Pesquisadores da Universidade de Razi, no Irã, investigaram como a geometria de tubos de cobre empregados no resfriamento a água afeta o desempenho elétrico e térmico de coletores fotovoltaicos-térmicos, conhecidos pela sigla PVT. O trabalho teve como meta central verificar se dutos com conformação ondulada seriam capazes de potencializar a extração de calor e elevar a eficiência total do conjunto em comparação com os modelos convencionais que utilizam tubulações retas lineares. Para alcançar os resultados, a equipe avaliou experimentalmente três arranjos geométricos sob diferentes vazões de fluxo de água.

Este estudo apresenta uma investigação experimental sobre o desempenho de um sistema PVT resfriado a água integrado a canais ondulados de cobre, com o objetivo de quantificar o impacto da geometria dos canais e da taxa de vazão nas eficiências térmica e elétrica. Notavelmente, ao contrário de muitos estudos em pequena escala, esta pesquisa é conduzida em um módulo fotovoltaico comercialmente representativo.

Como funciona o coletor solar híbrido testado

Os coletores fotovoltaicos-térmicos combinam a geração de eletricidade a partir da radiação solar com o aproveitamento térmico do calor residual retido no módulo. Em sistemas fotovoltaicos comuns, o acúmulo excessivo de calor nas células de silício reduz de forma direta a capacidade de conversão elétrica. Ao fazer circular um fluido refrigerante na parte posterior da estrutura, o sistema extrai essa energia térmica, que pode ser direcionada para aquecimento de água, além de manter o módulo operando em temperaturas mais favoráveis para a geração elétrica.

Para a montagem experimental, os pesquisadores construíram um protótipo utilizando um módulo fotovoltaico comercial de 180 W, cujas dimensões físicas são de 68 centímetros de largura por 148 centímetros de comprimento. Na parte traseira desse painel, foi instalada uma placa absorvedora fabricada em alumínio, encarregada de conduzir a energia térmica das células solares diretamente até o circuito hidráulico de cobre.

A geometria ondulada dos tubos de cobre e a montagem

A equipe desenvolveu e comparou três configurações distintas de sistemas de resfriamento com tubos de cobre. O objetivo era entender se a turbulência gerada pelas curvas aumentaria a troca de calor com a água circulante. As configurações analisadas englobaram:

  • Uma montagem padrão dotada de tubos de cobre retos convencionais;
  • Uma montagem com tubos ondulados mecanicamente dobrados apresentando passo de 200 milímetros (denominada W-200);
  • Uma montagem com tubos ondulados dobrados com passo de 300 milímetros (W-300).

Em ambas as estruturas onduladas, a altura da onda foi mantida fixa em 50 milímetros. Durante a montagem física do coletor, pasta térmica de silicone foi aplicada para melhorar o contato condutivo entre os tubos de cobre e a placa de alumínio absorvedora. O conjunto foi rigidamente fixado por meio de fitas de cobre e adesivo termicamente condutivo, assegurando contato estável e contínuo durante a operação.

Condições dos testes de campo no Irã

Diferente de testes realizados exclusivamente em simuladores fechados de laboratório, os ensaios foram conduzidos ao ar livre na cidade de Kermanshah, situada no oeste do Irã. O período de medições ocorreu durante o mês de maio de 2025. Ao longo das sessões de teste, as condições climáticas médias registraram temperatura ambiente de 27 °C e uma irradiância solar de 1.038 W/m².

Cada arranjo de tubulação foi submetido a vazões controladas de água que variaram entre 200 mililitros por minuto (mL/min) e 800 mL/min. Durante todo o procedimento, a temperatura da água na entrada do circuito foi rigorosamente mantida em 20 °C. Para servir como referência de desempenho básico, a equipe também realizou testes simultâneos com um módulo fotovoltaico padrão sem qualquer sistema de resfriamento. Cada ciclo de avaliação durou cerca de 30 minutos, intervalo necessário para que as condições operacionais alcançassem estabilidade térmica.

Impacto na temperatura e eficiência elétrica

Os dados coletados comprovaram que a circulação forçada do fluido teve impacto direto no controle térmico das placas solares. O design com curvas mais frequentes obteve a melhor performance de arrefecimento entre todos os cenários analisados pelo grupo de pesquisadores.

A implementação do resfriamento líquido reduziu efetivamente a temperatura do painel. Na configuração ideal testada do tubo W-200 a 800 mL/min, a temperatura da placa absorvedora foi reduzida para aproximadamente 49 °C, em comparação com 64 °C no sistema sem resfriamento, uma redução de cerca de 15 °C. Da mesma forma, a temperatura da superfície do painel não resfriado, que atingiu uma máxima de quase 67 °C, foi significativamente atenuada.

Essa queda na temperatura de operação refletiu-se diretamente no rendimento elétrico. O modelo W-200, caracterizado pelo passo de 200 mm, registrou uma eficiência elétrica máxima de 13,65% quando operado sob a taxa de vazão de 800 mL/min. Em comparação, o módulo fotovoltaico sem refrigeração operou com eficiência de 12,63%, demonstrando um ganho de 1,02 ponto percentual gerado pelo arrefecimento.

Em contrapartida à melhora térmica, o circuito ondulado impôs maior resistência física à passagem do fluido. A montagem W-200 gerou a maior perda de carga do experimento, atingindo aproximadamente 1.200 Pa a uma vazão de 400 mL/min, enquanto o sistema com tubos retos registrou cerca de 750 Pa sob essa mesma vazão de 400 mL/min.

Rendimento térmico e eficiência global do sistema

A taxa de calor extraída pela água revelou a superioridade da geometria ondulada em relação ao traçado reto tradicional. O aumento da área de contato e da turbulência interna garantiu transferências térmicas mais elevadas para a água que passava pelo coletor.

O tubo W-200 exibiu a extração de calor mais eficaz entre os casos testados, alcançando uma eficiência térmica máxima de aproximadamente 24% a 800 mL/min, em comparação com apenas 18% para o tubo reto. Consequentemente, a configuração ideal W-200 entregou uma eficiência global máxima superior a 37%, superando substancialmente o tubo reto, que ficou em cerca de 31%.

Os detalhes completos da pesquisa foram descritos no artigo científico intitulado “Experimental analysis of thermal performance of a photovoltaic – thermal hybrid solar collector (PVT) with wavy channel”, publicado no periódico internacional Energy Nexus.

Leitura da LZ7 Energia

A perda de rendimento por superaquecimento é um dos desafios enfrentados na geração solar fotovoltaica durante os meses mais quentes no Norte Pioneiro do Paraná, onde as temperaturas elevadas do verão reduzem a eficiência instantânea dos módulos sobre os telhados. Tecnologias híbridas como os coletores PVT reforçam a importância do gerenciamento térmico, apontando caminhos futuros para instalações industriais e rurais que demandem tanto energia elétrica quanto água pré-aquecida para seus processos produtivos.

Fonte: PV Magazine — Solar global — matéria original publicada em pv-magazine.com. Imagens e vídeos: PV Magazine — Solar global. Texto apurado e reescrito pela redação da LZ7 Energia.