Modelling and optimisation of porous volumetric receivers in point-focus solar concentration systems

Abstract

In this work, a detailed three-dimensional numerical model of porous volumetric receivers coupled to point-focus solar concentration systems is developed and used to optimise the thermal efficiency and pressure drop. A cylindrical receiver element made of open-cell SiC ceramic foam is considered using air as heat transfer fluid, and a parabolic dish concentrator is simulated to generate the concentrated solar radiation flux at the receiver inlet. The propagation and absorption of solar radiation is modelled through an in-house Monte Carlo Ray Tracing (MCRT) algorithm, in which the asymmetry factor of the scattering phase function was determined by combining this method with experimental measurements of hemispherical diffuse reflectance for five different samples. The fluid flow and heat transfer processes are simulated through a Computational Fluid Dynamics (CFD) model based on the Local Thermal Non-Equilibrium approach, developed using an open source software (OpenFOAM). The global model is used to conduct a comprehensive parametric analysis and optimisation where the geometric parameters of the receiver (porosity and pores size) and concentration system and the fluid flow conditions that maximise the performance of porous volumetric receivers are obtained. It was found that the main thermal losses are due to the backscattering, and the conditions to achieve high thermal efficiency while not increasing pressure drop correspond to receivers with higher porosity and pores size. For a given porosity, there is a pores size that maximise thermal efficiency, being this value lower for increasing porosity. It was also found that the optimum geometric parameters do not depend significantly on the velocity at the receiver inlet, and thus the mass flow rate of heat transfer fluid can be selected as a function of the target temperature at the outlet; Resumo: 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.