Estudo da viabilidade técnica, económica e ambiental de um concentrador solar cilindro parabólico para aquecimento e arrefecimento de um edifício

Data
2016
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Resumo
A tecnologia associada à energia solar térmica concentrada (CSP, Concentrated Solar Power) tem vindo a ser desenvolvida num contexto de aposta em energias renováveis que contribuam para a minimização das alterações climáticas globais. Focou-se o trabalho no estudo do funcionamento dos concentradores solares cilíndricos parabólicos por se tratar de uma forma de captação/conversão de energia de forma inovadora. De seguida estudou-se qual o permutador mais adequado à obtenção do objetivo principal, que foi analisar diferentes tipos de fluidos térmicos e discutir qual a melhor opção a utilizar nos coletores solares cilíndricos parabólicos. Para isso utilizou-se a Dinâmica Computacional de Fluídos (CFD) para a simulação tridimensional dos vários fluídos térmicos considerados. Considerando o permutador de tubos concêntricos foi idealizado um protótipo, com comprimento de 1 m e diâmetros exterior e interior de 20 e 10 mm, respectivamente. Recorrendo ao pacote de software ANSYS Workbench, desenvolveu-se um modelo CFD, utilizando uma geometria tridimensional, com malha híbrida, de dois tubos concêntricos. No interior de cada tubo escoa o fluido térmico em estudo, um fluido vai emitir calor e outro receber. Após a validação do modelo definiram-se diversas simulações em duas situações de escoamento: em co corrente e em contra corrente. Selecionaram-se diversos fluidos para a análise do fluido mais eficaz para a transferência de energia. Na primeira fase do trabalho fez-se um estudo de sensibilidade ao caudal mássico a utilizar nas simulações. Os resultados mostraram que o caudal do fluido a aquecer deveria tomar o valor de metade do caudal associado ao fluido térmico, tanto no caso de escoamento em co corrente como em contra corrente. No que se refere ao tipo de fluido, o fluido sódio alcançou os melhores resultados nas duas orientações estudadas. Importa salientar que apesar de se ter considerado neste estudo o fluido térmico Dowtherm_A, comummente utilizado, este não alcança no nosso estudo resultados comparáveis com o Sódio. Assim considera-se que o fluido Dowtherm_A foi concretizado para coletores com maiores dimensões não tendo capacidade para mostrar as suas capacidades num concentrador de dimensões menores.
The technology associated with concentrated solar thermal power (CSP Concentrated Solar Power) has been developed in a betting context in renewable energy that contributes to minimizing global climate change. This work focused on the study of the cylindrical parabolic solar concentrators operative because of the innovatively way they capture / convert energy. Then the most appropriate heat exchanger was studied to achieve the main objective, which was to analyze different types of thermal fluids and discuss what the best option to be used in cylindrical parabolic solar collectors. For this we used the Computational Fluid Dynamics (CFD ) for three-dimensional simulation of the various thermal fluid considered. Considering the exchanger concentric tubes prototype was designed, with a length of 1 m and outer and inner diameters 20 and 10 mm, respectively. Using the ANSYS Workbench software package a CFD model was developed using a three-dimensional geometry with hybrid fabric of two concentric tubes. Within each tube the flowing thermal fluid under study, a fluid will emit heat and the other receive it. After validation of the model several simulations were defined in two flow situations: co current and counter current. Various fluids were selected for the analysis of the most effective energy transfer fluid. In the first phase of work a sensitivity study was made using mass flow in the simulations. The results showed that the flow rate of fluid to be heated should take the half value of the flow associated with the thermal fluid, in both cases of co current and counter current flow. As regards for the type of fluid, the fluid Sodium achieved the best results in the two orientations studied. It should be noted that although it was considered in this study the thermal fluid Dowtherm_A, commonly used, this does not reach in our study results comparable with Sodium. Thus it is considered that the Dowtherm_A fluid was produced to collectors with larger dimensions and does not have the capacity to display their capabilities in a smaller hub.
Descrição
Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica
Palavras-chave
Energia solar , Energias renováveis , Concentrador solar cilíndrico parabólico
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