[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 ��-��்-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 ray-
tracing. 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 ��-��் 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 ray-
tracing. 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 ��-��் 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.