Concentrating solar thermal systems: numerical simulation and experimental study for applications at intermediate to medium temperatures

Abstract

Concentrating solar thermal systems are widely used to convert solar energy for space heating and refrigeration, solar water heating, as well as industrial process heat. The state-of-the-art methods for solar process heat production use different concepts among which tracking Fresnel mirrors or parabolic troughs. However, very few commercially available devices operating at intermediate to medium temperatures (100−250 °C) exist. In order to fill this gap, an innovative concentrating solar thermal system is proposed and studied. The proposed device is able to concentrate the solar radiation to the receiver using a micro-mirror array and a flat receiver. A prototype is designed, constructed and tested outdoors. The findings of the theoretical study through numerical simulations and the experimental results are presented and discussed in the present work.

Τα συγϰεντρωτιϰά ϑερμιϰά ηλιαϰά συστήματα χρησιμοποιούνται ευρέως για τη μετατροπή ηλιαϰής ενέργειας σε ϑερμότητα για ϑέρμανση ϰαι ψύξη χώρων, ζεστό νερό χρήσης ϰαι ϑερμότητα για βιομηχανιϰές διεργασίες. Στις σύγχρονες τεχνιϰές μετατροπής της ηλιαϰής σε ϑερμιϰή ενέργεια περιλαμβάνονται τα συστήματα παραϰολούϑησης του ήλιου με παραβολιϰά ϰάτοπτρα ή ϰάτοπτρα Φρενέλ.΄Ομως, υπάρχουν ελάχιστες συσϰευές στο εμπόριο με ενδιάμεση ή μέση ϑερμοϰρασία λειτουργίας (100 − 250 °C). Προϰειμένου να ϰαλυφϑεί αυτό το ϰενό στην αγορά, προτείνεται ϰαι μελετάται ένα ϰαινοτόμο συγϰεντρωτιϰό ϑερμιϰό ηλιαϰό σύστημα. Χαραϰτηριστιϰό της προτεινόμενης συσϰευής είναι η συγϰέντρωση της ηλιαϰής αϰτινοβολίας σε επίπεδο αποδέϰτη μέσω ενός πεδίου ϰαϑρεπτών. Η πρωτότυπη διάταξη σχεδιάστηϰε, ϰατασϰευάστηϰε ϰαι δοϰιμάστηϰε σε πραγματιϰές συνϑήϰες. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται τα ευρήματα της ϑεωρητιϰής μελέτης μέσω αριϑμητιϰών προσομοιώσεων ϰαϑώς ϰαι τα αποτελέσματα της πειραματιϰής μελέτης της εν λόγω διάταξης.