 30 3.3.1. Arduino ................................................................................................................... 30 3.3.2. Adafruit Datalogger Shield ........................................................................................ 32 3.3.3. Sensor de temperatura ............................................................................................ 33 3.3.4. Sensor de Corrente .................................................................................................. 34 3.3.5. Divisor de Tensão .................................................................................................... 34 3.3.6. Piranómetro SPN1 e Datalogger GP1 ....................................................................... 35 3.4. Software .......................................................................................................................... 37 3.4.1. Arduino IDE ............................................................................................................. 37 3.4.2. DeltaLINK ................................................................................................................ 37 3.5. Aplicação do Sistema de Monitorização ............................................................................ 37 3.5.1. Instalação Exterior ................................................................................................... 38 3.5.2. Instalação Interior .................................................................................................... 39 3.5.3. Código do Arduino ................................................................................................... 41 3.6. Procedimento Experimental .............................................................................................. 43 3.6.1. Período e Condições de Monitorização ..................................................................... 43 3.6.2. Método Experimental ............................................................................................... 45 4. Análise e Discussão de Resultados do Sistema de Monitorização ............................................... 47 4.1. Comportamento Geral do Sistema .................................................................................... 47 4.1.1. Céu Limpo .............................................................................................................. 48 4.1.2. Céu Parcialmente Nublado ...................................................................................... 49 4.1.3. Céu Completamente Nublado .................................................................................. 51 4.2. Influência da Temperatura na Potência Fornecida ............................................................ 52 Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 1 1. INTRODUÇÃO Nos últimos anos, a transição para fontes de energia renovável tem recebido atenção significativa em resposta aos desafios impostos pelas alterações climáticas e à necessidade de reduzir as emissões de carbono. Entre as várias fontes de energia renovável, a energia solar fotovoltaica destaca-se como uma solução promissora devido à sua capacidade de converter a radiação solar em eletricidade e calor (Zhao et al., 2011). Este crescimento tem sido impulsionado por avanços tecnológicos que reduziram custos e aumentaram a eficiência dos sistemas fotovoltaicos, levando a uma expansão considerável da capacidade instalada globalmente (Masson et al., 2024). Contudo, para garantir a eficiência a longo prazo e mitigar problemas decorrentes do sobreaquecimento e da degradação térmica, torna-se indispensável desenvolver sistemas eficazes de monitorização e arrefecimento dos módulos fotovoltaicos (Ansari et al., 2021a). As células fotovoltaicas convertem apenas uma fração da energia solar recebida em eletricidade – tipicamente cerca de 15 % a 20 % – enquanto a maior parte é dissipada como calor. Este calor residual eleva a temperatura dos módulos, causando uma redução significativa na eficiência de conversão e acelerando a sua degradação(Amin et al., 2009). Estudos indicam que a temperatura dos módulos pode exceder em até 30°C a temperatura ambiente em dias de elevada radiação solar, o que se traduz em perdas consideráveis na produção de energia elétrica (Oh et al., 2018). Para enfrentar este problema, diversas técnicas de arrefecimento têm sido investigadas, incluindo métodos que utilizam ar e água como fluidos de refrigeração, sistemas híbridos e abordagens inovadoras como a utilização de materiais de mudança de fase (Maleki et al., 2020). Estas soluções têm como objetivo reduzir a temperatura de operação, aumentar a potência fornecida pelos módulos e prolongar a sua vida útil. Entre as técnicas de arrefecimento, os sistemas baseados em ar apresentam vantagens significativas, especialmente pela sua simplicidade e menor custo (Chandrasekar et al., 2013). Paralelamente, os sistemas de monitorização desempenham um papel central na gestão e operação de sistemas fotovoltaicos (Madeti e Singh, 2017). A monitorização em tempo real de variáveis críticas, como temperatura, corrente, tensão e radiação solar, fornece dados essenciais para avaliar a eficiência energética dos módulos fotovoltaicos e identificar potenciais problemas, como degradação ou falhas nos sistemas (Paredes-Parra et al., 2018). Avanços recentes em tecnologias de monitorização, incluindo o uso de sensores inteligentes e algoritmos baseados em inteligência artificial, têm permitido melhorar significativamente a precisão na previsão da produção de energia e na deteção de falhas (Ansari et al., 2021). Contudo, a maioria dos sistemas convencionais de monitorização depende de fontes Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 2 externas de energia, como baterias ou ligações à rede elétrica, o que aumenta a complexidade e os custos operacionais (Lee e Park 2024). Em paralelo com os avanços tecnológicos, o contexto português tem vindo a proporcionar condições favoráveis à integração de sistemas fotovoltaicos. Através de instrumentos regulatórios como as Unidades de Produção para Autoconsumo (UPACs) e as Unidades de Pequena Produção (UPPs), promove-se a descentralização da produção de energia, permitindo aos consumidores produzir e consumir a sua própria eletricidade. Estes modelos contribuem para a redução da dependência energética e para uma maior eficiência no aproveitamento dos recursos solares disponíveis. De acordo com a Direção-Geral de Energia e Geologia (DGEG), a potência total instalada em sistemas solares fotovoltaicos em Portugal ultrapassava os 3,3 GW no final de 2023, com uma crescente percentagem proveniente de instalações de autoconsumo. Neste cenário, a investigação de soluções acessíveis, autónomas e eficazes para monitorização e arrefecimento dos módulos fotovoltaicos torna-se particularmente relevante, promovendo a sustentabilidade e a viabilidade técnica de instalações solares a pequena e média escala. 1.1. OBJETIVOS Considerando o aumento do interesse da produção de energia elétrica a partir da conversão da radiação solar e todas as limitações associadas a este tipo de sistemas, o principal objetivo deste estudo é investigar e caracterizar o comportamento térmico e energético de uma instalação fotovoltaica, desenvolvida em condições ambientais reais. Deste modo, os objetivos específicos para este projeto incluem: − Desenvolvimento de um sistema de monitorização open-source : Implementação de um sistema de baixo custo para recolha, análise e armazenamento de dados relativos à operação dos módulos fotovoltaicos, utilizando sensores de temperatura, corrente, tensão e radiação solar. − Caracterização do comportamento térmico dos módulos fotovoltaicos: Análise do impacto das condições ambientais, como a radiação solar e a temperatura ambiente, na temperatura de operação do sistema fotovoltaico. − Avaliação do impacto da temperatura na potência fornecida pelo painel fotovoltaico: Identificação de padrões e relações entre o aumento da temperatura dos módulos e a redução da potência fornecida, utilizando os dados recolhidos pelo sistema de monitorização desenvolvido. Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 3 − Exploração de estratégias de arrefecimento: Idealização de dois sistemas de arrefecimento – passivo e ativo – como soluções para mitigar os efeitos do sobreaquecimento. − Avaliação do potencial de expansão do sistema de monitorização desenvolvido: Inclusão de novos sensores que permitam analisar a eficiência dos sistemas de arrefecimento propostos. 1.2. GUIA DE LEITURA Esta dissertação foca-se no desenvolvimento e aplicação de um sistema de monitorização open source para avaliar o desempenho térmico e energético de uma instalação fotovoltaica em condições ambientais reais. Além disso, é apresentada a idealização de dois sistemas de arrefecimento, enfatizando a integração futura de sensores adicionais para monitorização térmica mais detalhada. Para organizar este trabalho, a dissertação está estruturada em seis capítulos principais. O primeiro capítulo apresenta a motivação e os principais objetivos deste estudo. É destacada a importância de sistemas de monitorização em instalações fotovoltaicas para avaliar e otimizar a eficiência energética, bem como para identificar soluções de arrefecimento que possam mitigar os efeitos térmicos adversos. O segundo capítulo é dedicado à revisão da literatura no contexto desta dissertação. Inicialmente, é descrito o estado da arte de sistemas fotovoltaicos, incluindo tipo de células fotovoltaicas, tipo de instalações e formas de transferência de calor existentes. Posteriormente, é analisada a literatura sobre métodos de arrefecimento, focando especificamente nos sistemas de arrefecimento a ar, tanto passivos quanto ativos, abordando os princípios de funcionamento, eficiência térmica e integração em sistemas fotovoltaicos. Por fim, é também realizada uma breve revisão sobre sistemas de monitorização em instalações fotovoltaicas, abordando a sua evolução, arquitetura, principais tecnologias utilizadas e diferenças entre soluções comerciais e de baixo custo. O terceiro capítulo descreve o sistema de monitorização desenvolvido, todos os componentes utilizados e os métodos de recolha e análise de dados. Também são detalhados os procedimentos experimentais realizados, os métodos adotados, os softwares utilizados e as condições de funcionamento da instalação fotovoltaica monitorizada. No quarto capítulo, são apresentados os resultados da análise térmica e energética do sistema fotovoltaico monitorizado. É analisado o comportamento geral do painel em dias típicos e a relação entre a temperatura de operação dos módulos e a potência fornecida, utilizando os dados recolhidos pelo Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 4 sistema desenvolvido. Também é realizada uma comparação entre as diferentes faixas de radiação solar e seus efeitos na potência fornecida pelo sistema. O quinto capítulo aborda a idealização de dois sistemas de arrefecimento – passivo e ativo – baseados nos princípios de convecção natural e forçada. São apresentados os princípios de funcionamento de cada solução e é discutida a expansão do sistema de monitorização com a integração de sensores adicionais para avaliação do desempenho dos sistemas de arrefecimento. Finalmente, o sexto capítulo fornece as conclusões mais relevantes deste estudo e as diferentes perspetivas para futura investigação nesta área. Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 5 2. ESTADO DA ARTE E REVISÃO DE LITERATURA 2.1. SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Os sistemas fotovoltaicos representam uma das principais tecnologias no campo das energias renováveis, com crescente aplicação em diversas áreas devido à sua capacidade de converter diretamente a radiação solar em eletricidade. Esta conversão ocorre através do efeito fotovoltaico, um fenômeno físico observado em materiais semicondutores que, quando expostos à luz, geram uma corrente elétrica. Compostos por células fotovoltaicas, os painéis captam a energia solar e transformamna em corrente elétrica contínua (DC), que pode ser utilizada diretamente em sistemas isolados ou convertida em corrente alternada (AC) para ser integrada à rede elétrica. A eficiência na conversão de energia, a durabilidade dos materiais e o custo de instalação são alguns dos fatores que influenciam a viabilidade e o desempenho dos painéis fotovoltaicos (Reinders Angèle et al., 2017). Além de contribuírem para a redução das emissões de gases de efeito estufa, os painéis fotovoltaicos têm se destacado pela sua flexibilidade de aplicação, desde pequenos sistemas em residências até grandes plantas solares em escala industrial. A contínua evolução tecnológica tem permitido o aumento da potência elétrica fornecida pelo painel, e consequente aumento do rendimento energético, e a diminuição dos custos de produção, tornando essa solução uma escolha atrativa para atender à procura crescente por fontes de energia sustentáveis (Shubbak. 