Οπτική και θερμική ανάλυση επιμήκη συλλέκτη Fresnel με εσωτερικά πτερύγια για διάφορα εργαζόμενα μέσα

Παπαδόπουλος, Άγγελος; Papadopoulos, Angelos

dc.contributor.author	Παπαδόπουλος, Άγγελος	el
dc.contributor.author	Papadopoulos, Angelos	en
dc.date.accessioned	2018-03-30T10:22:54Z
dc.date.available	2018-03-30T10:22:54Z
dc.date.issued	2018-03-30
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/46826
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15177
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Ηλιακοί συλλέκτες	el
dc.subject	Συγκεντρωτικοί συλλέκτες	el
dc.subject	Νανοϋλικά	el
dc.subject	Solidworks	en
dc.subject	Εσωτερικά πτερύγια	el
dc.subject	Κάτοπτρα	el
dc.subject	Οπτική ανάλυση	el
dc.subject	Thermal analysis	en
dc.subject	Fresnel	en
dc.subject	Nanofluids	en
dc.subject	Flow simulation	en
dc.title	Οπτική και θερμική ανάλυση επιμήκη συλλέκτη Fresnel με εσωτερικά πτερύγια για διάφορα εργαζόμενα μέσα	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ηλιακή ενέργεια	el
heal.classification	Solar energy	en
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/e7b90a6ad212d31a3951b11cab47fa22956e9b7a
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/e7b90a6ad212d31a3951b11cab47fa22956e9b7a
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-02-20
heal.abstract	Αντικείμενο αυτής της εργασίας αποτελεί η οπτική και η θερμική ανάλυση ενός επιμήκη συλλέκτη Fresnel με επίπεδα πρωτεύοντα κάτοπτρα. Ακόμα, ο συλλέκτης μας αποτελείται από τα εξής παρακάτω μέρη: έναν σωλήνα κενού ως απορροφητήρα και ένα παραβολοειδές κάτοπτρο ως δευτερεύον. Αρχικά εστιάζουμε στο σχεδιασμό του συλλέκτη με γνώμονα την καλύτερη οπτική απόδοση σε συνδυασμό με το χαμηλό κόστος λόγω της απλής γεωμετρίας των επίπεδων κατόπτρων, καθώς είναι απλά στο σχεδιασμό και παρουσιάζουν πολύ καλή αντοχή στα φορτία ανέμου. Επίσης, όπως θα δούμε και στη συνέχεια, είναι αρκετά ευέλικτα όταν συνδυάζονται με συστήματα παρακολούθησης ηλίου, τα λεγόμενα (Tracking Systems). Τον συλλέκτη τον σχεδιάζουμε στο λογισμικό Solidworks. Όσον αφορά τις διαστάσεις του, αυτές προκύπτουν κατά κύριο λόγο, από εφαρμογές της βιομηχανίας. Κάποιες όμως, προκύπτουν έπειτα από οπτική βελτιστοποίηση του συλλέκτη στο εργαλείο προσομοίωσης Flow Simulation του Solidworks. Χαρακτηριστική περίπτωση αποτελεί, η γεωμετρία του δευτερεύοντος κατόπτρου και συγκεκριμένα η απόσταση της εστίας της παραβολής του από το κέντρο του απορροφητήρα. Προκειμένου να μελετήσουμε την θερμική συμπεριφορά του συλλέκτη, χρησιμοποιούμε πάλι το Flow Simulation. Βασική παράμετρος μιας τέτοιας ανάλυσης, είναι το θερμικό μέσο. Ως βασικό θερμικό μέσο, επιλέγουμε το θερμικό έλαιο Syltherm 800. Στη συνέχεια, θα μελετήσουμε διαφορετικά μέσα, με σκοπό να πετύχουμε υψηλότερη θερμική απόδοση συλλέκτη, λόγω των ευνοϊκότερων ιδιοτήτων του εκάστοτε μέσου, όπως για παράδειγμα η υψηλή του θερμική αγωγιμότητα (k). Αναλυτικότερα, εξετάζουμε τις περιπτώσεις όπου έχουμε ως εργαζόμενο μέσο το θερμικό έλαιο Syltherm800 σε συνδυασμό με νανοϋλικά (CuO) καθώς και σε συνδυασμό με τηγμένο άλας (Molten Salt) και υγρό νάτριο (Liquid Sodium). Προκειμένου να αυξήσουμε τον θερμικό βαθμό απόδοσης, εξετάζουμε την περίπτωση τοποθέτησης εσωτερικών πτερυγίων κατά τον επιμήκη άξονα του σωλήνα κενού. Αυτή η γεωμετρία, χρησιμοποιείται κατά κόρον σε εφαρμογές απορροφητών συγκεντρωτικών συλλεκτών, καθώς όπως θα δούμε και στην περίπτωση μας, η ύπαρξη εσωτερικών πτερυγίων αυξάνει την επιφάνεια συναλλαγής θερμότητας μεταξύ ρευστού και σωλήνα, συνεπώς ο θερμικός βαθμός αυξάνεται. Αναλυτικότερα, στο Κεφάλαιο 1 γίνεται μια γενική αναφορά στο ενεργειακό ζήτημα του πλανήτη, δηλαδή στο παγκόσμιο προφίλ της ενεργειακής ζήτησης καθώς και στις περιβαλλοντικές επιπτώσεις που έχουν οι συμβατικοί τρόποι παραγωγής ενέργειας ( πχ Ατμοηλεκτρικοί Σταθμοί Ενέργειας), όπως είναι το φαινόμενο του θερμοκηπίου, λόγω των υψηλών εκπομπών CO2 στην ατμόσφαιρα. Επίσης, παρουσιάζονται οι βασικές μορφές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ) καθώς