Analysis of a photovoltaic-thermal with heat pump system for engine heating in thermal power plants

Luciano Tavares Barbosa; Nathália Maria Padilha da Rocha e Silva; Leonie Asfora Sarubbo; Rita de Cássia Freire Soares da Silva; Leonardo Bandeira dos Santos; Valdemir Alexandre dos Santos

doi:10.5327/Z2176-94782218

Autores

Luciano Tavares Barbosa Instituto Avançado de Tecnologia e Inovação (IATI) - Brasil https://orcid.org/0000-0003-1377-4577
Nathália Maria Padilha da Rocha e Silva Instituto Avançado de Tecnologia e Inovação (IATI) - Brasil https://orcid.org/0000-0003-0999-7663
Leonie Asfora Sarubbo Instituto Avançado de Tecnologia e Inovação (IATI) - Brasil https://orcid.org/0000-0002-4746-0560
Rita de Cássia Freire Soares da Silva Instituto Avançado de Tecnologia e Inovação (IATI) - Brasil https://orcid.org/0000-0002-5908-1357
Leonardo Bandeira dos Santos Instituto Avançado de Tecnologia e Inovação (IATI) - Brasil https://orcid.org/0000-0001-6558-5474
Valdemir Alexandre dos Santos Universidade Católica de Pernambuco (UNICAP) - Brasil https://orcid.org/0000-0001-6558-5474

DOI:

https://doi.org/10.5327/Z2176-94782218

Palavras-chave:

protótipo em escala de bancada; dinâmica de fluidos computacional; eficiência térmica; ampliação de escala; energia solar; aplicações industriais

Resumo

Este estudo realizou uma análise computacional e validação experimental de um sistema fotovoltaico-térmico (PVT, photovoltaic-thermal) híbrido combinado com uma bomba de calor para aquecimento de motores em usinas termelétricas. Utilizando o software Ansys Fluent para simulações de dinâmica de fluidos computacional, a pesquisa examinou o desempenho térmico e a eficiência do sistema PVT sob condições reais de operação. As simulações confirmaram que o sistema PVT pode alcançar alta eficiência térmica, especialmente durante períodos de máxima radiação solar. O modelo de malha utilizado nas simulações foi composto por 6.589.347 elementos, refinado para capturar os detalhes do fluxo de fluido e transferência de calor. Os resultados indicaram que a temperatura máxima da água na saída atingiu 315 K, enquanto os testes experimentais mostraram uma temperatura máxima de 328,15 K. A eficiência térmica máxima observada foi de 73% ao meio-dia. O estudo também demonstrou a viabilidade de ampliar o sistema de um protótipo em escala de bancada para aplicações industriais. Ao empregar a aproximação de Boussinesq e manter os números adimensionais de Reynolds, Nusselt, Prandtl, Grashof e Rayleigh, as simulações em escala reduzida mostraram-se confiáveis e comparáveis a sistemas em escala real. A integração do sistema PVT com uma bomba de calor demonstrou ser eficaz na redução do consumo de combustíveis fósseis, permitindo a geração simultânea de eletricidade e calor, melhorando a eficiência energética e reduzindo os custos operacionais em ambientes industriais. O sistema PVT enfrenta limitações climáticas, altos custos e desafios de integração industrial. O presente estudo reconhece os desafios para a adoção generalizada de sistemas PVT e sugere pesquisas futuras para otimizar esses sistemas em diversos contextos climáticos e geográficos.

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