Comparação de eficiência entre coletores solares planos de rastreamento e fixados de maneira ideal

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12712 (2023) Citar este artigo

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Investigamos a orientação ideal para um coletor solar de placa plana fixa usando o modelo de céu claro. O componente de reflexão do solo da irradiação que atinge a superfície do coletor é ignorado devido à sua magnitude relativamente pequena quando comparado ao feixe direto e aos componentes difusivos do céu. Cálculos analíticos demonstram que, independentemente da latitude do coletor, o ângulo azimutal mais eficaz, \(\gamma ^*\), é 0, que geralmente corresponde a uma direção Norte-Sul. No entanto, o ângulo de inclinação ideal, \(\beta ^*\), depende tanto do Dia do Ano (DoY) quanto da latitude local do coletor. Para latitudes típicas de zonas climáticas de média altitude, podemos calcular o ângulo de inclinação ideal e a energia máxima que o coletor pode coletar durante cada DoY. Comparamos a energia máxima recebida diariamente - que é a soma das energias do feixe direto e da difusão do céu - associada a esta orientação ideal com seus valores correspondentes quando a placa plana segue o Sol. O aumento relativo na energia total devido ao rastreamento do Sol depende criticamente do DoY, com um valor mínimo de cerca de \(17\%\) no início do inverno e um valor máximo de \(40\%\) durante um grande intervalo.

Dispositivos como coletores solares, painéis e concentradores são projetados para coletar energia da radiação solar1,2,3,4,5,6,7. Maximizar seu desempenho e eficiência é crucial, e a maneira mais eficaz de conseguir isso é orientar o coletor ao longo do feixe solar, conhecido como Direção de Irradiância Normal (DNI). No entanto, isto requer um sistema de rastreamento, já que a posição aparente do Sol no céu muda ao longo do dia. Embora os sistemas de rastreamento possam melhorar significativamente a eficiência, eles também podem ser caros e exigir energia adicional para operação8. Além disso, a sua operação e manutenção também são dispendiosas. Para reduzir estes custos, é desejável colocar os colectores solares numa orientação fixa mas óptima e ajustar periodicamente esta orientação conforme necessário. Contudo, encontrar a orientação ideal não é uma tarefa fácil e depende de vários fatores extrínsecos, incluindo condições climatológicas e meteorológicas9,10. Normalmente, a orientação ideal de um coletor solar é determinada empiricamente diariamente, mensalmente, trimestralmente ou anualmente. Existem alguns fatores que podem afetar a quantidade de irradiação recebida por um coletor solar. A irradiação recebida pode depender da geometria e do formato do coletor solar. Além disso, depende da latitude do local, do dia do ano e também do clima. Como resultado, determinar a orientação ideal pode ser um processo complexo e dependente da localização. Muitos coletores solares têm uma superfície plana, como coletores de placa plana e painéis fotovoltaicos, enquanto outros têm uma curvatura côncava, como pratos solares ou calhas parabólicas. Porém, no caso de coletores curvos, a área de superfície efetiva exposta ao Sol (abertura) é plana. A orientação de um coletor de abertura plana pode ser especificada por dois ângulos de inclinação, \(\beta\), e azimute, \(\gamma\). Nos últimos anos, vários grupos de pesquisa têm examinado a otimização da orientação do coletor solar para diferentes locais ao redor do mundo. Diferentes técnicas, incluindo algoritmos genéticos e recozimento simulado, têm sido utilizadas11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29, 30,31,32,33,34,35,36,37,38. Para uma revisão detalhada, consulte39. A maioria dos artigos que abordam o problema da orientação ideal para coletores de superfície plana o fazem em escala geográfica local e não universal. Como regra geral, sugere-se que no hemisfério Norte (Sul), a orientação ideal seja voltada para o Sul (Norte) e que o ângulo de inclinação anual ideal seja igual à latitude local. Entretanto, outros artigos propuseram uma faixa mais ampla para o ângulo de inclinação ideal11,15,16. Infelizmente, muitas dessas investigações sofrem com a falta de uma abordagem matemática abrangente e rigorosa. Neste artigo, pretendemos abordar o problema de otimização de coletores solares de orientação fixa usando uma estrutura matemática rigorosa. Pode parecer intuitivo que a orientação ideal do coletor seja perpendicular à direção dos raios solares ao meio-dia solar, já que a luz solar brilha quase diretamente sobre a cabeça durante esse período. Contudo, como veremos, considerando a contribuição da energia de irradiação direta ao longo do dia, incluindo a radiação no início da manhã e da tarde, o ângulo de inclinação ideal desvia-se desta conjectura. Como veremos, depende crucialmente da latitude e do dia do ano. A irradiação solar total recebida no solo consiste em três componentes principais: feixe direto, difusivo do céu e reflexão do solo. Embora a contribuição da reflexão do solo seja insignificante, a contribuição da radiação difusiva do céu é significativa. Neste estudo, focamos nos componentes difusivos do feixe direto e do céu e ignoramos a reflexão do solo. Especificamente, calculamos as contribuições de energia devido ao feixe direto e à radiação difusiva do céu separadamente, sendo esta última investigada usando uma aproximação isotrópica. Neste artigo não consideramos o impacto do ângulo de incidência da irradiação nas características de conversão de energia solar. Por exemplo, a eficiência dos painéis solares fotovoltaicos é afetada pelo ângulo em que os raios solares atingem o painel40,41,42 ou em concentradores solares, a irradiação difusiva não pode ser captada. Este problema importante e desafiador requer uma investigação mais aprofundada. Além disso, a eficiência dependente da tecnologia poderá ser interessante para considerações futuras. Aqui, nosso foco principal está na energia de irradiação geral recebida de um coletor plano, em vez de nos aprofundarmos nos detalhes de conversão de energia e eficiência do painel. Este artigo está organizado da seguinte forma: na seção “Um pouco de astronomia”, são apresentados alguns pré-requisitos da astronomia matemática; na seção “Formulação e metodologia: orientação ideal de um receptor de placa plana”, discutimos a orientação ideal de um coletor solar plano e fornecemos uma solução analítica para os ângulos ideais; na seção “Comparação com uma placa plana de rastreamento”, comparamos a energia total colhida por uma placa plana fixa e uma placa de rastreamento e apresentamos nossas descobertas; A seção “Comparação com resultados existentes na literatura” é dedicada a comparar nossos resultados com achados semelhantes existentes na literatura. E finalmente concluímos o artigo com algumas considerações finais.