2019). 2.1.1. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Os painéis fotovoltaicos são constituídos por módulos de células fotovoltaicas que contêm materiais semicondutores (silício, o arsenieto de gálio, telurieto de cádmio ou disselenieto de cobre, índio e selénio) (Maiti et al., 2020). O tipo de células mais utlizados são as de silício cristalino que está presente em mais de 90 % de todas as células solares existentes no mundo (Serra Borges,2024). A célula fotovoltaica é composta por duas camadas de material semicondutor constituídas de formas diferentes: Desta forma, existe uma diferença de potencial entre as duas camadas. Os eletrões periféricos da camada N, ao captarem a energia dos fotões de luz provenientes do Sol, saltam a barreira de potencial e criam uma corrente contínua. Para conduzir esta corrente, existem dois elétrodos nas camadas de • Na camada N (negativa), existe um excesso de eletrões periféricos. • Na camada P (positiva), existe um défice de eletrões. Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 6 semicondutor, onde o elétrodo superior é em forma de grelha para ser possível a passagem dos raios luminosos. Adicionalmente, uma camada antirreflexo é depositada sobre este elétrodo com o intuito de maximizar a quantidade de luz absorvida. (Labrique s.d.) Figura 1 – Esquema do interior de uma célula fotovoltaica (Labrique, s.d.) 2.1.2. TIPOS DE CÉLULAS FOTOVOLTAICAS As células fotovoltaicas presentemente mais disseminadas no mercado podem ser agrupadas em três grandes categorias: células de silício cristalino (monocristalinas ou policristalinas), células de pelicula fina e células híbridas. As células monocristalinas são constituídas por um único cristal de silício e têm uma aparência homogénea. Geralmente, têm um custo superior aos outros tipos de células, devido ao seu processo de fabricação, mas possuem uma eficiência mais elevada. São um dos tipos de células mais utilizadas no setor fotovoltaico e o seu rendimento típico varia entre 15 % e 20 % (Kant e Singh 2022). Figura 2 – Célula fotovoltaica monocristalina (Labrique, s.d.) As células policristalinas são constituídas por múltiplos cristais de silício e têm uma aparência mais irregular. O processo de fabricação é mais simples do que o das células monocristalinas, o que as Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 7 torna mais acessíveis em termos de custo, mas menos eficientes. O rendimento típico destas células varia entre 13 % e 16 % (Kant e Singh 2022). Figura 3 – Célula fotovoltaica policristalina (Labrique, s.d.) As células de pelicula fina são constituídas por materiais semicondutores amorfos ou microcristalinos aplicados em camadas finas. Os materiais utilizados, como o silício amorfo, o disselenieto de cobre, índio e selénio (CIS), e o telurieto de cádmio (CdTe), conferem uma maior flexibilidade, permitindo a sua utilização em superfícies curvas. O processo de fabricação é mais simples e usa menos material semicondutor, reduzindo o custo de produção. No entanto, são o tipo de célula com menor eficiência, entre 7 % e 13 % (M. A. Green 2003). Figura 4 – Módulo de células fotovoltaicas de filme fino (Labrique s.d.) As células híbridas são uma combinação de células cristalinas com células de pelicula fina, oferecendo um equilíbrio entre flexibilidade e eficiência, que ronda os 15 a 20 % (M. A. Green 2003). Para além destas tecnologias, nos últimos anos, têm sido desenvolvidos novos tipos de células fotovoltaicas, com o objetivo de aumentar a eficiência relativamente às existentes. Um exemplo disso são as células perovskita que se destacam devido ao baixo custo de fabricação e rápidos progressos. Em Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 8 menos de dez anos, as eficiências de conversão de este tipo de células aumentaram significativamente, de 4 % para 26 % (Robles Montes et al., 2022). 2.1.3. COMPONENTES DOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Além das células fotovoltaicas, um sistema fotovoltaico é composto por uma série de componentes essenciais para garantir um funcionamento eficiente: módulos fotovoltaicos, inversores, baterias, controladores de carga, materiais elétricos e estruturas de suporte. O módulo fotovoltaico é o componente responsável por converter a radiação solar em energia elétrica a partir da incidência solar sobre as células solares que, através do efeito fotovoltaico, produzem corrente elétrica, circulando a energia para os restantes componentes do sistema. Para além das células, o módulo é composto por outros componentes, listados a seguir (Silvaet al., 2018): Figura 5 – Módulo fotovoltaico e componentes (Arabach 2019) O inversor tem a função de converter corrente elétrica contínua, previamente fornecida pelo módulo fotovoltaico, em corrente alternada, sincronizando-a com a rede elétrica e com os equipamentos • Estrutura de Alumínio: com cerca de 4 cm de espessura, tem como objetivo garantir a integridade do painel em condições adversas, protegendo-o durante a instalação. • Vidro Especial: Geralmente com espessura de entre 3-4 mm, apresenta um baixo teor de ferro, resultando numa reduzida reflexão e permitindo a máxima passagem de luz, além de resistir a chuvas fortes e granito. • Encapsulante EVA: O Acetato-vinilo de etileno, conhecido como EVA, protege as células contra radiação ultravioleta, humidade e extremas variações de temperatura. • Back cover: Um filme branco composto por três camadas, que é colocado na parte traseira do painel solar. Sua principal função é proteger as células fotovoltaicas e atuar como isolante elétrico. • Caixa de Junção: Fixada na parte traseira do painel, onde as células fotovoltaicas são conectadas em série, normalmente chamadas de strings. Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 9 elétricos conectados. Esta conversão garante que o sistema fotovoltaico seja capaz de fornecer energia de forma eficaz e segura, visto que não é possível consumir domesticamente corrente contínua. Para além de desempenhar esta importante função, o inversor otimiza e monitoriza a produção de energia produzida pelos painéis com o objetivo de obter o máximo desempenho possível do sistema. Os inversores fotovoltaicos podem ser classificados como monofásicos ou trifásicos, dependendo da configuração da rede elétrica em que serão conectados (Zeb et al., 2018). A escolha entre inversores monofásicos e trifásicos depende da configuração da rede elétrica em que o sistema fotovoltaico será conectado. Residências e pequenos estabelecimentos comerciais geralmente utilizam inversores monofásicos, enquanto instalações comerciais e industriais maiores podem requerer inversores trifásicos para atender às necessidades e à configuração da rede elétrica (Queirós, 2024). Figura 6 – Micro-inversor fotovoltaico (Paulo 2019) As baterias são um componente essencial nos sistemas fotovoltaicos autónomos, abordados no capítulo seguinte, porque permitem o armazenamento da energia elétrica, para ser possível a sua utilização num momento posterior ao da produção. Embora os painéis fotovoltaicos sejam capazes de produzir energia sem a presença de baterias, a sua integração no sistema é extremamente relevante, pois aumenta significativamente o nível de autoconsumo e evita o desperdício de energia excedente. Existem diferentes tipos de baterias disponíveis para aplicações solares, destacando-se duas pelas suas características e ampla utilização no setor (Queirós, 2024): • Baterias de chumbo-ácido: estas baterias são uma tecnologia amplamente utilizada devido ao seu baixo custo e fiabilidade. Apesar de apresentarem uma vida útil limitada, variando entre 300 e 500 ciclos de carga e descarga, continuam a ser uma solução acessível para sistemas de menor dimensão e aplicações em locais remotos. Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 10 • Baterias de lítio: representam a tecnologia mais avançada atualmente, oferecendo uma vida útil muito superior, até 6000 ciclos de carga e descarga, e limites de descarga próximos dos 100 %. Estas baterias são significativamente mais leves, facilitando o transporte e a instalação, mas apresentam custos mais elevados quando comparadas com outros tipos de baterias. A escolha entre estas e outras opções depende das necessidades específicas da instalação, como a capacidade de armazenamento desejada, o orçamento disponível e os requisitos de durabilidade. Figura 7 – Bateria de chumbo-ácido O controlador de carga é um componente obrigatório dos sistemas autónomos, responsável por gerir o fluxo de energia entre os painéis fotovoltaicos, as baterias e a carga conectada. Este dispositivo regula a corrente e a tensão provenientes dos painéis solares, garantindo que a bateria seja carregada de forma eficiente e protegendo-a contra sobrecarga e descarga profunda. Além disso, o controlador compensa os diferentes fluxos de energia que ocorrem quando a bateria está simultaneamente a ser carregada e utilizada, preservando o seu bom funcionamento e prolongando a sua vida útil. Também permite medir a temperatura e a pressão do sistema, o que permite monitorizar o sobreaquecimento e evitar danos ao sistema (LokeshReddy et al., 2017). Figura 8 – Controlador de carga Os materiais elétricos têm de cumprir uma série de requisitos para a sua implementação num sistema fotovoltaico. Durante o dimensionamento, é imprescindível que esses componentes atendam a Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 17 fonte externa no movimento do fluido. Fontes externas como bombas ou ventiladores forçam o fluido a escoar sob uma determinada superfície, a determinada velocidade. Este método, comparado à convecção natural, é muito mais eficiente no arrefecimento de objetos sobreaquecidos, porque ao aumentar a velocidade do fluido de arrefecimento, aumenta também a taxa de transferência de calor. (Vlachopoulos e Strutt, 2002) Figura 15 – Representação esquemática da convecção forçada e natural (Mathieu, 2018) A lei do arrefecimento de Newton estabelece que a taxa de transferência de calor por convecção pode ser calculada pela equação (2) (Tien-Mo Shih, 2012): 𝑄=ℎ 𝐴 (𝑇𝑆−𝑇𝑓) (2) onde, 𝑄 representa a taxa de transferência de calor, ℎ é o coeficiente de convecção, 𝐴 é a área de transferência de calor, 𝑇𝑆 é a temperatura da superfície e 𝑇𝑓 é a temperatura do fluido. 2.1.5.3. RADIAÇÃO Enquanto a condução e a convecção envolvem a transferência de calor a partir da interação entre moléculas, a radiação acontece a partir da emissão e absorção de ondas eletromagnéticas (D.H. Bacon 1989). A radiação térmica é emitida por toda a matéria com temperatura superior a 0 K e, quando atinge um corpo, pode ser absorvida, refletida e transmitida pelo corpo, caso este seja semitransparente. A intensidade da radiação emitida por um corpo depende diretamente da sua temperatura. Corpos mais quentes emitem mais radiação eletromagnética do que corpos mais frios. A lei de Stefan-Boltzmann estabelece que o balanço de radiação trocada entre dois corpos com temperaturas de superfície distintas, uniformes ao longo do tempo, é descrito de acordo com a equação (3) (Howell, Menguc, e Siegel 2010): 𝑄= 𝜀𝜎𝐴(𝑇𝑠4−𝑇𝑠𝑠 4) (3) onde existe um corpo pequeno de superfície de temperatura 𝑇𝑠 com emissividade 𝜀 e área 𝐴 e outro corpo com uma superfície muito maior, de temperatura 𝑇𝑠𝑠. Note-se, que neste contexto a emissividade é a mesma para ambos, sendo que este fator varia entre 0 (corpo totalmente refletor) e 1 (corpo negro), e 𝜎 representa a constante de Stefan-Boltzman. Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 18 Nos painéis fotovoltaicos, a radiação solar incidente é convertida em energia elétrica, refletida, dissipada e absorvida na forma de calor. O calor absorvido aumenta a temperatura do painel, contribuindo para o sobreaquecimento das células fotovoltaicas, afetando diretamente as suas propriedades elétricas e reduzindo a tensão do circuito. Este decréscimo ocorre porque o aumento da temperatura diminui a diferença de potencial entre as bandas de condução e valência do semicondutor, com uma redução típica de aproximadamente 2 mV/°C em células de silício. Como resultado, a potência fornecida pelo painel diminui de forma significativa à medida que a temperatura das células aumenta, condicionando a produção de energia elétrica (Grover e Li, 2015). Existem métodos para ajudar na diminuição da energia térmica absorvida e na consequente diminuição de temperatura das células como o uso de materiais refletores da radiação solar na constituição de um painel fotovoltaico. No entanto, nos últimos anos têm vindo a ser desenvolvidas tecnologias que permitem o arrefecimento, ativo ou passivo, das células fotovoltaicas com maior eficácia. Estas abordagens serão detalhadas no capítulo seguinte, onde se exploram diferentes métodos para controlar e diminuir a temperatura de operação dos painéis fotovoltaicos. 