Enhancing Photovoltaic Panel Efficiency Using Fin-Augmented Forced Air Convection with Evaporative and Vapour-Compression Cooling: An Experimental Investigation

Resumo Técnico: Aprimoramento da Eficiência de Painéis Fotovoltaicos via Convecção de Ar Forçada com Aumento de Aletas

Definição do Problema
Módulos fotovoltaicos (FV) policristalinos comerciais tipicamente convertem apenas 15–22% da energia solar incidente em eletricidade sob Condições Padrão de Teste (STC), com o restante sendo absorvido como calor. Em climas subtropicais como o da Índia, essa carga térmica eleva as temperaturas da superfície do painel para 55–65°C durante o pico do verão. Como a potência de saída diminui em 0,3–0,5% para cada grau Celsius acima da referência de 25°C da STC, um painel operando a 60°C pode perder 10,5–17,5% de sua potência nominal. Embora existam métodos de resfriamento passivo, eles são frequentemente insuficientes sob irradiância extrema. O resfriamento líquido ativo oferece alta transferência de calor, mas introduz ônus de manutenção e consumo de água. Consequentemente, há uma necessidade de sistemas de resfriamento a ar ativo que equilibrem simplicidade, custo e eficácia, particularmente em climas quentes e áridos. No entanto, a influência combinada da geometria das aletas, da taxa de fluxo de ar e da temperatura do ar de entrada — comparando especificamente o resfriamento evaporativo contra o resfriamento por compressão de vapor para sistemas de face traseira com aumento de aletas — não foi sistematicamente caracterizada.

Metodologia
Este estudo empregou uma abordagem experimental de painel duplo para isolar os efeitos de resfriamento da variabilidade da irradiância. Dois painéis fotovoltaicos policristalinos idênticos de 330 Wp foram operados simultaneamente ao ar livre em Vadodara, Gujarat, durante janeiro de 2025. Um painel serviu como controle de convecção natural (sem aletas), enquanto o outro foi equipado com um sistema de resfriamento customizado (com aletas).

• Design do Sistema: O painel ativo apresentou 30 aletas de alumínio em formato de "L" coladas à sua face traseira, envoltas em um conduto de ferro galvanizado (GI). O ar foi forçado através deste conduto via um ventilador centrífugo conectado a um resfriador desert (evaporativo) ou a uma bomba de calor de compressão de vapor.
• Validação Analítica: Antes da fabricação, o sistema foi modelado utilizando a correlação de Dittus–Boelter. O alvo de design era remover 1.373 W de calor. O modelo analítico confirmou que 30 aletas em forma de L alcançariam 1.581 W de transferência de calor, excedendo o requisito em 15%, com uma efetividade da aleta ($\varepsilon$) de 1,94 e eficiência ($\eta$) de 89,75%.
• Configurações Experimentais: Cinco distintos cenários de resfriamento foram testados sob irradiância externa natural (627–820 W/m²):
  1. C1: Linha de base de convecção natural (sem aletas).
  2. C2: Convecção forçada ambiente (apenas ventilador).
  3. C3: Resfriador desert evaporativo (ventilador + resfriamento evaporativo).
  4. C4: Bomba de calor em baixa taxa de fluxo (0,175 m³/s).
  5. C5: Bomba de calor em alta taxa de fluxo (0,212 m³/s).
• Instrumentação: A coleta de dados incluiu detectores de temperatura de resistência (RTD) para a temperatura do painel, termopares do tipo T para as temperaturas de entrada/saída do ar, medidores digitais para tensão e corrente, e um piranômetro calibrado para irradiância. A análise de incerteza seguiu a estrutura GUM, confirmando a significância estatística dos ganhos de eficiência com um nível de confiança de 95%.

Principais Resultados
Os dados experimentais revelaram características de desempenho distintas entre as configurações:

• Desempenho de Linha de Base: O painel de controle sem aletas (C1) operou com uma temperatura média de 51,05°C com uma eficiência média de 12,38% e potência média de 181,3 W.
• Resfriamento Evaporativo (C3): Esta configuração alcançou a maior eficiência elétrica média de 13,37%, representando um ganho absoluto de 0,99 pontos percentuais sobre a linha de base. Entregou uma potência de pico de 210,5 W.
• Resfriamento por Compressão de Vapor (C4): A bomba de calor operando na taxa de fluxo baixa otimizada (0,175 m³/s) rendeu a maior potência média de 211,6 W e uma potência de pico de 216,52 W. Sua eficiência média foi de 13,11%.
• Sensibilidade à Taxa de Fluxo (C5): O aumento da taxa de fluxo da bomba de calor para 0,212 m³/s resultou em um declínio de desempenho. A potência média caiu para 188,7 W e a eficiência para 12,90%. A diferença de temperatura ($\Delta T$) entre a entrada e a saída do ar diminuiu de 9,01°C (C4) para 7,08°C (C5).
• Mecanismo Térmico: O estudo identificou uma relação não monotônica entre a taxa de fluxo de ar e a eficiência. Embora o coeficiente de transferência de calor por convecção escale com a velocidade elevada à potência de 0,8 ($V^{0,8}$), a taxa de fluxo de massa escala linearmente ($V$). Consequentemente, o calor removido por unidade de volume de ar escala como $V^{-0,2}$. Fluxos excessivos reduzem o tempo de residência térmica do ar dentro do conduto, limitando a troca térmica por unidade de massa e reduzindo a eficiência global do sistema.

Significância e Alegações
Os autores alegam que este estudo fornece um framework reproduzível para otimizar o resfriamento a ar forçada assistido por aletas em climas quentes e áridos. As principais contribuições são:

1. Validação de Design: A validação bem-sucedida, tanto analítica quanto experimental, de que 30 aletas de alumínio em forma de L podem exceder as metas de remoção de calor de design em 15%, confirmando a viabilidade desta geometria específica para retrofit.
2. Desempenho Comparativo: A demonstração de que, embora o resfriamento evaporativo ofereça os maiores ganhos de eficiência (ideal para climas quentes e com escassez de água), o resfriamento por compressão de vapor em taxas de fluxo otimizadas pode maximizar a potência absoluta de saída.
3. Otimização da Taxa de Fluxo: A identificação de um efeito de "tempo de residência" crítico, provando que simplesmente maximizar a velocidade do ventilador não maximiza a eficiência. Este achado tem implicações diretas para o design de estratégias de controle de Conversor de Frequência Variável (VFD), sugerindo que as taxas de fluxo devem ser otimizadas em vez de apenas maximizadas.
4. Rigor Metodológico: O uso de uma configuração de painel duplo simultâneo elimina efetivamente a variabilidade da irradiância como uma variável de confusão, permitindo a atribuição robusta dos ganhos de desempenho apenas aos mecanismos de resfriamento.

O estudo conclui que, embora todos os métodos de convecção forçada tenham superado a convecção natural, a escolha entre o resfriamento evaporativo e o de compressão de vapor depende de se a prioridade é a máxima eficiência (evaporativo) ou a máxima potência de saída (bomba de calor otimizada), e que a taxa de fluxo deve ser cuidadosamente ajustada para evitar retornos decrescentes associados a um tempo de residência térmica insuficiente.