Use of solar thermal energy has to be sustained to reduce consumption of climate-changing fossil fuels. Thus, in this study two concentrating solar prototypes were designed and manufactured: a parabolic trough collector (PTC) and a solar box cooker. The PTC has a 90° rim angle and a concentration ratio of 19.89. The concentrator is a sandwich composite structure with high-reflectance aluminum foils applied on it. The receiver is a steel pipe painted with a selective coating. The tracking system is based on a solar-position computer program. Experimental tests were carried out with water and temperatures up to 85 °C. Thermal efficiency, incident angle modifier, and time constant curves were found. Results show that the thermal efficiency equation is comparable with that of other PTCs in literature. Experimental data were utilized to validate a simulation environment able to determine the yearly yield of PTCs. The simulation was carried out to evaluate the convenience in adopting metal-based nanofluids respect to the base fluid (water). Five inlet fluid temperatures and three mass flow rates were analyzed. Results show that only Au, TiO2, ZnO, and Al2O3 nanoparticles, at the lowest concentrations, present reduced improvements respect to water. The solar box cooker is a high concentration ratio prototype (11.57). The cooker has a cooking chamber with a glass cover on the top and is composed by two rows of booster mirrors. The prototype allows both an azimuth and a zenith manual orientation. Tests without load were carried out to evaluate the maximum cooker temperature. Tests with load, conduced using aluminum vessels containing a certain amount of water, were accomplished both with non-painted vessels and black-coated ones, and with one or two vessels. Additional tests were carried out with peanut oil. Using this fluid, temperatures higher than the water ones were achieved (> 200 °C) and results exhibited values comparable to those in literature.

L'utilizzo di energia solare termica deve essere sostenuto per ridurre il consumo di fonti fossili climalteranti. Nel presente studio si sono progettati e realizzati due sistemi solari a concentrazione: un collettore parabolico assiale (PTC) ed un forno solare a scatola. Il PTC ha un angolo di bordo di 90° ed un rapporto di concentrazione di 19,89. Sul concentratore, realizzato in sandwich composito, sono state applicate pellicole in alluminio ad elevata riflettanza. Il ricevitore è un tubo di acciaio rivestito da una vernice selettiva. Il sistema di inseguimento è governato da un algoritmo solare. I test sperimentali sono stati condotti con acqua ad una temperatura massima di 85 °C. Il PTC è stato caratterizzato ottenendo curve di efficienza termica, modificatore dell'angolo di incidenza e costante di tempo. I risultati mostrano che l'equazione dell'efficienza termica è confrontabile con quella di collettori simili. I dati sperimentali sono stati utilizzati per validare un ambiente di simulazione della resa annuale di PTC. Si è determinata la convenienza nell'adozione di nanofluidi a base di metalli rispetto al fluido di base (acqua). Sono state analizzate 5 temperature del fluido in ingresso e 3 portate in massa. I risultati mostrano che solo le nanoparticelle di Au, TiO2, ZnO e Al2O3 alle più basse concentrazioni presentano ridotti miglioramenti. Il forno solare a scatola ha un rapporto di concentrazione di 11,57, ed è costituito da una camera di cottura, un coperchio superiore vetrato e una doppia fila di specchi riflettenti. Il prototipo consente un allineamento solare manuale sia azimutale che zenitale. La temperatura massima del forno è stata determinata attraverso prove a vuoto. Sono state inoltre svolte prove a carico inserendo nel forno una o due pentole di alluminio, verniciate o meno in nero, riempite con acqua o olio di arachidi. In quest’ultimo caso, si è giunti a temperature superiori a 200 °C e a risultati confrontabili con quelli in letteratura.

