Otimização de um coletor solar plano com base no princípio constructal

Abstract

O desenvolvimento de geometrias de coletores solares planos não obteve qualquer evolução nos últimos anos, estando generalizada uma só solução para a circulação do fluido no seu interior.No âmbito da otimização destes sistemas procurou-se desenvolver uma metodologia inovadora de dimensionamento da geometria da tubagem que minimize a queda de pressão, enquanto estabelece linhas orientadoras para maximizar a transferência de calor entre a radiação solar absorvida e o escoamento no interior dos tubos do coletor. O princípio constructal foi validado como ferramenta de dimensionamento com a sua aplicação a um coletor solar dito convencional, com uma rede de tubos paralelos. A ferramenta constructal desenvolvida é aplicada com o intuito de melhorar o comportamento hidrodinâmico do coletor solar, resultando num valor ótimo quer do número de tubos, quer do espaçamento entre estes, tendo como constrangimento a largura do coletor solar. A ferramenta demonstra como o princípio prevê o que se considera como otimizado no mercado.Posteriormente estudaram-se duas novas disposições da rede de tubos do coletor, obtendo assim duas estruturas dendríticas, uma radial e uma linha-até-linha, sendo que estas têm configurações para a rede bastante diferentes daquela que atualmente se encontra presente no mercado.Os estudos teóricos levam a que se possa prever que um sistema constructal irá permitir um aproveitamento da energia proveniente do sol aproximadamente igual aquele que se consegue com um coletor solar convencional, mas com duas grandes vantagens. A área do coletor é reduzida para metade daquela apresentada para um coletor solar convencional, ou seja, irá haver um gasto muito inferior de material assim como uma redução do peso das estruturas. A aplicação da ferramenta constructal indica uma redução da queda de pressão em cerca de 67,5\% para uma rede radial de diâmetros constantes, de 77,7\% para um rede radial de diâmetros variáveis e de 71,2\% para uma rede linha-até-linha com diâmetros variáveis, isto em comparação com um coletor solar convencional com a mesma área que a área que um coletor constructal. A análise experimental de um sistema radial com diâmetros constantes corrobora os resultados obtidos teoricamente.O uso do princípio constructal como uma ferramenta de design otimizado de sistemas está ainda em vias de desenvolvimento. Pretende-se no futuro continuar a desenvolver a ferramenta para a produção de novas geometrias de coletores solares cada vez mais eficientes.

Flat plate solar collector’s geometries development has not evolved much in the last few years. Almost all systems use the same solution for internal flow.The scope of this thesis is optimizing these systems using a new method developed for defining pipe geometry design. This method, based on the constructal principle, seeks to find the optimal conditions for minimizing pressure drop, while establishing a tool to maximize heat transfer between the absorbed solar radiation and the flow inside the tubes.The constructal principle is validated as a design tool being applied to a conventional flat plate solar collector, with a parallel pipe network configuration. The constructal tool developed is applied with the purpose of optimizing the solar collector hydrodynamic behaviour. Resulting in an optimal number of pipes and spacing between them, using the width of the collector as a constraint. The tool demonstrates how the principle predicts what the market considers as optimized. Posteriorly, new solutions based on dendritic structures with network configurations are explored, obtaining two dendritic structures, one radial and one line-to-line, with quite different geometries from those currently found on the market. Theoretical studies show that it can be predict that a constructal system will allow an exploitation of the energy supplied by the sun similar to the conventional approach, with two major improvements. Constructal collection area is half the conventional one, meaning that less material is required, and the weigth of the structures is also reduced.Applying the constructal tool indicates a pressure drop reduction of 67,5\% for a radial network with constant diameters, of 77,7\% for a radial network with variable diameters and 71,2\% for a line-to-line network with variable diameters. This, comparing with a conventional collector of the same size as the constructal one. The experimental analysis of a radial system with constant diameters corroborates the theoretical results obtained.The use of the constructal principel as a design tool of solar panels is still under development, and future work considers the impact of the approach in the obtaining more efficient geometries for solar panels.