Study on the general applicability of the collector efficiency model to solar process heat collectors

Abstract

[eng] According to several studies, the installed capacity of solar thermal collectors to provide heat for industrial processes is going to increase significantly during the next decades. The great variety of designs and large range of operating temperatures of solar process collectors make their performance assessment challenging. Although the quasi-dynamic testing procedure has been designed for most types of collectors, it shows limitations or vagueness when dealing with medium-scaled collectors. This thesis analyzes some limitations, focusing mainly on the optical efficiency assessment. A powerful ray-tracing algorithm has been developed for the optical analyses in this thesis. The algorithm was used to carry out a sensitivity analysis of a Fresnel collector to achieve a better understanding of the most influential parameters in ray-tracing simulations. Two observations were made: First, spectral simulations are not relevant for solar thermal applications unless mirror scattering shows a very high dependency on the wavelength. Second, defining the incidence angle dependency of optical materials is crucial to produce accurate results. In the case of biaxial concentrating collectors, the incidence angle modifier factorization model is commonly applied. This model inherently introduces errors by factorizing the underlying non-factorizable functions. The error was characterized for four different collector geometries by comparing factorization with ray-tracing simulations. Results have been presented as a function of geographical latitude. Factorization in the θi-θT -space performed best in nearly all cases. Four different collector geometries were submitted to ray-tracing simulations in order to analyze the thermal dependency of the factorization error. It is shown that the relative error generally increases with higher operating temperatures, but within the economically viable temperature range it stays fairly constant. With higher temperatures the collector gradually stops operating beginning with moments when sun angles are least favorable for factorization.

[cat] Segons diversos estudis, la capacitat instal·lada de captadors solars tèrmics pel subministrament de calor en processos industrials s’incrementarà significativament en els propers anys. La gran diversitat de dissenys i temperatures de treball d’aquest tipus de captador fa difícil l’avaluació dels seus rendiments. Encara que el mètode experimental quasi dinàmic s’ha desenvolupat per la major part de models de captador, segueix tenint limitacions o imprecisions a l’hora d’avaluar captadors específics per calor de procés. Aquesta tesi analitza algunes d’aquestes limitacions, centrant-se principalment en l’avaluació de l’eficiència òptica. Per l’anàlisi òptica, en aquesta tesi s’ha desenvolupat un algoritme avançat de raytracing. L’algoritme ha servit per realitzar una anàlisi de sensibilitat d’un captador Fresnel, que ha permès conèixer quins son els paràmetres que tenen una major influència en la qualitat dels resultats obtinguts en les simulacions de ray-tracing. S’ha arribat a dues conclusions: En primer lloc, simulacions espectrals no son rellevants per aplicacions solars tèrmiques, a no ser que la dispersió del mirall depengui significativament de la longitud d’ona. En segon llos és imprescindible especificar al dependència de l’angle d’incidència dels materials òptics per generar resultats acurats. En el cas de captadors concentradors biaxials, s’aplica el model de factorització del modificador d’angle d’incidència. Aquesta factorització te sempre associat un cert error, ja que l’IAM no és en general factoritzable. S’ha caracteritzat l’error per quatre geometries de captadors diferents, comparant el models de factorització amb les simulacions ray-tracing. Els resultats s’han presentat en funció de la latitud geogràfica. La factorització a l’espai θi-θT es la que ofereix més bons resultats en gairebé tots els casos analitzats. Quatre geometries diferents de captador foren analitzades per determinar la dependència amb la temperatura de l’error de factorització. S’ha demostrat que a mesura que s’incrementa la temperatura de treball, s’incrementa l’error relatiu del la factorització, malgrat això, dins del rang de temperatures econòmicament viables, l’error es manté constant. Això és degut a que a mesura s’incrementa la temperatura, es redueixen les hores de treball, i per tant també les hores on el captador treballa sota els angles més desfavorables per la factorització.

[spa] Según varios estudios, la capacidad instalada de captadores solares térmicos para proveer calor en procesos industriales se va a incrementar significativamente a lo largo de las próximas décadas. La gran variedad de diseños y temperaturas de este tipo de captadores hace complicada la evaluación de sus rendimientos. Aunque el métdodo experimental quasi-dinámico ha sido diseñado para la mayoría de modelos de captadores, sigue teniendo limitaciones o imprecisiones a la hora de evaluar captadores de mediana escala. Esta tesis analiza algunas de dichas limitaciones, centrándose principalmente en la evaluación de la eficiencia óptica. Para el análisis óptico en esta tesis se ha desarrollado un algoritmo avanzado de raytracing. El algoritmo ha servido para realizar un análisis de sensibilidad de un captador Fresnel, para conseguir con ello un mayor conocimiento de los parámetros más influyentes en las simulaciones ray-tracing. Se ha llegado a dos conclusiones: En primer lugar, simulaciones espectrales no son relevantes para aplicaciones solares térmicas, a no ser que la dispersión del espejo dependa significativamente de la longitud de onda. En segundo lugar, es imprescindible especificar la dependencia del ángulo de incidencia de los materiales ópticos para generar resultados precisos. En el caso de captadores concentradores biaxiales, se aplica el modelo de factorización del ‘incidence angle modifier’. Por defecto, este modelo introduce errores factorizando funciones que no son factorizables. Se ha caracterizado el error para cuatro geometrías de captadores diferentes comparando el modelo de factorización con las simulaciones ray-tracing. Los resultados han sido presentados como función de la latitud geográfica. La factorización en el espacio θi-θT ha demostrado los mejores resultados para casi todos los casos. Cuatro geometrías diferentes fueron sometidas a simulaciones de ray-tracing para analizar la dependencia térmica del mismo error de factorización. Se ha demostrado que a medida que aumenta la temperatura del proceso, aumenta también el error relativo de factorización, sin embargo, dentro del rango económicamente viable de temperaturas, el error se mantiene constante. Esto se debe a que a medida se incrementa la temperatura, el captador deja de operar primero en los momentos de ángulos más desfavorables para la factorización.