και οι συνήθεις εφαρμογές εκμετάλλευσης ηλιακής ενέργειας. Όσον αφορά το Κεφάλαιο 2, αρχικά γίνεται περιγραφή των βασικών χαρακτηριστικών του ήλιου, όπως το φάσμα της ακτινοβολίας του, οι γωνίες που μας δίνουν την θέση του στον ουράνιο θόλο (ηλιακή απόκλιση, αζιμούθιο ήλιου, ωριαία γωνία κτλ) καθώς και ο τρόπος υπολογισμού της ακτινοβολίας που φτάνει στο έδαφος (άμεση και έμμεση). Ακόμα, γίνεται αναφορά στην τεχνολογία, την γεωμετρία και την χρήση της πλειονότητας των ειδών των ηλιακών συλλεκτών. Συγκεκριμένα, εστιάζουμε στις δύο βασικές κατηγορίες, τους επίπεδους και τους συγκεντρωτικούς συλλέκτες. Για παράδειγμα, αναφέρονται οι βασικές αρχές των επίπεδων συλλεκτών με ή χωρίς σωλήνες κενού, οι σύνθετοι και οι επιμήκεις παραβολικοί και άλλοι συλλέκτες. Στο Κεφάλαιο 3 αναφέρουμε βιβλιογραφικές πληροφορίες για τους επιμήκεις συλλέκτες Fresnel. Αναλυτικότερα, επισυνάπτεται σύντομη ιστορική αναδρομή , σύγχρονες βιομηχανικές εφαρμογές , η αρχή λειτουργιάς καθώς και τρόποι βελτίωσης του θερμικού βαθμού απόδοσης συλλεκτών Fresnel. Επίσης, δίνεται το απαιτούμενο μαθηματικό μοντέλο ανάλυσης των συλλεκτών το οποίο εμπεριέχει την οπτική, την θερμοδυναμική αλλά και την εξεργειακή τους ανάλυση. Όσον αφορά, στους τρόπους βελτίωσης του θερμικού βαθμού απόδοσης, παρατίθεται μια πληθώρα ερευνών από την βιβλιογραφία που αφορά εφαρμογές νανοϋλικών σε θερμικά έλαια, τηγμένο άλας, υγρό νάτριο και επιμήκη πτερύγια στο εσωτερικό του σωλήνα, του απορροφητήρα. Στο Κεφάλαιο 4 γίνεται αναλυτική περιγραφή του γεωμετρικού σχεδιασμού του συλλέκτη, καθώς και η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για την θερμική προσομοίωση του στο λογισμικό Solidworks. Αρχικά, παρατίθενται όλες οι απαραίτητες διαστάσεις του συλλέκτη. Όπως αναφέραμε στην εισαγωγική παράγραφο αυτής της περίληψης, πραγματοποιήθηκε οπτική βελτιστοποίηση προκειμένου να καθοριστούν ορισμένες από τις εν λόγω διαστάσεις. Στη συνέχεια, ακολουθεί μια ενδελεχής ανάλυση όλων των βημάτων σχεδιασμού του συλλέκτη αλλά και την προσομοίωσης του στο Flow Simulation. Προφανώς, η σχεδίαση έγινε και για τις δύο γεωμετρίες σωλήνα κενού (με πτερύγια και χωρίς) και η προσομοίωση για όλα τα θερμικά μέσα που εξετάζουμε [Syltherm 800- νανοσωματίδια CuO (φ=0%, 2%, 4%, 6%), τηγμένο άλας και υγρό νάτριο. Αξίζει να αναφέρουμε ότι οι προσομοιώσεις της ροής στο εσωτερικό του σωλήνα, γίνανε με την βέλτιστη παροχή (V= 200 L/min) καθώς αυτή συνδυάζει υψηλό βαθμό θερμικής απόδοσης με χαμηλή πτώση πίεσης σε σχέση με άλλες παροχές που εφαρμόσαμε. Ακόμα, η θερμική ανάλυση για όλα τα μέσα πραγματοποιήθηκε για ένα πλήθος θερμοκρασιών (με σταθερό όγκο V= 200 L/min). Πιο συγκεκριμένα για το Syltherm 800 επιλέχθηκαν οι θερμοκρασίες εισόδου Tin= [350, 400, 450, 500, 550, 600, 650] (K), για το τηγμένο άλας, Tin=[550, 600, 650, 700, 750, 800, 850] (K), ενώ για το υγρό νάτριο, Tin=[400, 500, 600, 700, 800, 900] (K). Επιπροσθέτως, στο κεφάλαιο αυτό αναφέρεται και η ανεξαρτησία πλέγματος που πραγματοποιήσαμε με σκοπό την εύρεση του βέλτιστου πλήθους κελιών του υπολογιστικού πλέγματος που απαιτούνται για την ομαλή σύγκλιση της λύσης του προβλήματος. Ακόμα, προκειμένου να εξάγουμε τις καμπύλες του παράγοντα γωνίας πρόσπτωσης Κ, πραγματοποιήσαμε οπτική ανάλυση για τις περιπτώσεις που οι ηλιακές ακτίνες σχηματίζουν με την κατακόρυφο γωνίες θΤ=[00, 100, 300, 500, 700]. Για κάθε περίπτωση περιστρέφαμε τα κάτοπτρα με μία συγκεκριμένη γωνία (ψ), έτσι ώστε να προσομοιάζουν το ηλιακό μεσημέρι. Τέλος για λόγους πληρότητας εξετάσαμε τη δυναμική φύση και συμπεριφορά του συλλέκτη μας ημερησίως , μηνιαίως και ετησίως . Για το συγκεκριμένο σκοπό, αναπτύξαμε ένα υπολογιστικό μοντέλο που βασίζεται στην μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών και περιλαμβάνει τον συλλέκτη μας σε σύνδεση με ένα δοχείο αποθήκευσης. Ο όγκος του δοχείου καθώς και η θερμοκρασία εισόδου του ρευστού, αποτέλεσαν τις παραμέτρους σχεδίασης του συγκεκριμένου προβλήματος. Αναλυτικότερα, δοκιμάστηκαν οι εξής όγκοι