Análise numérica de uma geometria de coletor solar para sistemas de aquecimento de água

Abstract

Nas últimas décadas, o crescente aumento do preço dos combustíveis fósseis associado às crescentes preocupações ambientais têm incentivado as pesquisas sobre o uso de fontes de energia renováveis e os aprimoramentos de seus sistemas e equipamentos. Dentre as fontes alternativas existentes, a energia solar merece ser destacada pelo seu grande potencial de exploração. Os dispositivos solares permitem um amplo espectro de uso, podendo ser utilizados desde operações de grande porte, como hotéis e indústrias, até em sistemas menores típicos de residências. Dentre as aplicações possíveis de energia solar, o sistema de aquecimento de água residencial utilizando coletores solares planos ainda é o mais comum. Este tipo de dispositivo capta a radiação solar por meio de seus coletores e aquece a água que escoa no seu interior e a armazena dentro de um reservatório. Este trabalho propõe estudar uma geometria de coletor alternativa para a captação de energia baseada no coletor de absorção direta. Neste tipo de dispositivo, o fluido de trabalho escoa entre uma placa absorvedora negra e uma placa de vidro e é aquecido indiretamente pela placa absorvedora. Para a avaliação da geometria um modelo numérico bidimensional utilizando o OpenFOAM® foi elaborado. As análises realizadas visaram determinar as condições de contorno ideais para as simulações envolvendo escoamentos de vazão constante e devido ao efeito de termossifão. Com o modelo estabelecido, determinou-se a curva de rendimento da geometria estudada com o intuito de determinar a espessura ideal de fluido que deve escoar dentro do coletor. Pela análise dos resultados obtidos, pode-se concluir que a influência da espessura no rendimento térmico é pequena, sendo que, na faixa avaliada, a espessura de 5,0 mm apresentou os melhores valores de rendimento térmico.

On last decades, the increasing price of fossil fuels associated with the growing concern with the environmental have encouraged researches about renewable energy sources and improvements to its systems and equipment. Among the available alternative sources, solar energy deserves to be highlighted for its great exploitation potential. Solar devices allow a wide range of use, since large operations, such as hotels and industries, to typical smaller residences systems. Among possible applications for solar power, residential water heating systems using flat solar collectors are the most common ones. This type of devices capture solar radiation through their collectors, heat the inside flowing water and stores it in a reservoir. The present work intends to study an alternative collector geometry for energy harvesting based on the direct absorption collector. In this device, the working fluid flows between a black absorber plate and a glass cover and is heated indirectly by the absorber plate. For the geometry evaluation a two-dimensional numeric model was created using OpenFOAM. The analysis aimed to determine the optimal boundary conditions for simulations involving a constant flow and a thermosiphon effect flow. With the model stablished, it was determined the efficiency curve for the geometry in order to find the optimal fluid thickness that flows inside the collector. After the analysis, it can be concluded that the thickness effect on the thermal efficiency is small and, among the evaluated thickness, the 5.00 mm one obtained the best results.