Design, Manufacturing, Testing, and Mathematical Modeling of Concentrating Solar Systems: a Study Applied to Prototypes of Parabolic Trough Collector and Solar Box Cooker

COCCIA, GIANLUCA
2017-01-03

Abstract

L'utilizzo di energia solare termica deve essere sostenuto per ridurre il consumo di fonti fossili climalteranti. Nel presente studio si sono progettati e realizzati due sistemi solari a concentrazione: un collettore parabolico assiale (PTC) ed un forno solare a scatola. Il PTC ha un angolo di bordo di 90° ed un rapporto di concentrazione di 19,89. Sul concentratore, realizzato in sandwich composito, sono state applicate pellicole in alluminio ad elevata riflettanza. Il ricevitore è un tubo di acciaio rivestito da una vernice selettiva. Il sistema di inseguimento è governato da un algoritmo solare. I test sperimentali sono stati condotti con acqua ad una temperatura massima di 85 °C. Il PTC è stato caratterizzato ottenendo curve di efficienza termica, modificatore dell'angolo di incidenza e costante di tempo. I risultati mostrano che l'equazione dell'efficienza termica è confrontabile con quella di collettori simili. I dati sperimentali sono stati utilizzati per validare un ambiente di simulazione della resa annuale di PTC. Si è determinata la convenienza nell'adozione di nanofluidi a base di metalli rispetto al fluido di base (acqua). Sono state analizzate 5 temperature del fluido in ingresso e 3 portate in massa. I risultati mostrano che solo le nanoparticelle di Au, TiO2, ZnO e Al2O3 alle più basse concentrazioni presentano ridotti miglioramenti. Il forno solare a scatola ha un rapporto di concentrazione di 11,57, ed è costituito da una camera di cottura, un coperchio superiore vetrato e una doppia fila di specchi riflettenti. Il prototipo consente un allineamento solare manuale sia azimutale che zenitale. La temperatura massima del forno è stata determinata attraverso prove a vuoto. Sono state inoltre svolte prove a carico inserendo nel forno una o due pentole di alluminio, verniciate o meno in nero, riempite con acqua o olio di arachidi. In quest’ultimo caso, si è giunti a temperature superiori a 200 °C e a risultati confrontabili con quelli in letteratura.
Use of solar thermal energy has to be sustained to reduce consumption of climate-changing fossil fuels. Thus, in this study two concentrating solar prototypes were designed and manufactured: a parabolic trough collector (PTC) and a solar box cooker. The PTC has a 90° rim angle and a concentration ratio of 19.89. The concentrator is a sandwich composite structure with high-reflectance aluminum foils applied on it. The receiver is a steel pipe painted with a selective coating. The tracking system is based on a solar-position computer program. Experimental tests were carried out with water and temperatures up to 85 °C. Thermal efficiency, incident angle modifier, and time constant curves were found. Results show that the thermal efficiency equation is comparable with that of other PTCs in literature. Experimental data were utilized to validate a simulation environment able to determine the yearly yield of PTCs. The simulation was carried out to evaluate the convenience in adopting metal-based nanofluids respect to the base fluid (water). Five inlet fluid temperatures and three mass flow rates were analyzed. Results show that only Au, TiO2, ZnO, and Al2O3 nanoparticles, at the lowest concentrations, present reduced improvements respect to water. The solar box cooker is a high concentration ratio prototype (11.57). The cooker has a cooking chamber with a glass cover on the top and is composed by two rows of booster mirrors. The prototype allows both an azimuth and a zenith manual orientation. Tests without load were carried out to evaluate the maximum cooker temperature. Tests with load, conduced using aluminum vessels containing a certain amount of water, were accomplished both with non-painted vessels and black-coated ones, and with one or two vessels. Additional tests were carried out with peanut oil. Using this fluid, temperatures higher than the water ones were achieved (> 200 °C) and results exhibited values comparable to those in literature.
parabolic trough collector; solar cooker; nanofluid; design and testing; mathematical modeling
File in questo prodotto:
File Dimensione Formato  
tesi_coccia.pdf

accesso aperto

Descrizione: tesi_coccia
Tipologia: Tesi di dottorato
Licenza: NON PUBBLICO-Accesso privato/ristretto
Dimensione 24.28 MB
Formato Adobe PDF
24.28 MB Adobe PDF Visualizza/Apri

I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11566/245262
Citazioni
  • ???jsp.display-item.citation.pmc??? ND
  • Scopus ND
  • ???jsp.display-item.citation.isi??? ND
social impact