Modelling of volumetric solar receivers with nanoparticle suspensions

Abstract

This work addresses the modelling of nanofluid-based volumetric receivers aiming the improvement of solar energy harvesting and conversion systems. A numerical heat transfer model (1-D) was developed to predict the energy gain in a non-flowing receiver, in which both receiver height and particles volume fraction were optimized. Various combinations of base fluids (water, mineral oils, ethylene glycol) and nanoparticles (graphite, carbon nanotubes) were considered by modelling their optical and thermodynamic properties. Specific characteristics and advantages of volumetric receivers were emphasized by comparing numerical results with those obtained for a surface-based receiver, and by experimental measurements. A two-dimensional numerical model was also developed to investigate the performance of a parallel plate volumetric receiver with a fully developed laminar flow under various operation conditions. It was found that a better performance was obtained when using solid particles of carbon nanotubes; RESUMO: Modelação de recetores solares volúmicos com nanopartículas suspensas Este trabalho aborda a modelação de recetores volúmicos com nanofluidos tendo como objetivo o melhoramento de sistemas de captação e conversão de energia solar. Foi desenvolvido um modelo numérico de transferência de calor unidimensional para prever a energia ganha num recetor estagnado, onde a altura e a fração volúmica de partículas foram otimizadas. Várias combinações de fluidos (água, óleos minerais, etileno glicol) e nanopartículas (grafite, nanotubos de carbono) foram consideradas através da modelação das suas propriedades óticas e radiativas. As características específicas e vantagens dos recetores volúmicos foram destacadas através da comparação dos resultados numéricos com os obtidos num recetor de superfície, e através de medidas experimentais. Foi também desenvolvido um modelo numérico bidimensional para investigar o desempenho de um receptor volúmico com escoamento laminar e plenamente desenvolvido entre placas paralelas, sob várias condições de operação. Verificou-se que o melhor desempenho foi obtido usando partículas sólidas de nanotubos de carbono.