δοχείου VT=[2, 3, 4, 5] (m3) . Η μοντελοποίηση αυτή έγινε στο μαθηματικό λογισμικό Matlab. Στο Κεφάλαιο 5 γίνεται παρουσίαση όλων των αποτελεσμάτων της θερμοδυναμικής και οπτικής ανάλυσης του στατικού μοντέλου συλλέκτη σε μορφή πινάκων και διαγραμμάτων με σχολιασμό. Βασικότερα αποτελέσματα αποτελούν : για θερμοκρασία εισόδου Tin=600 K το υγρό νάτριο παρουσιάζει την βέλτιστη θερμική και εξεργειακή απόδοση σε σχέση με τα άλλα εξεταζόμενα μέσα (ηth=54.8% ,ηex=29.74%), για το θερμικό μέσο Syltherm 800 (φ=0%) για Tin=600 K η εφαρμογή πτερυγίων επιφέρει αύξηση του ηth κατά 0.6% σε σχέση με την περίπτωση χωρίς πτερύγια, η περίπτωση Syltherm 800 (φ=6%) για Tin=600 K επιφέρει αύξηση του ηth κατά 0.23% σε σχέση με την περίπτωση (φ=0%). Προφανώς περισσότερο ανάλυση, ακολουθεί στο εν λόγω κεφάλαιο. Τέλος στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα διπλωματική εργασία. Επίσης, δίνονται προτάσεις ζητημάτων που αφορούν τον συλλέκτη Fresnel, για μελλοντική έρευνα.	el
heal.abstract	The subject of this Thesis is the optical and thermal analysis of a linear Fresnel collector with flat primary mirrors. Furthermore, our collector consists of the following parts: a vacuum tube as an absorber and a paraboloid mirror as secondary mirror. Initially, we focus on the design of the collector for the best visual performance combined with the low cost due to the simple geometry of the flat mirrors as they are simple in design and show very good resistance to wind loads. Also, as we will see later, they are flexible enough when combined with Solar Tracking Systems. The design of collector took place in the Solidworks software. As far as its dimensions are concerned, it is mainly derived from industrial applications. Some, however, arise from optical optimization of the collector in the Solidworks Flow Simulation tool. A typical example is the geometry of the secondary mirror and in particular the distance of the center of the parabola from the center of the absorber. In order to study the thermal behavior of the collector, we also use Flow Simulation. A basic parameter of such an analysis is the thermal fluid. As a basic working medium, we choose the Syltherm 800, thermal oil. We will then study different media in order to achieve higher thermal collector efficiency due to the more favorable properties of the medium, such as its high thermal conductivity (k). Specifically, we investigate the cases of Syltherm800 in combination with nanomaterials (CuO) , Molten Salt and Liquid Sodium. In order to increase the thermal efficiency we look at the placement of internal fins along the elongated axis of the vacuum tube. This geometry is widely used in solar collector applications, as we will see in our case, the existence of internal fins increases the heat exchange surface between the fluid and the tube, so the thermal efficiency increases. Explicitly, Chapter 1 gives a general reference to the global energy issue, namely the global profile of energy demand as well as the environmental impacts of conventional modes of energy production (for example: Steam Electric Power Stations), such as greenhouse effect, due to high CO2 emissions into the atmosphere. It also presents the basic forms of renewable energy sources (RES) as well as the usual solar energy applications. With regard to Chapter 2, we first describe the basic characteristics of the sun, such as its radiation spectrum, the angles that give us its place in the celestial dome (solar divergence, sun azimuth, hour angle, etc.) and how we calculate radiation that reaches the ground (direct and indirect). Still, reference is made to technology, geometry and the use of most of the solar collectors. In particular, we focus on the two main categories, the flat and the collective collectors. For example, the basic principles of flat collectors with or without vacuum tubes, Compound and Linear parabolic (CPC, LPC) and other collectors are mentioned. In Chapter 3 we report