Doutoramento em Engenharia Mecatrónica e Energia
Modelling and optimisation of porous volumetric receivers in point-focus solar concentration systems
Germilly Barreto

Orientação:  Paulo Canhoto & Manuel Collares Pereira

Modelação e otimização de recetores volumétricos porosos em sistemas de concentração solar de foco pontual. Neste trabalho foi desenvolvido um modelo numérico tridimensional detalhado de recetores volumétricos porosos acoplados a sistemas de concentração solar de foco pontual, e depois usado para otimizar a eficiência térmica e a queda de pressão. Foi considerado um elemento de recetor cilíndrico feito de espuma cerâmica de SiC de células abertas usando ar como fluido de transferência de calor, e foi simulado um concentrador de disco parabólico para gerar o fluxo de radiação solar concentrada na entrada do recetor. A propagação e absorção de radiação solar é modelada através de um algoritmo de Monte Carlo de Traçamento de Raios (MCRT), onde o fator de assimetria da função de fase de espalhamento de radiação foi determinado combinando esse método com medições experimentais de refletância difusa hemisférica de cinco amostras diferentes. O escoamento e os processos de transferência de calor são simulados num modelo de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD) baseado na abordagem de Não-Equilíbrio Térmico Local, que foi desenvolvido usando um software de código aberto (OpenFOAM). O modelo global é usado para fazer uma análise paramétrica abrangente e otimização, onde são obtidos os parâmetros geométricos do recetor (porosidade e dimensão dos poros) e do sistema de concentração e as condições de escoamento que maximizam o desempenho de recetores volumétricos porosos.

Verificou-se que as principais perdas térmicas são devidas ao retroespalhamento e que as condições para obter alta eficiência térmica sem aumentar a queda de pressão correspondem a recetores com maiores porosidades e tamanho dos poros. Para uma dada porosidade, existe um tamanho dos poros que maximiza a eficiência térmica, sendo esse menor quando maior a porosidade. Verificou-se também que os parâmetros geométricos ótimos não dependem significativamente da velocidade na entrada e, assim, o caudal do fluido de transferência de calor pode ser escolhido em função da temperatura pretendida à saída.