2.2. MÉTODOS DE ARREFECIMENTO DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS A utilização de painéis fotovoltaicos para produção energética é particularmente atrativa em regiões áridas e quentes com alta exposição à radiação solar, pois, nestas condições, pode fornecer eletricidade abundantemente (Pourasl et al., 2023). No entanto, existem alguns desafios associados à implementação da energia solar nestas regiões. O clima, caracterizado por ar quente e seco, com temperaturas que podem exceder os 50 °C durante o dia e caírem para 10-20 °C durante a noite, submete as instalações fotovoltaicas a grandes esforços térmicos ao longo do dia, prejudicando o seu desempenho, reduzindo a vida útil e até podendo causar danos irreversíveis (Du et al., 2016). Além disso, a poeira e a areia em suspensão no ar podem-se ir acumulando na superfície dos módulos fotovoltaicos, reduzindo e obstruindo a área de captação de radiação e, consequentemente, reduzindo a potência fornecida pelo sistema. A logística de instalação e manutenção em regiões desertas também é um desafio, devido ao isolamento geográfico e à falta de infraestruturas adequadas. É, por isso, crucial adotar técnicas de arrefecimento adequadas para essas condições ambientais extremas, para proteger os módulos fotovoltaicos do sobreaquecimento e degradação e melhorar o seu desempenho (Sheik et al., 2022). Vários estudos mostram que os painéis fotovoltaicos geralmente convertem cerca de 20 % da energia solar em eletricidade, enquanto os restantes 80 % são transformados em calor. Este excesso de Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 19 calor eleva a temperatura das células, reduzindo a produção elétrica e aumentando a produção de calor, o que afeta negativamente a eficiência da conversão fotovoltaica (Badi et al., 2023). Um aumento de 1ºC pode resultar numa diminuição de 0,5 % da eficiência da conversão (Mafat, Patel, e Saxena, 2023). Para prevenir uma redução da eficiência, é crucial manter a temperatura das células fotovoltaicas o mais baixa possível, o que pode ser alcançado implementando soluções de arrefecimento ou sistemas de gestão térmica. Os métodos de arrefecimento existentes são geralmente classificados em três principais categorias: ativos, passivos e híbridos, cada um com as suas vantagens e limitações (Dwivedi et al., 2020). Métodos de arrefecimento passivos utilizam processos naturais, como a convecção do ar, fluxos de água ou a condução térmica, para dissipar calor sem consumo adicional de energia. Estas técnicas incluem materiais de mudança de fase (PCM), imersão líquida, tubos de calor, microcanais, jatos de impacto folhas de evaporação microporosa e pavios de algodão. Por outro lado, métodos de arrefecimento ativos exigem equipamentos extra como ventiladores e bombas de ar, para remover o calor e forçar a circulação de fluidos de arrefecimento como ar, água ou nanofluidos (Sheik et al., 2022). Embora estes métodos de circulação forçada sejam mais eficazes em manter aceitável a temperatura das células, o equipamento adicional e o respetivo consumo energético pode tornar esta abordagem mais cara e complexa (Dwivedi et al., 2020). A água é o fluido mais comum para este tipo de sistemas de arrefecimento, enquanto o ar é o fluido mais utilizado em técnicas de arrefecimento passivo, apesar da sua baixa condutividade térmica e baixa taxa de transferência de calor. Os sistemas híbridos têm-se tornado a tendência líder na investigação de técnicas de arrefecimento de painéis fotovoltaicos (Maleki et al., 2020). Estas abordagens inovadoras combinam diversas técnicas de gestão térmica, incluindo métodos de arrefecimento ativos e passivos. Exemplos de sistemas híbridos incluem arrefecimento a arágua, arrefecimento com PCM combinados com água ou ar, dissipadores térmicos com PCM, espuma metálica com PCM, entre outros (Jiao e Li, 2023). Embora menos eficazes do que outras abordagens na dissipação de calor, os métodos passivos destacam-se pela sua simplicidade e menor custo. Além disso, técnicas de arrefecimento passivo podem ser otimizadas com a utilização de difusores de radiação solar ou dissipadores de calor. À medida que a eficiência térmica das tecnologias de arrefecimento passivo melhora, estas vão-se tornando opções mais favoráveis para a energia solar ser aproveitada de forma eficiente (Mahdavi et al., 2022). A literatura científica conta com uma vasta e diversa quantidade de estudos que exploram diferentes métodos de arrefecimento para painéis fotovoltaicos incluindo técnicas ativas, passivas e Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 20 híbridas. No contexto desta dissertação, o foco recai sobre os métodos de arrefecimento a ar, passivos e ativos, dada a sua relevância direta para os objetivos propostos. 2.2.1. ARREFECIMENTO PASSIVO O método mais económico e simples para arrefecer módulos fotovoltaicos consiste em utilizar o fluxo de ar por convecção natural sob os painéis. Esta técnica baseia-se no efeito chaminé para conduzir o ar quente através de um canal localizado atrás dos módulos fotovoltaicos. No entanto, a eficácia desta abordagem é limitada pela baixa taxa de transferência de calor da convecção natural, bem como pela baixa condutividade térmica e capacidade de calor específica do ar (Eryener e Kuscu, 2018). Sistemas térmico-fotovoltaicos arrefecidos a ar, bem como sistemas fotovoltaicos integrados em edifícios (BIPV), são exemplos concretos de métodos de arrefecimento por convecção natural do ar que apresentam uma eficiência energética razoável. Nos sistemas BIPV, os painéis são integrados em telhados inclinados ou fachadas de edifícios, onde uma camada de ar circula sob os módulos fotovoltaicos, permitindo o seu arrefecimento. Sistemas térmico-fotovoltaicos ventilados destacam-se como uma solução viável e económica para fornecer energia elétrica, ar quente e água quente em edifícios, pois o ar quente resultante do arrefecimento pode ser aproveitado para atender às necessidades térmicas do edifício mencionadas. A camada de ar nos sistemas BIPV comporta-se como um fluxo natural de ar, impulsionado por forças naturais, como a flutuação e as diferenças de pressão induzidas pelo vento. Vários estudos reportam que as velocidades do ar induzidas em canais atrás dos módulos fotovoltaicos são frequentemente baixas, inferiores a 0,5 m/s, justificando que o fluxo nestes canais é, em grande parte, laminar (Agathokleous e Kalogirou, 2018). Brinkworth et al. (1997) investigaram um método para reduzir a temperatura das células fotovoltaicas utilizando o fluxo de ar por convecção natural num canal criado na parte traseira dos painéis. Simulações determinaram parâmetros fundamentais, como a altura e a profundidade do canal de arrefecimento, que se mostraram eficazes na redução da temperatura das células solares em 15 a 20 °C. Esta técnica demonstrou-se eficiente o aumento da produção energética de painéis fotovoltaicos utilizados como revestimento em paredes e telhados de edifícios (Brinkworth et al., 1997) . Tripanagnostopoulos e Themelis (2010) testaram experimentalmente três sistemas passivos para o arrefecimento de painéis fotovoltaicos através de convecção natural. O primeiro sistema era composto por um canal de ar na parte traseira do painel fotovoltaico; o segundo sistema utilizava um canal semelhante, mas com a adição de uma fina chapa metálica (TMS) para aumentar o processo de arrefecimento; e o terceiro sistema incorporava alhetas metálicas na traseira do painel para aumentar a Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 21 superfície de permuta térmica. Os resultados dos testes indicaram que o sistema com alhetas foi o mais eficiente, seguido pela solução com a chapa metálica e, por último, pelo canal de ar simples (Tanagnostopoulos et al., 2010). Baloch et al. (2025) realizaram um experimento em que compararam o desempenho de dois painéis fotovoltaicos num clima quente e seco na Arábia Saudita. Um dos painéis foi colocado numa estrutura normal, enquanto o outro foi arrefecido através de um canal de ar. O estudo, conduzido no segundo semestre do ano, mostrou que a temperatura do painel arrefecido diminui de 71 °C para 48 °C em junho e de 45 °C para 36 °C em dezembro. Este sistema de arrefecimento proporcionou um aumento médio superior a 35 % da produção energética (Baloch et al., 2015). Para tentar prevenir o sobreaquecimento dos painéis fotovoltaicos em climas quentes, Abd-Elhady et al. (2018) propuseram uma solução de arrefecimento passivo baseada na convecção natural. O método consiste em perfurar o painel com orifícios que permitiam o ar quente acumulado sob os painéis seja dissipado, sendo substituído por ar ambiente mais frio. Testes experimentais validaram o conceito, seguidos por simulações que exploraram os efeitos do tamanho e da quantidade dos orifícios. Foi identificado um diâmetro crítico dos orifícios, além do qual orifícios menores resultaram num aumento da temperatura do painel (Abd-Elhady, Serag, e Kandil, 2018). Glick et al. (2020) conduziram uma pesquisa diferente da maioria dos estudos anteriores, que se concentravam na determinação do ângulo de inclinação ideal para maximizar a absorção de luz solar nos painéis fotovoltaicos. Neste caso, o foco foi no impacto da organização dos painéis na corrente de vento incidente. Ao variar o ângulo de inclinação dos painéis e calcular os coeficientes de transferência de calor das superfícies fotovoltaicas, descobriram que um ângulo de inclinação de 30° resultou na maior taxa de transferência de calor na superfície inferior. Como resultado, sugeriram melhorias no fluxo de ar sob os painéis a partir da otimização da altura ou da implementação de defletores, para prolongar a vida útil e aumentar a eficácia dos painéis fotovoltaicos (Glick et al., 2020). Sutanto et al. (2022), investigaram o desenvolvimento de sistemas fotovoltaicos flutuantes com arrefecimento passivo utilizando termossifões para aumentar a produção de energia. Os resultados demonstraram que a produção energética em sistemas fotovoltaicos flutuantes é cerca de 4,52 % superior à de instalações fixadas ao solo. A introdução do sistema de arrefecimento por termossifão aumentou a potência fornecida dos painéis fotovoltaicos flutuantes em aproximadamente 7,86 % em comparação com a instalação fixada ao solo e 3,34 % em comparação com os sistemas flutuantes sem arrefecimento (Sutanto et al., 2022). Os resultados deste estudo destacam o potencial do uso de sistemas fotovoltaicos flutuantes com arrefecimento passivo para abordar o problema da disponibilidade Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 22 limitada de terrenos, enquanto minimizam os impactos ambientais e atendem à crescente necessidade energética global. Panda et al. (2023) realizaram experiências para investigar o efeito do arrefecimento na parte da frente e na parte traseira de um módulo fotovoltaico, no seu desempenho. O arrefecimento frontal dos módulos foi realizado a partir da circulação de água a um caudal mássico específico, enquanto o arrefecimento na parte traseira foi realizado utilizando relva húmida. A redução média da temperatura do painel foi de 21,23 °C, resultando num aumento de 28,6 % na potência fornecida e uma eficiência média de 34,96 %. Ambos os métodos de arrefecimento mostraram-se eficazes, mas o arrefecimento na parte frontal revelou ser o mais eficiente (Panda et al., 2023). Embora os métodos passivos de arrefecimento a ar ofereçam soluções simples, económicas e de baixa manutenção, a sua eficácia é limitada pela capacidade natural do ar em dissipar calor. Em situações onde a convecção natural não é suficiente para mitigar o sobreaquecimento dos painéis fotovoltaicos, torna-se necessário recorrer a tecnologias de arrefecimento ativo, que utilizam ventiladores ou outros dispositivos para forçar a circulação do ar e aumentar a transferência de calor. A secção seguinte explora estas tecnologias ativas de arrefecimento a ar, analisando os seus princípios de funcionamento, desempenho e viabilidade para aplicações fotovoltaicas, com base na literatura mais recente. 2.2.2. ARREFECIMENTO ATIVO À semelhança dos métodos de arrefecimento passivos, uma das maiores vantagens do arrefecimento ativo com ar é o facto deste fluido não exigir grandes investimentos financeiros. Apenas o equipamento utilizado para forçar a circulação do ar envolve custos adicionais, como o seu desenvolvimento e a eletricidade consumida durante o funcionamento, fator que deve ser considerado ao estimar a eficiência do sistema. Elminshawy et al. (2019) propuseram um método ativo que utiliza ar ambiente, previamente arrefecido por um permutador de calor ar-solo. Esse ar é utilizado como fluido refrigerante na traseira dos módulos fotovoltaicos. O sistema de arrefecimento foi construído a partir da conexão dos painéis ao permutador enterrado. Foi utilizado um simulador de ar ambiente composto por um ventilador centrífugo e uma câmara de aquecimento de ar com temperatura ajustável, para replicar condições próximas às recorrentes em regiões áridas e quentes. Os resultados mostraram que a utilização deste sistema, a um caudal de ar ótimo de 0,0288 m³/s, reduziu a temperatura do módulo fotovoltaico cerca de 13 °C, melhorando a potência debitada pelo painel em 20 % (Elminshawy et al., 2019). Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 23 Figura 16 – Instalação fotovoltaica incorporada com sistema de arrefecimento com ar geotérmico (Elminshawy et al., 2019) Tonui and Tripanagnostopoulos (2007) também propuseram uma tecnologia de arrefecimento a ar,a partir da montagem de um canal com alhetas na parte traseira do módulo fotovoltaico, onde circula o fluido refrigerante, forçado por uma bomba. Além disso, a parte frontal dos painéis foi equipada com uma camada adicional de vidro. Esta abordagem resultou num decréscimo da temperatura celular até 52 %, o que se converteu num aumento de 9% de produção elétrica, em condições de estado estacionário (Tonui e Tripanagnostopoulos, 2007). Rahimi et al. (2014) desenvolveram um dispositivo eólico baseado num túnel cónico para desempenhar duas funções em escala laboratorial. A primeira consistia no arrefecimento das células fotovoltaicas e a segunda destinava-se à produção de eletricidade, combinando a produção energética fotovoltaica com a eólica. Uma estrutura vertical que funciona como um sistema de auto-pilotagem eólico foi instalado no topo do túnel de ar para determinar a direção do vento. Neste caso, a altura a que o sistema de arrefecimento é colocado desempenha um papel importante para facilitar o movimento da estrutura vertical e registar com precisão a direção do vento. Quando o vento atinge a cauda estreita e vertical, esta roda perpendicularmente à direção do vento, ajustando a câmara nesse sentido. O vento entra na câmara de admissão, com paredes de 1 mm de espessura e cantos arredondados. Os testes demonstraram que esta solução tem grande potencial para desenvolvimento futuro, sendo que o aumento total na potência debitada pelo painel foi de 36 %, considerando a produção de energia combinada do sistema fotovoltaico e da turbina eólica (Rahimi et al., 2014). No mesmo ano, Arcuri et al. (2014) propuseram uma solução que envolve um sistema de canais de arrefecimento em alumínio instalados na parte traseira dos painéis fotovoltaicos. As aberturas de entrada e saída, com secção transversal quadrada, foram posicionadas em lados opostos ao longo da borda mais longa do painel, permitindo que o ar percorresse a maior área possível. Foi assumida uma Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 24 velocidade média de escoamento de 2,3 m/s que resultou numa eficiência média anual de 12,58 % (Arcuri, Reda, e De Simone, 2014). Ibrahim et al. (2023) apresentaram um estudo experimental comparativo entre sistemas de arrefecimento a partir de convecção forçada e natural a ar, combinada com uma placa de alhetas. Foram considerados quatro protótipos: o primeiro consistiu num módulo fotovoltaico sem qualquer tecnologia de arrefecimento; o segundo utilizou um painel PV com uma placa com alhetas retangulares acoplada à sua superfície traseira, arrefecida por convecção natural; o terceiro composto por um painel PV arrefecido por convecção forçada, utilizando três ventoinhas axiais; e o quarto protótipo combinou a placa com alhetas retangulares acoplada à superfície traseira do painel com o arrefecimento por convecção forçada, também com três ventoinhas axiais. Os resultados demonstraram que o painel PV com alhetas e convecção forçada apresentou um aumento de 3,01 % na eficiência, enquanto o painel com alhetas e convecção livre apresentou um aumento de 2,55 %, e o painel PV arrefecido apenas por convecção forçada exibiu um aumento de 2,10 % na eficiência (Ibrahim et al., 2023). Deste modo, os métodos de arrefecimento ativo a ar apresentam soluções mais complexas, relativamente aos métodos passivos, mas, geralmente, com melhor eficácia e otimização de desempenho dos sistemas fotovoltaicos. Esta revisão apresenta uma visão abrangente sobre o estado da arte em técnicas de arrefecimento para painéis fotovoltaicos, com foco nos métodos que utilizam ar como fluido de arrefecimento, tanto em instalações passivas como ativas. Vários estudos analisados demonstraram que estas abordagens desempenham um papel fundamental na redução da temperatura de operação dos painéis, ajudando a manter os valores dentro da faixa operacional nominal especificada pelo fabricante e, consequentemente, melhorando o desempenho e a eficiência dos sistemas fotovoltaicos. Os métodos de arrefecimento ativo destacam-se pela sua eficácia em promover a transferência de calor e melhorar a potência debitada pelo painel. Contudo, dependem de fontes de energia externas, o que reduz a potência líquida gerada pelo sistema. Além disso, apresentam maiores custos iniciais e de manutenção, mas podem ser vantajosos em aplicações domésticas ou comerciais onde o calor residual seja aproveitado. Por outro lado, os métodos de arrefecimento passivo são simples, económicos e de fácil implementação. Apesar de oferecerem menor taxa de transferência de calor, são ideais para condições em que a eficiência térmica não é crítica. As combinações destes métodos com outros elementos, como PCM, nanopartículas e microcanais, têm mostrado grande potencial, mas ainda requerem investigação para superar limitações, como a baixa condutividade térmica. Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 25 A avaliação da eficácia destas soluções depende de uma monitorização precisa e contínua das variáveis térmicas e elétricas associadas ao funcionamento dos módulos fotovoltaicos. No entanto, antes de comparar diferentes estratégias térmicas, é essencial estabelecer uma linha de base que permita caracterizar o desempenho do painel sem qualquer mecanismo de arrefecimento. Nesse sentido, é necessário o desenvolvimento de um sistema de monitorização que registe, em tempo real, parâmetros como temperatura, radiação solar, tensão e corrente elétrica. Esta monitorização, como a realizada no presente estudo, fornece dados de referência fundamentais, permitindo compreender a relação entre as condições ambientais e o comportamento térmico e energético do painel. Só após a obtenção desses dados iniciais é possível expandir o sistema de monitorização, integrando sensores adicionais para avaliar o impacto das soluções de arrefecimento. Dessa forma, a monitorização do desempenho dos sistemas fotovoltaicos passa a ter um papel duplo: identificar padrões de funcionamento e perdas térmicas sem arrefecimento e, numa fase posterior, avaliar comparativamente a eficiência dos métodos de mitigação térmica adotados. A recolha e análise contínua de dados permitirão, assim, não apenas identificar a necessidade de arrefecimento, mas também determinar qual o método mais adequado às condições específicas de operação do painel (Shariff et al., 2015). Desta forma, seguidamente, será apresentada uma breve revisão sobre sistemas de monitorização em instalações fotovoltaicas, abordando diferentes metodologias e tecnologias disponíveis para a aquisição, processamento e análise de dados. 2.3. MONITORIZAÇÃO DE SISTEMAS FOTOVOLTAICOS O aumento de produção de energia elétrica a partir de sistemas fotovoltaicos tem despertado um interesse crescente no desenvolvimento de sistemas de monitorização que permitam avaliar em tempo real o desempenho dos módulos fotovoltaicos e diagnosticar potenciais falhas durante o seu funcionamento. A monitorização eficiente destes sistemas é essencial para compreender em que condições os módulos fotovoltaicos têm melhor desempenho e otimizar a operação das instalações solares, em diferentes ambientes (Madeti e Singh, 2017). A implementação de sensores e dispositivos de aquisição de dados permite recolher informações relativas aos parâmetros críticos de funcionamento, como a temperatura dos módulos PV, a radiação solar incidente, a corrente e a tensão elétricas, possibilitando a análise detalhada do impacto das condições ambientais na potência fornecida pelo sistema fotovoltaico (Paredes-Parra et al., 2018). Historicamente, os primeiros sistemas de monitorização eram desenvolvidos com tecnologia de alto custo, limitando a sua aplicabilidade a projetos de grande escala (Nippes De Oliveira, 2019). No entanto, nos últimos anos, o desenvolvimento de plataformas open-source e de hardware acessível, como Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 26 Arduino e Raspberry Pi, tem facilitado a implementação de soluções de monitorização de baixo custo para aplicações residenciais e comerciais de pequena escala (Mostofa e Islam, 2022). Nos últimos anos, surgiram diferentes tipos de soluções comerciais para monitorizar sistemas fotovoltaicos, em pequena ou grande escala. Empresas como Victron Energy, SMA Solar Technologies e SolarMax desenvolvem esse tipo de soluções onde disponibilizam software como um serviço (SaaS) que oferece funcionalidades via web (S. M. et al., 2015). A partir desses softwares , é possível observar fenómenos em tempo real e o histórico de dados da produção fotovoltaica. Além disso, algumas plataformas mais avançadas incluem o envio de alertas e notificações para o utilizador caso surja o aparecimento de falhas súbitas ou de condições operacionais críticas (Rao et al., 2024). No entanto, soluções comerciais apresentam algumas desvantagens, como o elevado consumo energético dos sensores utilizados na recolha de dados, a necessidade de grande capacidade de armazenamento de informação e a limitação na adaptação a todas as instalações fotovoltaicas e na personalização de funcionalidades, impedindo por exemplo a adição de algoritmos personalizados para a avaliação de desempenho ou previsão de produção (Martínez et al., 2010). Um sistema de monitorização adequado exige a realização de diversas etapas. Inicialmente, é necessário um conjunto de sensores com ou sem fio para recolher dados relativamente a variáveis ambientais e parâmetros elétricos dos diferentes componentes do sistema fotovoltaico. Os dados recolhidos são armazenados num data logger e depois transferidos para computadores ou plataformas web . Toda a informação recolhida pelos sensores tem de ser processada, armazenada e apresentada de forma estruturada em relatórios periódicos que facilitam a análise dos utilizadores. Segundo a arquitetura moderna, um sistema de monitorização pode ser dividido em três camadas principais, como apresentado na Figura 17. − Aquisição: recolha dos sinais enviados pelos sensores instalados ao longo da instalação fotovoltaica. As ligações à camada seguinte podem ser estabelecidas por Bluetooth, Wi-Fi ou por cabos elétricos, onde os dados são enviados para a etapa de processamento e registo. − Processamento e Registo: os dados provenientes da rede de sensores são processados e registados temporariamente num microcontrolador, data logger ou servidor de processamento, enquanto são transferidos periodicamente para o armazenamento final. Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 33 Figura 20 – Adafruit Datalogger shield 3.3.3. SENSOR DE TEMPERATURA O sensor de temperatura presente no sistema de monitorização utiliza um termopar tipo K acoplado a um módulo MAX6675, um circuito integrado especializado na leitura de termopares. O termopar tipo K é um dos mais comuns e versáteis, fabricado com dois tipos de metais diferentes: níquelcrómio (positivo) e níquel-alumínio (negativo). A sua principal vantagem é a capacidade de medir uma ampla gama de temperaturas, geralmente entre -200 °C e 1350 °C, sendo adequado tanto para ambientes adversos, com uma alta resistência a temperaturas elevadas e à corrosão. Existe uma incerteza associada aos valores lidos pelo termopar, sendo tipicamente 0,75 % da leitura. O módulo MAX6675 (Figura 21) é um conversor digital de temperatura, ou seja, lê o sinal emitido pelo termopar e converte-o para um valor digital, compatível com o Arduino. Este componente facilita a leitura de temperaturas de forma precisa e simplificada, através do protocolo de comunicação SPI e apresenta uma ampla faixa de medição, entre 0 e 1024 °C. Figura 21 – Termopar tipo K incorporado com módulo MAX6675 Para interagir com o módulo MAX6675, está disponível no Arduino IDE a biblioteca “MAX6675”. Depois da sua instalação, esta biblioteca oferece funções específicas que permitem a comunicação entre o Arduino e o módulo, como a leitura da temperatura de forma contínua. A utilização desta biblioteca requer a definição dos pinos de comunicação SPI (CS, SCK, SO) e facilita a leitura dos dados de temperatura com elevada precisão. Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 34 3.3.4. SENSOR DE CORRENTE O sensor de corrente utilizado, o ACS712 de 20 A (Figura 22), é um sensor analógico que permite medir a corrente elétrica (AC ou DC) de forma precisa, convertendo a leitura num sinal de tensão analógica que pode ser lida pelo Arduino. Este sensor é amplamente utilizado em aplicações de monitorização de corrente elétrica, por ser eficiente, de fácil integração e com uma boa relação custobenefício, sendo capaz de medir correntes elétricas numa faixa de -20 A a 20 A. Deste modo, torna-se uma opção válida para monitorizar o painel fotovoltaico utilizado na instalação de campo. Figura 22 – Sensor de Corrente ACS712 de 20 A O sensor emite um sinal analógico simples que é lido pelo Arduino a partir de uma porta analógica. Este sinal é uma tensão analógica proporcional à corrente medida. Quando o valor da corrente é 0, o sinal emitido é de aproximadamente 2,5 V (metade da tensão de referência de 5 V). Se corrente a fluir do painel para o controlador de carga, a tensão emitida é superior a 2,5 V. No caso contrário, a tensão emitida é inferior a 2,5 V. Neste sensor em específico, a sensibilidade é de aproximadamente 100 mV por ampere medido. Isso significa que para cada ampere que flui pelo sensor, a saída muda em 100 mV. Por exemplo, se o sensor estiver a medir 5 A, o valor da tensão emitida pelo sensor ao Arduino será de 2,5 V + 0,5 V = 3 V. 3.3.5. DIVISOR DE TENSÃO Para monitorizar a tensão debitada pelos terminais do painel fotovoltaico, foi incorporado um divisor de tensão, um circuito de resistências em série que permite reduzir a tensão debitada pelo painel para um valor na faixa dos 0-5 V, a mesma faixa de leitura analógica do Arduino. O divisor de tensão funciona com base na Lei de Ohm e na relação entre as resistências em série, de acordo com a equação (4) (Zico Winter 2022): 𝑉𝑜𝑢𝑡= 𝑉𝑖𝑛 𝑅2 𝑅1 + 𝑅2 (4) Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 35 onde 𝑉𝑜𝑢𝑡 é a tensão lida pelo Arduino, 𝑉𝑖𝑛 é a tensão que se pretende medir, debitada pelos terminais do painel, 𝑅1 e 𝑅2 são as resistências que constituem o divisor de tensão. A tensão máxima de saída do painel fotovoltaico monitorizado é ligeiramente inferior a 50 V. Para a monitorização ocorrer de forma segura foi necessário dimensionar o divisor de tensão, escolhendo resistências que permitam reduzir a tensão de saída a um máximo de 5 V, limite máximo suportado pelos pinos analógicos do Arduino. Esta condição implica que 𝑅1 deve ser aproximadamente nove vezes superior a 𝑅2, de forma a cumprir os requisitos de segurança, tal como apresentado na equação (5): 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑖𝑛 = 5 50 ↔ 𝑅2 𝑅1 + 𝑅2 = 1 10 ⇔𝑅1=9𝑅2 (5) Com base nessa relação e nas resistências disponíveis no laboratório, foram escolhidas três resistências, sendo que duas, ligadas em série, constituem 𝑅2, resultando em: 𝑅2=𝑅2𝑎+𝑅2𝑏=10000 Ω + 1000 Ω=11000 Ω Para 𝑅1, foi escolhida uma resistência de 100000 Ω, cerca de 9 vezes superior a 𝑅2. Deste modo, o Arduino faz a leitura da tensão que entra no pino analógico ligado ao divisor e o valor lido é convertido de volta para o valor da tensão fornecida pelo painel a partir da utilização da equação (6) no código desenvolvido no software Arduino IDE: 𝑉𝑖𝑛= 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑅1 + 𝑅2 𝑅2 (6) Deste modo, é possível obter a tensão debitada pelo painel fotovoltaico em cada instante e, posteriormente, registar e armazenar esses valores de acordo com os timestamps estipulados. 3.3.6. PIRANÓMETRO SPN1 E DATALOGGER GP1 O piranómetro SPN1 é um sensor meteorológico utilizado para medir radiação solar global e difusa sem a necessidade de dispositivos de sombreamento adicionais, como muitos piranómetros tradicionais que exigem outros componentes para a medição da radiação difusa. O SPN1, ilustrado na Figura 23, foi projetado para suportar condições climáticas adversas, sendo particularmente adequado para o uso ao ar livre, e tem um campo de visão hemisférico, o que significa que capta a radiação solar proveniente de todas as direções acima do plano horizontal onde está instalado, sendo capaz de medir radiação numa faixa típica entre 0 e 2000 W/m². Também inclui compensação de temperatura, com sensores internos que garantem medições precisas mesmo com variações de temperatura ambiente, minimizando os erros de leitura. Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 36 Figura 23 – Piranómetro SPN1 da Delta-T Devices Embora o piranómetro SPN1 tenha sido utilizado no sistema de monitorização, é importante esclarecer que este sensor não foi integrado diretamente no sistema baseado em Arduino, como os sensores abordados previamente. Em vez disso, a aquisição de dados do SPN1 foi realizada utilizando o datalogger GP1 da Delta-T Devices, representado na Figura 24, um equipamento especializado em recolha de dados meteorológicos. O GP1 foi escolhido devido à sua capacidade de integrar facilmente sensores como o SPN1 e ser adequado para instalações expostas ao ambiente exterior, proporcionando maior precisão na aquisição de dados de radiação solar. Figura 24 – Datalogger GP1 da Delta-T Devices A estratégia utilizada na aquisição dos valores de radiação solar foi a mesma da aquisição dos valores de tensão, corrente e temperatura obtidos pelo Arduino. Foram lidos os valores de radiação solar incidente no painel em todos os segundos, mas apenas se registou a média desses valores de 5 em 5 minutos. O software utilizado foi o DeltaLINK que permite definir a frequência de amostragem, as unidades de medida e a visualização em tempo real, sendo esta última característica útil para assegurar o funcionamento correto do piranómetro SPN1 durante a monitorização. Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 37 3.4. SOFTWARE 3.4.1. ARDUINO IDE O Arduino IDE é uma aplicação open-source que consiste num editor de código com ferramentas de compilação, utilizado para desenvolver sketches para, posteriormente, os carregar para o microcontrolador utilizado, mais precisamente o Arduino. A linguagem implementada para a programação consiste num conjunto de funções C++ que permite o controlo de todos os sensores utilizados na monitorização. Através do serial monitor , ou monitor série, uma interface gráfica de comunicação com o Arduino, é possível a visualização em tempo real dos valores obtidos pelo microcontrolador, o que também permite assegurar o funcionamento correto do sistema de monitorização. Como mencionado previamente, o Arduino IDE suporta o uso de bibliotecas que proporcionam funcionalidades extras e permitem a execução de tarefas complexas a partir de funções de fácil e simples utilização num sketch . 3.4.2. DELTALINK O software DeltaLINK, desenvolvido pela Delta-T Devices, permite a configuração, recolha e visualização de dados de dispositivos de monitorização ambiental como o piranómetro SPN1, a partir de dataloggers como o GP1. Permite definir os parâmetros de medição e as unidades de medida do sensor em utilização, monitorizar as leituras em tempo real e armazenar os dados registados com a frequência de registo definida pelo utilizador. A interface gráfica deste software também permite a observação e monitorização dos dados recolhidos em tempo real e permite detetar possíveis anomalias nos sensores e sistemas de aquisição associados ao sistema. 3.5. APLICAÇÃO DO SISTEMA DE MONITORIZAÇÃO Neste capítulo será apresentada a abordagem detalhada em cada uma das etapas envolvidas na conceção e aplicação do sistema de monitorização. As etapas do processo são o desenvolvimento das instalações exterior e interior, e a explicação do código desenvolvido, com base num algoritmo que mostra a sua estrutura e descreve simplificadamente a sua lógica. O sistema tem como principal objetivo monitorizar a relação da eficiência do painel fotovoltaico utilizado com a temperatura da superfície do painel, recolhendo dados sobre tensão, corrente, temperatura e radiação solar incidente. Os dados são lidos a cada segundo para cada uma das variáveis Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 38 e, de 5 em 5 minutos, é calculada a média dos 300 segundos anteriores e registada num ficheiro de texto, para posterior acesso. 3.5.1. INSTALAÇÃO EXTERIOR O painel fotovoltaico utilizado, da marca BP SOLAR, é composto por células de silício monocristalino. Apresenta uma área de 2,4 m2, uma potência máxima de 260 W e tensão máxima em circuito aberto igual a 44,2 V, em condições ideais de funcionamento (temperatura das células = 25 °C). Como é possível observar na figura seguinte, o painel em monitorização foi instalado sobre um coletor solar que não estava em funcionamento, no telhado do Departamento de Engenharia Mecânica (DEM). Atrás do painel, foi aparafusada uma estrutura metálica ajustada de modo a garantir a inclinação ideal para maximizar a captação de radiação solar. Esta estrutura foi fixada a quatro blocos de betão para garantir a estabilidade mecânica e evitar deslocamentos. Optou-se por este tipo de suporte para evitar perfurações e intervenções permanentes no telhado devido ao curto período de monitorização aplicado ao sistema fotovoltaico, tal como apresentado na Figura 25. Figura 25 – Componentes da instalação exterior no telhado do DEM Os terminais do painel fotovoltaico foram prolongados, através da utilização de cabos solares, até ao interior do edifício, onde se encontra o controlador de caga, destino final dos terminais. Além do painel fotovoltaico, também se instalaram no exterior ambos os componentes que permitem monitorizar a radiação solar incidente, o piranómetro SPN1 e o respetivo datalogger GP1. Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 39 Devido ao comprimento limitado do cabo que conecta estes componentes e ao facto de ser o GP1 a alimentar o SPN1, o datalogger foi posicionado também no telhado, sendo alimentado a partir do interior do edifício, através de uma extensão USB. Na Figura 25, o datalogger não está visível porque se encontra atrás do painel fotovoltaico, como é percetível pelo prolongamento do cabo que está conectado ao piranómetro. No centro da superfície do painel fotovoltaico, tal como ilustrado na Figura 26, a ponta da extensão de termopar utilizada para medir a temperatura de funcionamento das células fotovoltaicas foi fixada com fita adesiva de folha de alumínio. A extensão parte do módulo MAX6675, que permanece no interior do edifício em comunicação com o Arduino. A escolha da fita de folha de alumínio considerou-se adequada devido à sua resistência a condições ambientais e capacidade de assegurar uma boa fixação sem interferência relevante nas leituras de temperatura. Figura 26 – Fixação do termopar tipo K ao painel fotovoltaico Deste modo, todos os componentes utilizados no exterior têm ligação direta – os terminais fotovoltaicos ao controlador de carga, o termopar ao módulo MAX6675 e o sensor de radiação à fonte de alimentação – ao laboratório de Fluidos e Calor do DEM, local onde se encontra a instalação interior. 3.5.2. INSTALAÇÃO INTERIOR A instalação interior envolve a conceção e aplicação do sistema de monitorização de tensão, corrente e temperatura do painel, o processamento e armazenamento de todos os dados obtidos e ainda a gestão da energia produzida pelo sistema fotovoltaico. Como mencionado previamente, os terminais fotovoltaicos foram estendidos até ao controlador de carga do circuito concebido. O controlador de carga é do tipo MPPT, o que permite a otimização da potência debitada pelo painel e assegurar a estabilidade de todo o circuito, limitando a energia fornecida para a bateria e dissipando a energia excedentária. Antes da ligação do painel ao controlador de carga, ambos os terminais fotovoltaicos foram intercetados. O divisor de tensão foi ligado, em paralelo, aos dois terminais, positivo e negativo, e Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 40 conectou-se o sensor de corrente, em série, apenas ao terminal positivo do painel. Deste modo, foi possível fazer a monitorização da tensão e corrente e ,consequentemente, da potência debitada pelo painel. A Figura 27 mostra todos os componentes presentes na instalação interior, nomeadamente os sensores, o controlador de carga, a bateria, a carga do sistema e o cabo de alimentação. Figura 27 – Componentes presentes na instalação interior A carga associada ao sistema é uma lâmpada halogénea de 12 V que, estando continuamente conectada ao controlador MPPT, consome a energia produzida pelo painel e a que está armazenada na bateria. Durante o dia, o controlador de carga garante que parte da energia produzida pelo painel é direcionada para alimentar a carga. A energia excedente é utilizada para carregar a bateria. Quando a produção de energia do painel não é suficiente para suprir a necessidade energética da carga – durante a noite ou em períodos de baixa radiação solar – é a bateria, previamente carregada, que mantém a carga alimentada. O Arduino, previamente soldado ao datalogging shield e através das conexões entre os sensores, breadboard e controlador (Figura 28), realiza o processamento e armazenamento das leituras de valores de tensão, corrente e temperatura. Os valores são registados a cada segundo, sendo que, a cada 5 minutos, a média das leituras dos 300 segundos anteriores é armazenada no cartão SD. Deste modo, é otimizada a quantidade de dados recolhidos garantindo uma representação precisa do sistema ao longo do tempo. Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 41 Figura 28 – Close-up das Interações Arduino - Datalogging Shield - Sensores Todo o sistema é alimentado a partir de dois transformadores de 5 V conectados a uma tomada elétrica no interior do laboratório, o que assegura o funcionamento contínuo do sistema. Um transformador alimenta o sistema de aquisição de dados de radiação, localizado no telhado, através de uma extensão USB de 10 metros e o outro transformador alimenta o Arduino através do cabo USB cinzento visível na Figura 28. 3.5.3. CÓDIGO DO ARDUINO O datalogger GP1, que armazena os valores de radiação solar, é controlado a partir do software DELTALINK, que permite fazer a leitura e o registo dos dados de acordo com as necessidades do utilizador. No entanto, para a monitorização da tensão, corrente e temperatura do painel funcionar é necessário que o Arduino receba ordens, para este interagir e controlar o funcionamento do hardware. Consequentemente, desenvolveu-se um código no Arduino IDE que permite a comunicação e o envio de comandos a todos os dispositivos ligados ao Arduino. O código escrito consiste, de forma geral, em duas rotinas principais, o setup e o loop . A rotina setup marca o início da execução do código e corre uma vez, a rotina loop repete-se continuamente. Outra parte importante do código encontra-se no início, antes da rotina setup , onde se incluem as diretivas de pré-processamento e se declaram as variáveis globais. O código desenvolvido para este projeto (Anexo A) está representado sob forma de diagrama de atividades na Figura 29. Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 42 Figura 29 –Algoritmo do código utilizado no Arduino IDE Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 49 Figura 33 – Variação da radiação solar e da potência do painel ao longo de um dia de céu limpo (23/10/2024) Na Figura 32, verifica-se que a temperatura do painel segue uma tendência similar à da radiação solar, com um ligeiro atraso devido à inércia térmica, apresentando uma média de 51,20 °C e atingindo um valor máximo de 66,06 °C, às 14h10m. Por outro lado, como ilustrado na Figura 33, a potência fornecida pelo painel apresenta um comportamento que se desvia do esperado, com valores elevados nas primeiras horas do dia, mesmo quando a radiação ainda é relativamente baixa. Com o aumento gradual da radiação e da temperatura do painel, a potência tende a diminuir, o que, à primeira vista, poderia ser interpretado como consequência do impacto térmico na eficiência do sistema fotovoltaico. No entanto, a discrepância observada entre a curva de potência e a de radiação solar, sobretudo em condições de céu limpo, sugere que este efeito poderá não ser inteiramente justificado apenas pela influência térmica. A magnitude da variação de potência observada excede o que seria esperado para um sistema em funcionamento normal. Assim, considera-se que estas anomalias possam estar associadas a limitações no sistema de aquisição de dados, nomeadamente a possíveis imprecisões nos sensores de corrente ou tensão, interferências no registo, ou outros fatores não identificados durante a monitorização. 4.1.2. CÉU PARCIALMENTE NUBLADO Nos gráficos apresentados nas Figuras 34 e 35, observa-se que, no dia de céu parcialmente nublado, a radiação solar apresenta oscilações significativas ao longo do dia, refletindo a cobertura intermitente de nuvens. A radiação atingiu o pico de 478,58 W/m² às 12h25m, sendo a média diária igual a 204,50 W/m². 0 50 100 150 200 250 0 200 400 600 800 1000 8:55 10:25 11:55 13:25 14:55 16:25 Potência (W) Radiação Solar (W/m2 ) Radiação Potência Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 50 Figura 34 – Variação da radiação solar e da temperatura do painel ao longo de um dia de céu parcialmente nublado (26/10/2024) Figura 35 – Variação da radiação solar e da potência do painel ao longo de um dia de céu parcialmente nublado (26/10/2024) Na Figura 34, verifica-se que a temperatura do painel acompanha as variações da radiação, apresentando uma média diária de 23,01 °C. A temperatura máxima foram 34,41 °C, valor muito mais baixo do que os atingidos no dia de céu limpo. Na Figura 35, observa-se que a potência gerada pelo painel é altamente sensível às flutuações de radiação, apresentando um comportamento irregular ao longo do dia. No entanto, devido à temperatura média mais baixa do painel, a média de potência fornecida ao longo deste dia (191,73 W) foi superior à média do dia de céu limpo (170,75 W), o que demonstra que, em condições de alta radiação, a eficiência do painel é significativamente prejudicada pelo aumento da temperatura de operação. 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 200 400 600 800 1000 10:40 12:00 13:20 14:40 16:00 Temperatura (ºC) Radiação Solar (W/m2 ) Radiação Temperatura 0 50 100 150 200 250 300 0 200 400 600 800 1000 10:40 12:00 13:20 14:40 16:00 Potência (W) Radiação Solar (W/m2 ) Radiação Potência Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 51 4.1.3. CÉU COMPLETAMENTE NUBLADO Nas Figuras 36 e 37, verifica-se que, no dia de céu completamente nublado, o pico da radiação solar ocorreu logo no início do dia onde atinge um pico de 544,62 W/m2, às 10h05m. No entanto, ao longo do fim da manhã e durante a tarde, a radiação mantém-se consistentemente baixa, sendo a média diária de 161,93 W/m2. Figura 36 – Variação da radiação solar e da temperatura do painel ao longo de um dia de céu completamente nublado (01/11/2024) Figura 37 – Variação da radiação solar e da potência do painel ao longo de um dia de céu completamente nublado (01/11/2024) A temperatura do painel, como em todos os casos, acompanha a radiação solar, e atinge o seu pico (42,64 °C) à mesma hora do pico de radiação, mas ao longo do dia vai diminuindo e resulta numa média diária de 23,74 °C, semelhante à do dia parcialmente nublado. Na Figura 37, observa-se que a 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 200 400 600 800 1000 9:25 11:05 12:45 14:25 16:05 Temperatura (ºC) Radiação Solar (W/m2 ) Radiação Temperatura 0 50 100 150 200 250 0 200 400 600 800 1000 9:25 11:05 12:45 14:25 16:05 Potência (W) Radiação Solar (W/m2 ) Radiação Potência Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 52 potência fornecida após o início da manhã é limitada pela radiação incidente, o que resultou numa média de 78,27 W, valor significativamente inferior aos dias anteriores. No entanto, é possível notar em determinados intervalos de tempo, que ligeiros aumentos da radiação incidente (para a faixa dos 200300 W/m2) resultam em grandes aumentos na potência debitada pelo painel. Este comportamento evidencia que o sistema pode operar perto da sua eficiência máxima mesmo com valores médios de radiação, desde que a temperatura de funcionamento seja favorável. Deste modo, a análise do comportamento geral do sistema demonstrou que o seu desempenho é dependente da radiação solar incidente, mas também da temperatura de operação. O aumento desta temperatura tem um impacto significativo na eficiência de conversão de energia do painel, limitando a potência gerada em dias de níveis altos de radiação. Por outro lado, temperaturas mais baixas permitem uma maior eficiência, mesmo com níveis moderados de radiação. No próximo capítulo, será explorado com maior detalhe este impacto térmico, avaliando a relação direta entre a temperatura do painel e a potência fornecida pelo sistema. 4.2. INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NA POTÊNCIA FORNECIDA 4.2.1. ANÁLISE GRÁFICA E CÁLCULO DOS COEFICIENTES DE TEMPERATURA Para quantificar detalhadamente esse impacto térmico, é essencial determinar os coeficientes de temperatura, que expressam a variação da potência do painel em função da temperatura para diferentes níveis de radiação solar. De seguida, será apresentada uma análise gráfica baseada nos dados experimentais recolhidos, permitindo visualizar a relação entre temperatura e potência elétrica fornecida pelo painel, por gama de radiação solar. A partir destes resultados, serão calculados os coeficientes de temperatura da potência máxima para diferentes intervalos de radiação, possibilitando uma avaliação quantitativa da perda de desempenho térmico do sistema fotovoltaico. 4.2.1.1. INTERVALO DE RADIAÇÃO: 200-299 W/M2 O gráfico da Figura 38 mostra a relação inversa entre a temperatura do painel e a potência debitada pelo mesmo para uma faixa de radiação entre 200 e 299 W/m2. Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 53 . Figura 38 – Relação entre a temperatura do painel e a potência fornecida para níveis de radiação ∈ [200;299] W/m2 Verifica-se que, à medida que a temperatura do painel aumenta, a potência fornecida diminui de forma clara e consistente, evidenciando o impacto negativo do aumento térmico no desempenho do sistema. Entre esta faixa de radiação, a potência máxima atingida (261,37 W) coincide com o momento em que a temperatura do painel foi menor (16,53 °C). Com o aumento da temperatura para valores superiores a 35 °C, a potência diminui significativamente, para valores próximos de 150 W, indicando uma quebra significativa de performance do painel fotovoltaico. Neste intervalo, os valores utilizados para o cálculo do coeficiente de temperatura foram: Substituindo os valores nas equações (8) e (9), obtemos: 𝛾=261,37−145,94 48,30− 16,53 =3,63 W/°C 𝛾 = 261,37−145,94 261,37(48,30− 16,53)×100=1,39 %/°C Estes valores indicam que, neste intervalo radiação, para cada grau Celsius de aumento na temperatura do painel, a potência máxima fornecida diminui, em média, 3,63 W ou 1,39 %. Comparativamente às próximas faixas de radiação, a dispersão dos dados é relativamente elevada devido ao número reduzido de dados recolhidos e à menor estabilidade nas condições de operação do painel em baixos níveis de radiação, nomeadamente em valores mais próximos de 200 W/m2. 0 50 100 150 200 250 300 010 20 30 40 50 60 Potência (W) Temperatura (ºC) • 𝑇𝑚á𝑥 = 48,30 °C • 𝑃𝑇𝑚á𝑥 = 145,94 W • 𝑇𝑚í𝑛 = 16,53 °C • 𝑃𝑇𝑚í𝑛 = 261,37 W Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 54 4.2.1.2. INTERVALO DE RADIAÇÃO: 300-399 W/M2 Na Figura 39, também se observa que, no intervalo de radiação entre 300 e 399 W/m2, existe um claro padrão de diminuição da potência fornecida pelo painel à medida que a sua temperatura aumenta, Figura 39 – Relação entre a temperatura do painel e a potência fornecida para níveis de radiação ∈ [300;399] W/m2 À semelhança da faixa de radiação anterior, a potência máxima (241,48 W) e a temperatura mínima (24,06 °C) foram registadas no mesmo timestamp , enquanto, em temperaturas superiores a 40 °C, a potência, geralmente, cai para valores inferiores a 200 W. Neste intervalo, os valores utilizados para o cálculo do coeficiente de temperatura foram: Substituindo os valores nas equações (8) e (9), obtemos: 𝛾=241,48−157,81 53,76− 24,06 =2,82 W/°C 𝛾 = 241,48−157,81 241,48(53,76− 24,06)×100=1,17 %/°C Estes valores indicam que, neste intervalo, para cada grau Celsius de aumento na temperatura da superfície do painel, a potência máxima fornecida diminui, em média, 2,82 W ou 1,17 %. A dispersão dos dados é moderada visto que, apesar de algumas variabilidades, os valores seguem um padrão consistente neste intervalo de radiação solar, reafirmando o impacto negativo do coeficiente térmico. 0 50 100 150 200 250 300 010 20 30 40 50 60 Potência (W) Temperatura (ºC) • 𝑇𝑚á𝑥 = 53,76 °C • 𝑃𝑇𝑚á𝑥 = 157,81 W • 𝑇𝑚í𝑛 = 24,06 °C • 𝑃𝑇𝑚í𝑛 = 241,48 W Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 55 4.2.1.3. INTERVALO DE RADIAÇÃO: 400-499 W/M2 Na Figura 40, observa-se que, para valores de radiação entre 400 e 499 W/m2, o comportamento térmico do sistema fotovoltaico é idêntico às faixas anteriores, sendo atingidas temperaturas superiores. Figura 40 – Relação entre a temperatura do painel e a potência fornecida para níveis de radiação ∈ [400;499] W/m2 A potência máxima (254,09 W) e a temperatura mínima (25,69 °C) foram novamente registadas no mesmo timestamp . Em temperaturas superiores a 50 °C, a potência fornecida nunca atingiu os 200 W. Neste intervalo, os valores utilizados para o cálculo do coeficiente de temperatura foram: Substituindo os valores nas equações (8) e (9), obtemos: 𝛾=254,09−151,72 59,32− 25,69 =3,04 W/°C 𝛾 = 254,09−151,72 254,09(59,32− 25,69)×100=1,20 %/°C Estes valores indicam que, nesta faixa, para cada grau Celsius de aumento na temperatura da superfície do painel, a potência máxima fornecida diminui, em média, 3,04 W ou 1,20 %. A dispersão dos valores recolhidos é semelhante à da faixa anterior, sugerindo que o impacto da temperatura pode ser influenciado por pequenas flutuações na radiação solar dentro do mesmo intervalo de radiação. 