bibliographic information about the Fresnel Linear collectors. In detail, a short historical review, modern industrial applications, the principle of operation and ways of improving the thermal efficiency of Fresnel collectors are attached. Also, the required mathematical model for the analysis of the collectors is given, which includes their optical, thermodynamic and also their energetic analysis. With regard to the ways to improve the thermal efficiency, there is a plethora of research from the literature on nanomaterials in thermal oils, Molten Salt, Liquid Sodium and elongate fins inside the tube, of the absorber. Chapter 4 gives a detailed description of the geometric design of the collector, as well as the methodology followed for thermal simulation in the Solidworks software. Initially, all the necessary dimensions of the collector are listed. As we mentioned in the introductory paragraph of this summary, visual optimization was performed to determine some of these dimensions. Then follows a thorough analysis of all the design steps of the collector and its simulation in Flow Simulation. Obviously, the design was made for both vacuum tube geometries (with and without internal fins) and the simulation for all the thermal media we examined [Syltherm 800 - CuO nanoparticles (φ = 0%, 2%, 4%, 6% Molten Salt and Liquid Sodium. It is worth mentioning that the flow simulations inside the tube were made with the optimum flow rate (V = 200 L / min) as it combines a high degree of thermal efficiency with a low pressure drop compared to other flow rates. Still, thermal analysis for all media was performed for a number of temperatures (with a fixed volume V = 200 L / min). More specifically for Syltherm 800, the inlets temperatures are Tin = [350, 400, 450, 500, 550, 600, 650] (K) for the Molten Salt, Tin = [550,600,650,700,750,800 , 850] (K), while for Liquid Sodium, Tin = [400, 500, 600, 700, 800, 900] (K). In addition, this chapter also refers to the grid independence we performed to find the optimal number of computational grid cells required to smoothly converge the solution to the problem. Furthermore, in order to extract the curves of the incident angle factor K, we performed visual analysis for cases where the solar rays form with the vertical angles θT = [00, 100, 300, 500, 700]. In each case, we rotate mirrors with a specific angle (ψ) so as to simulate the Solar noon. Finally, for reasons of completeness, we examined the dynamic nature and behavior of our collector daily, monthly and annually. For this purpose, we developed a computational model based on the finite difference method and includes our collector in connection with a storage container. The volume of the container as well as the fluid inlet temperature were the design parameters of the particular problem. More specifically, the following container volumes VT = [2,3,4,5] (m3) were tested. This modeling was done in Matlab software. Chapter 5 presents all the results of the thermodynamic and optical analysis of the static collector model in the form of annotated tables and charts. The main results are: for the inlet temperature Tin= 600 K, Liquid sodium exhibits the optimal thermal and exergy efficiency over the other tested media (θth = 54.8%, ηex = 29.74%), for the Syltherm 800 thermal oil (φ = 0%) , the Syltherm 800 (φ = 6%) case for Tin = 600 K results in an increase of 0.25% of the ηth by 0.63% compared to the case of (φ = 0%). Obviously more analysis is followed in this chapter. Finally, Chapter 6 presents the conclusions of this diploma thesis. There are also suggestions for issues about the Fresnel collector for future research.	en
heal.advisorName	Τζιβανίδης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Αντωνόπουλος, Κίμων	el
heal.committeeMemberName	Τζιβανίδης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Ρογδάκης, Εμμανουήλ	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	206 σ.
heal.fullTextAvailability	true