Simulação fluidodinâmica computacional de jato de água em superfície plana: avaliação de parâmetros operacionais para limpeza de módulos fotovoltaicos

Abstract

Este trabalho investiga a aplicação da Simulação Fluidodinâmica Computacional (CFD) para otimizar a remoção de sujidade em módulos fotovoltaicos por meio de jatos de água pressurizados. Como consequência do acúmulo de sujeira nos módulos, a eficiência dos painéis solares pode ser significativamente reduzida pelo acúmulo de poeira e outros contaminantes, comprometendo a geração de energia. O estudo utilizou o software ANSYS Fluent para modelar o impacto do jato d’água sobre uma superfície plana, variando parâmetros operacionais como inclinação do bocal e pressão de operação. Foram analisadas três geometrias de inclinação de bocal com valores de 90°, 135° e 145°, sob diferentes pressões de operação, para determinar a distribuição da tensão de cisalhamento e sua influência na remoção de partículas. Os resultados indicam que a Geometria 3, com inclinação de 145°, apresentou melhor desempenho na eficiência de limpeza, proporcionando um arraste mais prolongado das partículas ao longo da superfície do módulo, apesar de apresentar picos de tensão de cisalhamento menores que a Geometria 1. Além disso, observou-se que a inclinação do bocal tem um papel fundamental na distribuição da tensão de cisalhamento, afetando diretamente a capacidade de remoção de sujeira. Como contribuição prática, este estudo sugere a aplicação desses resultados na projeção de um sistema automatizado de limpeza para módulos fotovoltaicos, permitindo que sensores detectem a necessidade de limpeza e ativem os jatos de água automaticamente, reduzindo a necessidade de mão de obra e otimizando o uso de recursos. Trabalhos futuros podem explorar a modelagem de um painel inteiro, a análise de diferentes tipos de bocais e a implementação experimental dos sistemas simulados. Os achados deste estudo contribuem para o avanço da manutenção automatizada de usinas solares, garantindo maior eficiência e viabilidade econômica na geração de energia solar.

This study investigates the application of Computational Fluid Dynamics (CFD) simula- tion to optimize the removal of dirt from photovoltaic modules using pressurized water jets. As a consequence of dirt accumulation on the modules, the efficiency of solar panels can be significantly reduced by the accumulation of dust and other contaminants, compromising energy generation. The study employed ANSYS Fluent software to model the impact of water jets on a flat surface, varying operational parameters such as nozzle inclination and operating pressure. Three nozzle inclination geometries with values of 90°, 135°, and 145° were analyzed under different operating pressures to determine the shear stress distribution and its influence on particle removal. The results indicate that Geometry 3, with a 145° inclination, exhibited the best cleaning efficiency, providing a more prolonged drag effect on particles along the module surface, despite presenting lower shear stress peaks than Geometry 1. Additionally, it was observed that nozzle inclination plays a fundamental role in the distribution of shear stress, directly affect- ing the ability to remove dirt. As a practical contribution, this study suggests applying these results to the design of an automated cleaning system for photovoltaic modules, allowing sensors to detect the need for cleaning and automatically activate water jets, reducing labor requirements and optimizing resource use. Future research may explore the modeling of an entire panel, the analysis of different nozzle types, and the experi- mental implementation of the simulated systems. The findings of this study contribute to the advancement of automated maintenance in solar power plants, ensuring greater efficiency and economic viability in solar energy generation.