0 50 100 150 200 250 300 010 20 30 40 50 60 70 Potência (W) Temperatura (°C) • 𝑇𝑚á𝑥 = 59,32 °C • 𝑃𝑇𝑚á𝑥 = 151,72 W • 𝑇𝑚í𝑛 = 25,69 °C • 𝑃𝑇𝑚í𝑛 = 254,09 W Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 56 4.2.1.4. INTERVALO DE RADIAÇÃO: 500-599 W/M2 Neste intervalo de radiação solar, o declive da linha de tendência da relação entre a temperatura do painel e a potência fornecida é ligeiramente mais acentuado, como se verifica na Figura 41, ficando ainda melhor evidenciada a influência da temperatura durante o funcionamento do sistema fotovoltaico. Figura 41 – Relação entre a temperatura do painel e a potência fornecida para níveis de radiação ∈ [500;599] W/m2 O facto da potência máxima atingida (224,58 W) ser consideravelmente menor que nas faixas anteriores está relacionada com a ausência de produção de energia pelo painel em condições ideais (25 °C), visto que a temperatura mínima registada neste intervalo foi de 33,90 °C. Em casos de temperaturas muito elevadas, superiores a 60 °C, a potência fornecida pelo painel ronda sempre os 150 W, valor muito inferior ao esperado em condições ideais de funcionamento. Neste intervalo, os valores utilizados para o cálculo do coeficiente de temperatura foram: Substituindo os valores nas equações (8) e (9), obtemos: 𝛾 =222,48−141,41 66,06− 33,90 =2,52 W/°C 𝛾 = 222,48−141,41 222,48(66,06− 33,90)×100= 1,13 %/°C Estes valores indicam que, neste intervalo, para cada grau Celsius de aumento na temperatura da superfície do painel, a potência máxima fornecida diminui, em média, 2,52 W ou 1,13 %. 0 50 100 150 200 250 010 20 30 40 50 60 70 Potência (W) Temperatura (ºC) • 𝑇𝑚á𝑥 = 66,06 °C • 𝑃𝑇𝑚á𝑥 = 141,41 W • 𝑇𝑚í𝑛 = 33,90 °C • 𝑃𝑇𝑚í𝑛 = 222,48 W Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 57 A grande quantidade de dados recolhidos e precisão na relação entre temperatura e potência levou a uma dispersão reduzida de dados para esta faixa de radiação solar. 4.2.1.5. INTERVALO DE RADIAÇÃO: 600-699 W/M2 A Figura 42 apresenta a relação entre a temperatura e a potência fornecida, para radiações solares na gama dos 600-699 W/m2. Figura 42 – Relação entre a temperatura do painel e a potência fornecida para níveis de radiação ∈ [600;699] W/m2 Para este intervalo, observa-se uma continuidade no padrão de redução da potência com o aumento da temperatura. Também nesta faixa de radiação, o valor de potência máxima (221,76 W) coincide com a temperaturas mínima registada (41,74 °C), sendo esta consideravelmente inferior à temperatura ideal de funcionamento do sistema. Neste intervalo, os valores utilizados para o cálculo do coeficiente de temperatura foram: Substituindo os valores nas equações (8) e (9), obtemos: 𝛾 =221,76−143,86 65,23− 41,74 = 3,32 W/°C 𝛾= 221,76−143,86 221,76(66,06− 41,74)×100=1,44 %/°C Estes valores indicam que, nesta gama, para cada grau Celsius de aumento na temperatura da superfície do painel, a potência máxima fornecida diminui, em média, 3,32 W ou 1,44 %. 0 50 100 150 200 250 010 20 30 40 50 60 70 Potência (W) Temperatura (°C) • 𝑇𝑚á𝑥 = 65,23 ºC • 𝑃𝑇𝑚á𝑥 = 143,86 W • 𝑇𝑚í𝑛 = 41,74 ºC • 𝑃𝑇𝑚í𝑛 = 221,76 W Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 58 Devido à reduzida quantidade de dados recolhidos, as pequenas flutuações nos valores de radiação dentro do intervalo em análise e à alta temperatura de funcionamento do painel, a dispersão dos dados é relativamente elevada. Este é o último intervalo analisado visto que a radiação solar incidente no painel só atingiu valores superiores a 699 W/m2 em escassos instantes, insuficientes para a realização de um gráfico de dispersão, com uma clara linha de tendência, como se verifica nos casos anteriores. 4.2.2. DISCUSSÃO DOS RESULTADOS OBTIDOS Os resultados obtidos confirmam que o impacto térmico é um dos fatores mais determinantes no desempenho dos painéis fotovoltaicos. A análise dos resultados e o cálculo dos coeficientes de temperatura revelaram que à medida que a temperatura do painel aumenta, a potência fornecida pelo mesmo diminui, independentemente da faixa de radiação solar. Contudo, a magnitude deste impacto varia consoante a intensidade da radiação, evidenciando dinâmicas operacionais e físicas que merecem uma discussão detalhada. Além disso, a interpretação destes resultados em contextos reais de instalação oferece uma visão prática sobre a eficiência e sustentabilidade dos sistemas fotovoltaicos em diferentes cenários climáticos e de operação. Os coeficientes de temperatura calculados para os diferentes intervalos de radiação estão sumarizados na Tabela 1. Tabela 1 - Coeficiente de temperatura obtidos para os diferentes intervalos de radiação solar incidente Intervalo de Radiação (W/m2) 𝜸 (W/°C) 𝜸 (%/°C) [200;299] 3,63 1,39 [300;399] 2,82 1,17 [400;499] 3,04 1,20 [500;599] 2,52 1,13 [600;699] 3,32 1,44 Comparando os intervalos analisados, observa-se que, nas condições de mínima (200-299 W/m2) e máxima radiação (600-699 W/m2), o impacto térmico é mais acentuado, resultando nos maiores coeficientes de temperatura. Em condições de baixa radiação, este comportamento reflete maiores perdas térmicas relativamente à potência total disponível, visto que a energia produzida pelo painel é intrinsecamente limitada. Em condições de alta radiação, apesar da esperada produção energética elevada, esta é comprometida devido ao sobreaquecimento do sistema. Esse efeito é amplificado pela exposição constante a níveis elevados de radiação, que se traduz num rápido aumento da temperatura de operação do painel, exacerbado pelas limitações dos mecanismos passivos de dissipação de calor, Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 65 5.1.2. ARREFECIMENTO ATIVO: CONVECÇÃO FORÇADA O sistema de arrefecimento ativo proposto é composto por uma estrutura intermutável semelhante a uma chaminé, com a inclusão de um ventilador na abertura superior para forçar a circulação do ar. A estrutura intermutável permite a utilização e fácil substituição de uma placa perfurada, posicionada atrás do painel fotovoltaico. Deste modo, a matriz de furos da placa torna-se ajustável, podendo-se optar por diâmetros e espaçamentos entre orifícios diferentes, permitindo a otimização do caudal de ar consoante diferentes condições de operação. O ventilador, localizado na abertura superior da chaminé, exerce uma força de sucção sobre o ar que flui através dos orifícios das placa perfurada, localizada na parte traseira do painel. Ao atravessar os diferentes furos da placa, aumenta a velocidade de escoamento do ar, gerando-se jatos de ar que aumentam consideravelmente a capacidade de dissipação de calor do sistema fotovoltaico. O ar aquecido é continuamente removido pela abertura superior, sendo assim criado um fluxo constante de ar ambiente. Para diferentes valores de potência utilizados pelo ventilador, são obtidos diferentes caudais de ar na chaminé e, consequentemente, diferentes coeficientes de transferência de calor. No capítulo que aborda a monitorização destes sistemas, esta variação é avaliada com mais detalhe. Figura 44 – Esquema do sistema de arrefecimento ativo proposto Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 66 Os orifícios da placa perfurada permitem que o ar ambiente seja aspirado para dentro do canal formado pela traseira do painel e a placa, otimizando a transferência de calor entre o módulo fotovoltaico e o ar circulante. A placa deve ser fabricada em materiais de elevada condutividade térmica, como o alumínio, para assegurar a durabilidade e eficiência do sistema. O esquema apresentado na Figura 44 ilustra o funcionamento do sistema, destacando os seus principais componentes: o ventilador de sucção, que assegura a circulação contínua do ar ambiente e a placa perfurada que regula a entrada de ar incidente na traseira do painel. As setas no esquema indicam a direção de fluxo do ar, que é aspirado pela entrada, atravessa o canal e os furos da placa e é expelido pelas saídas apontadas. 5.2. MONITORIZAÇÃO DOS SISTEMAS DE ARREFECIMENTO Como mencionado anteriormente, a monitorização deste tipo de sistemas é um elemento essencial para uma avaliação precisa do seu desempenho. A análise detalhada de variáveis, como a temperatura e a velocidade de escoamento do fluido de arrefecimento, garante o bom funcionamento e a otimização dos sistemas propostos. A recolha de dados em tempo real é útil para ajustar parâmetros operacionais dos sistemas de arrefecimento e ajuda a diagnosticar possíveis falhas no sistema, como a diminuição da eficiência do ventilador. A posterior análise dos dados recolhidos permite identificar padrões de variação de temperatura e de pressão do fluido e, deste modo, avaliar com mais precisão o efeito do arrefecimento na produção fotovoltaica. Nesta secção, são apresentados os componentes necessários para uma monitorização eficaz, bem como a sua integração com o sistema de monitorização previamente desenvolvido no âmbito da presente dissertação. Para avaliar o comportamento dos sistemas de arrefecimento foram identificadas duas variáveis críticas, a temperatura e a pressão do ar. A temperatura deve ser medida na entrada e nas saídas de ar, para avaliar a diferença térmica do fluido antes e depois do arrefecimento e, consequentemente, a sua eficiência. À semelhança do sistema de monitorização desenvolvido, os componentes utilizados para a medição de temperatura do ar são termopares tipo K, visto que têm um grande alcance (0 a 1024 °C) e são de fácil integração no sistema baseado em Arduino implementado. Para ler e registar a pressão nas entrada e saídas dos sistemas de arrefecimento, são utilizados sensores BMP280 da Adafruit, da figura seguinte, devido à alta precisão, baixo consumo de energia e fácil integração com sistemas Arduino, permitindo a aquisição de dados em tempo real. Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 67 Figura 45 – Sensor de pressão BMP280 Com o registo dos valores de pressão nos locais designados, é possível calcular a velocidade do ar, a partir da equação de Bernoulli (10): ∆𝑃= 1 2𝜌𝑣2⇔𝑣=√2∆𝑃 𝜌 (10) onde ∆𝑃 é a diferença de pressão entre aberturas da chaminé (em Pa), 𝜌 é a massa volúmica do ar (em kg/m3) e 𝑣 é a velocidade do ar (em m/s). Com a velocidade do ar, é possível calcular o caudal volumétrico Q (em m3/s), multiplicando a velocidade pela área da secção transversal A (em m2) da entrada ou saída da chaminé. 𝑄=𝑣𝐴 (11) Desta forma, é possível obter o caudal mássico ṁ (em kg/s), a partir da equação (12): ṁ=𝜌𝑄 (12) Neste contexto, o caudal mássico permite quantificar o ar que circula na chaminé e avaliar se é suficiente para alcançar o nível de arrefecimento pretendido e se é necessário ajustar determinados parâmetros do sistema, como a potência do ventilador ou a matriz de furos da placa, para melhorar o desempenho da instalação. O sistema de monitorização previamente desenvolvido no âmbito da presente dissertação deve ser expandido para a inclusão destes novos sensores. Estes sensores são conectados ao Arduino utilizado que recebe os valores fornecidos, processando-os e registando-os em tempo real e o código desenvolvido é adaptado para integrar estes sensores, implementando os cálculos necessários ao cálculo do caudal mássico ao longo do tempo. Os dados são posteriormente armazenados num cartão SD, para ser realizada uma análise detalhada a todas as variáveis críticas no desempenho do conjunto sistema fotovoltaico - sistema de arrefecimento. Deste modo, os resultados obtidos permitem compreender as Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 68 dinâmicas térmicas dos sistemas passivo e ativo e podem ser utilizados para validar os sistemas propostos e perceber de que forma deve ser feito o ajuste do design dos sistemas, para estes se tornarem mais eficientes em termos de transferência de calor e consumo energético. 