Solar thermal energy collection by compound parabolic collector and its storage in a packed-bed system: numerical and experimental analysis

Abstract

The use of renewable energy sources is crucial for maintaining the sustainability of the planet, reducing reliance on finite resources, and mitigating the environmental consequences of fossil fuel combustion. Among the various avenues of solar energy utilization, solar thermal energy has gained increasing prominence. Thermal storage systems have significantly enhanced the reliability and predictability of solar systems. This study aimed to establish parameters, explore different dryer configurations, and highlight the importance of thermal energy storage methods. Additionally, the thermal and economic performance of a U-tube compound parabolic collector (CPC) was evaluated in a prototype. Different filling fluids (water, air, and thermal oil) within the evacuated tube and varying mass flow rates (0.007, 0.009, 0.014, and 0.021 kg s-1) were examined. In the final section, a numerical evaluation was conducted on a packed bed thermal energy storage (PBTES) system. The optimization of this system considered various heat storage materials (concrete, quartzite rock, and cast iron) and particle sizes (0.02, 0.03, and 0.04 m). The evaluated CPC collector demonstrated an optical efficiency of approximately 63.6%. The use of thermal oil as the filling fluid led to a higher average thermal efficiency (41.2%) compared to water (31.7%) and air (31.1%). The lowest evaluated mass flow rate resulted in the highest average thermal efficiency (41.2%). Regarding the PBTES analysis, the utilization of materials with lower thermal conductivity led to an increased temperature difference between the heat transfer fluid and the solid material. The configuration of multilayer materials had a significant impact on loading and unloading times, as well as on stored and released thermal energy. Among the cases evaluated, Case 9 exhibited the highest stored thermal energy (27.2 MJ) and demonstrated commendable charge (87.5%), discharge (80.5%), and exergy (70.5%) efficiencies. Clearly, the variability in particle diameter and material type had a substantial influence on stratification and heat transfer within the PBTES.

Keywords:

Environmentally friendly system. Evacuated U tube solar collector. Renewable and sustainable energy. Solar energy. Thermocline thermal storage system.O uso de fontes de energia renováveis é essencial para garantir a sustentabilidade do planeta, reduzindo a dependência de recursos finitos e minimizando os impactos ambientais causados pelo uso de combustíveis fosseis. Dentre os tipos de aproveitamento da energia solar, a energia solar térmica tem ganhado cada vez mais atenção. Os sistemas de armazenamento térmico têm aumentado a confiabilidade e melhorado a previsibilidade dos sistemas solares. Esse estudo objetivou fornecer parâmetros, abordar diferentes tipos de secadores e enfatizar a importância dos métodos de armazenamento de energia térmica. Além disso, o desempenho térmico e econômico de um coletor parabólico composto (CPC) com tubo em U foi avaliado em um protótipo. Diferentes fluidos de enchimento do tubo evacuado (água, ar e óleo térmico) e diferentes vazões mássicas (0,007, 0,009, 0,014 e 0,021 kg s-1) foram avaliados. No tópico final, um sistema de armazenamento térmico de leito empacotado (PBTES) foi avaliado numericamente. A otimização desse sistema avaliou diferentes materiais de armazenamento de calor (concreto, rocha de quartzo e ferro fundido) e diferentes tamanhos de partícula (0,02, 0,03 e 0,04 m). O coletor CPC avaliado neste estudo apresentou uma eficiência óptica de cerca de 63,6%. Verificou-se que o uso do óleo térmico como fluido de preenchimento (FF) resultou em maior eficiência térmica média (41,2%) em relação à água (31,7%) e ao ar (31,1%). A menor vazão mássica avaliada resultou na maior eficiência térmica média (41,2%). Em relação à análise do PBTES, o uso de materiais com menor condutividade térmica resultou em um aumento da diferença de temperatura entre o fluido de transferência de calor e o material sólido. A configuração multicamadas de materiais apresentou maior influência sobre os tempos de carga e descarga, assim como na energia térmica armazenada e liberada. O caso 9 apresentou o maior valor para QC (27,2 MJ) e para as eficiências de carga (87,5%), descarga (80,5%) e exergética (70,5%). Comprovou-se que o diâmetro de partículas variável e o tipo de material influencia na estratificação e transferência de calor no PBTES.

Palavras-chave:

Sistema ambientalmente amigável. Coletor solar evacuado com tubo U. Energia renovável e sustentável. Energia solar. Sistema de armazenamento térmico de termoclina.