5.3. LIMITAÇÕES ASSOCIADAS AOS SISTEMAS DE ARREFECIMENTO Apesar de ambos os sistemas propostos apresentarem possíveis benefícios para o controlo térmico de painéis fotovoltaicos, cada abordagem possui limitações inerentes que devem ser consideradas durante o desenvolvimento e aplicação das tecnologias de arrefecimento. No caso do sistema passivo, apesar de não consumir energia e ser economicamente atrativo, devido à sua simplicidade no fabrico, a capacidade de transferência de calor é limitada. A eficiência da refrigeração passiva é altamente dependente de certas condições climáticas, como a velocidade do vento e a temperatura ambiente. Em regiões ou dias com temperaturas elevadas, o ar ambiente torna-se incapaz de remover eficientemente o calor acumulado na superfície do painel fotovoltaico. Este problema é amplificado quando a radiação solar é intensa, resultando em temperaturas de operação que ultrapassam significativamente os 60 °C. Nessas condições, a convecção natural não consegue reduzir a temperatura do painel para valores próximos do ideal, comprometendo a potência fornecida. Contudo, com base na monitorização realizada durante os meses de outubro e novembro, verificou-se que em determinados dias com temperaturas ambientais moderadas, em torno de 20 °C, e níveis de radiação mais baixos, a temperatura do painel oscilava entre a faixa dos 30 a 40 °C. Nestes casos, a convecção natural pode revelar-se uma solução eficaz, uma vez que não é necessário um arrefecimento significativo para manter a temperatura do painel dentro de uma faixa de operação razoável, mais próxima dos 25 °C. Os resultados da monitorização demonstram que, por cada grau que a temperatura do painel é reduzida, a produção energética pode aumentar em cerca de 1 %. Assim, mesmo uma redução de apenas 5 °C na temperatura do painel, possível com a convecção natural, pode traduzir-se num aumento de potência fornecida de 5 % a 10 % ao longo do dia. Em locais e épocas do ano com condições climáticas semelhantes às monitorizadas, o sistema passivo pode ser uma solução eficaz e económica. Por outro lado, o sistema ativo, ao utilizar um ventilador para forçar a circulação de ar, consegue ultrapassar as limitações de dependência ambiental do sistema passivo. Mesmo em condições de altas temperaturas ambientais, a convecção forçada garante uma maior dissipação térmica, podendo conseguir reduzir a temperatura do painel para níveis ideais de operação. No entanto o consumo de energético do ventilador reduz a eficiência líquida do sistema, e a presença de componentes mecânicos, como a placa perfurada, adiciona custos de instalação e manutenção. Estes fatores tornam o sistema Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 69 ativo menos atrativo para situações onde a redução de temperatura necessária é menor, como as verificadas durante os períodos monitorizados com temperaturas e radiações mais moderadas . No entanto, em climas extremos, os dados reforçam que apenas o sistema ativo pode garantir a remoção de calor necessária para evitar perdas de desempenho do painel fotovoltaico. Também durante a monitorização do desempenho fotovoltaico, verificou-se que, apesar das temperaturas ambientes amenas, existiram períodos de elevada radiação solar que resultaram no sobreaquecimento do painel, atingindo temperaturas superiores a 50 °C. Este comportamento térmico demonstra que, mesmo em meses como outubro e novembro, no clima típico português, um sistema ativo de arrefecimento poderia ser atrativo, especialmente durante as horas de maior radiação. Nestas condições, o sobreaquecimento reduz a potência fornecida pelo painel em mais de 40 %, logo a utilização de um sistema ativo poderia não apenas mitigar estas perdas, mas também compensar o consumo energético necessário para o funcionamento do ventilador. Portanto, embora ambos os sistemas apresentem limitações claras, a escolha entre um sistema passivo ou ativo deve considerar o contexto climático e operacional. Em condições moderadas, a simplicidade e o baixo custo do sistema passivo podem ser vantajosos. Contudo, em climas quentes e com elevada radiação solar, o sistema ativo torna-se essencial para mitigar os efeitos negativos do sobreaquecimento e garantir uma operação eficiente dos painéis fotovoltaicos. Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 70 6. CONSIDERAÇÕES FINAIS A presente dissertação abordou o desenvolvimento e teste de um sistema de monitorização de natureza open source para um sistema fotovoltaico autónomo, com o objetivo de quantificar a influência da temperatura das células na potência fornecida pelo painel fotovoltaico. Ao longo do trabalho, foram estudados comportamentos típicos do sistema em condições ambientais reais e o respetivo impacto térmico, para diferentes intervalos de radiação solar. A construção do sistema de monitorização foi realizada com materiais de fácil acesso e custo reduzido, sendo que a utilização dos diferentes sensores e dos sistemas de aquisição de dados permitiu monitorizar variáveis críticas na avaliação do desempenho de um painel fotovoltaico, nomeadamente a intensidade da radiação solar, a temperatura e a potência elétrica. Após o estudo detalhado do comportamento térmico do sistema fotovoltaico, foram idealizados dois sistemas de arrefecimento, um ativo e outro passivo, com diferentes princípios de funcionamento e aplicações. Adicionalmente, explorou-se a possibilidade integração de novos sensores no sistema de monitorização desenvolvido que permitam estudar e quantificar, simultaneamente, a eficácia dos sistemas de arrefecimento propostos e o comportamento térmico do sistema fotovoltaico. 6.1. CONCLUSÕES Os resultados experimentais obtidos evidenciaram a influência significativa da temperatura de operação no desempenho energético de módulos fotovoltaicos, comprovando que o aumento da temperatura das células está diretamente relacionado com a redução da potência fornecida pelo sistema. A análise experimental demonstrou que, em condições de radiação solar média-alta, a superfície fotovoltaica alcançou temperaturas superiores a 60 °C, que resultaram numa perda de potência fornecida em cerca de 20-30 %. Por outro lado, durante períodos de baixa radiação solar, foi possível verificar uma menor influência da temperatura e até potências fornecidas superiores às obtidas em condições de maior radiação e consequentemente, maior temperatura de funcionamento. Para os diferentes intervalos de radiação solar analisados, resultaram coeficientes de temperatura entre 1 % e 1,5 % por grau Celsius. Isto significa que, por 1 °C de aumento de temperatura do painel fotovoltaico, perdeu-se entre 1-1,5% de potência relativamente à potência máxima obtida em cada intervalo analisado. A implementação de um sistema de monitorização open source com sensores de temperatura, tensão, corrente e radiação solar demonstrou ser uma solução eficiente para a contínua recolha e análise de dados sobre performance fotovoltaica, permitindo identificar padrões de comportamento térmico e Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 71 energético do painel em condições ambientais reais. Além disso, a modularidade do sistema leva a uma elevada adaptabilidade, possibilitando futuras expansões para incluir a análise de variáveis adicionais, como a humidade e o vento sentidos no local da instalação. Importa referir que a monitorização foi realizada nos meses de outubro e novembro, período em que, apesar das temperaturas ambiente moderadas, se verificaram valores significativos de aquecimento nos módulos, revelando a necessidade de soluções de arrefecimento mesmo fora dos meses de verão. A idealização de dois sistemas de arrefecimento, um passivo e outro ativo, surge na sequência dos resultados obtidos durante a monitorização e nas condições típicas de operação do painel. O sistema passivo é focado na promoção convecção natural de ar na traseira do painel, adequado para cenários com temperatura ambiente e radiação solar moderadas. O sistema ativo proposto utiliza um ventilador de sucção para promover a convecção forçada através de jatos de ar, sendo mais adequado para condições de alta radiação e temperaturas elevadas, onde o arrefecimento torna-se fundamental para mitigar as perdas de potência. Apesar de não terem sido implementados no âmbito desta dissertação, os sistemas propostos oferecem soluções viáveis para reduzir os efeitos do sobreaquecimento e melhorar o desempenho dos módulos fotovoltaicos. O trabalho enfrentou algumas limitações inerentes à escala do sistema e ao tempo disponível para execução da investigação. A impossibilidade de realizar testes experimentais nos sistemas de arrefecimento propostos impediu uma avaliação prática da sua eficácia. Além disso, a análise foi limitada a um único tipo de painel fotovoltaico, restringindo a generalização dos resultados a outros módulos ou tecnologias. Apesar disso, os resultados obtidos confirmam a relevância do sistema de monitorização desenvolvido e evidenciam o potencial de estratégias complementares para melhorar a eficiência energética dos sistemas fotovoltaicos. Este estudo não só contribui para a compreensão detalhada da influência da temperatura em módulos fotovoltaicos, como também serve como uma base para futuras revisões literárias no contexto do impacto térmico na potência fornecida por sistemas fotovoltaicos, reforçando a importância de integrar ferramentas de monitorização e soluções de arrefecimento para maximizar a eficiência e a sustentabilidade dos sistemas de energia solar. 6.2. PERSPETIVAS E TRABALHOS FUTUROS Os resultados deste trabalho abrem caminho para várias linhas de investigação futura. A partir do sistema de monitorização desenvolvido e após a implementação prática dos sistemas de arrefecimento idealizados, podem ser avaliadas novas variáveis e abordagens, tais como: Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 72 Em síntese, esta dissertação demonstrou a eficácia de um sistema de monitorização open source na análise do comportamento térmico e energético de sistemas fotovoltaicos, além de apresentar soluções inovadoras para mitigar os impactos térmicos. As perspetivas delineadas visam consolidar os avanços alcançados, contribuindo para o desenvolvimento de sistemas fotovoltaicos mais eficientes e sustentáveis. − Extensão do período de monitorização para os meses de verão, nomeadamente junho, julho e agosto, de forma a captar os efeitos térmicos mais acentuados sobre o desempenho fotovoltaico e validar a eficácia dos sistemas de arrefecimento em condições extremas. Esta abordagem permitiria uma caracterização mais abrangente do comportamento térmico dos módulos ao longo do ano. − Integração de novos sensores no sistema de monitorização desenvolvido para instalações fotovoltaicas, que permitam analisar o comportamento destes sistemas com ainda mais detalhe, por exemplo, com sensores de humidade e vento no local da instalação em estudo. − Construção dos sistemas de arrefecimento propostos e realização de ensaios laboratoriais para avaliação da eficácia na redução da temperatura do painel fotovoltaico, determinando as condições em que cada sistema, ativo e passivo, apresenta o melhor desempenho. − Realização de simulações computacionais a partir de ferramentas de modelação térmica e dinâmica de fluidos para previsão do comportamento dos sistemas de arrefecimento em diferentes cenários e configurações, para otimização do design idealizado. − Expansão do sistema de monitorização desenvolvido para avaliação da eficiência do arrefecimento, a partir da integração de termopares e sensores de pressão nas entradas e saídas de ar dos sistemas propostos. − Desenvolvimento de um de um sistema de controlo inteligente acoplado ao sistema de monitorização, que permita acionar os mecanismos de arrefecimento de forma automática e apenas quando necessário. Tal sistema poderia basear-se em algoritmos de decisão suportados em variáveis críticas como a temperatura do painel, a radiação incidente e a eficiência instantânea, otimizando o consumo energético associado ao arrefecimento e maximizando o rendimento do sistema fotovoltaico. − Análise da viabilidade económica das soluções de monitorização e arrefecimento propostas, considerando o impacto na eficiência energética e a recuperação do investimento ao longo da vida útil do sistema. Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 73 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Abd-Elhady, M.S., Z. Serag, e H.A. Kandil. 2018. «An innovative solution to the overheating problem of PV panels». Energy Conversion and Management 157 (Fevereiro):452–59. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.12.017. Agathokleous, Rafaela A., e Soteris A. Kalogirou. 2018. «Part I: Thermal analysis of naturally ventilated BIPV system: Experimental investigation and convective heat transfer coefficients estimation». 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Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 81 ANEXO A: CÓDIGO DESENVOLVIDO PARA O SISTEMA DE MONITORIZAÇÃO Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 82 Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 83 Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 84 Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 85 ANEXO B: VALORES REGISTADOS PELO SISTEMA DE MONITORIZAÇÃO Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 86 Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 87 Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 88 ´ Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 89 Arrefecimento Convectivo de Painéis Fotovoltaicos 90