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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.106.2020.tde-30062020-150746
Document
Author
Full name
Renan de Souza Carvalho
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2020
Supervisor
Committee
Oliveira, Celso Eduardo Lins de (President)
Grimoni, Jose Aquiles Baesso
Lemos, Marcelo José Santos de
Oliveira, Santiago Del Rio
Title in English
Modeling and simulation of a solar cavity receiver for low latitudes
Keywords in English
Cavity receiver
Central tower
Concentrated solar power
Direct steam generation
Transient simulation.
Abstract in English
Concentrated Solar Power (CSP) has been proposed as a promising renewable alternative to diversify the Brazilian electricity matrix. No CSP plants are operational in Brazil, but R&D projects are under development. In this context, the present work aimed to assess the behavior of a Direct Steam Generation (DSG) cavity receiver based on the SG4 technology to be installed in a 50 kWel central tower receiver plant, currently under construction in Caiçara do Rio do Vento, RN, Brazil, and possible improvements. The transient simulation used real data collected at the site, applying the lumped-element method for cavity spatial discretization, and Euler forward method for temporal discretization, as well as the Finite Volume Method (FVM) for the heat transfer between the steel tube and water in a mode detailed second model. Validation was carried out by comparison of results with a steady-state model considering two different days, with different irradiation values and times of the day. The results showed negligible convective heat losses compared to reflection and re-radiation losses. In addition, the receiver efficiency is higher than the receiver attached to the assessed improvements. The receiver thermal efficiency was 91.33% for the first model, and 90.18% for the detailed model, with 1,898.93 kg and 1,883.54 kg of steam generation, respectively. The validation results showed good agreement between the transient and steady-state models.
Title in Portuguese
Modelagem e simulação de um receptor solar de cavidade para baixas latitudes.
Keywords in Portuguese
Energia solar concentrada
Geração direta de vapor
Receptor solar de cavidade
Simulação transiente
Torre central
Abstract in Portuguese
A energia solar concentrada, também conhecida como heliotérmica, vem sendo proposta como uma alternativa renovável promissora para diversificar a matriz elétrica brasileira. Atualmente, não existem usinas heliotérmicas em operação no Brasil. Entretanto, projetos de P&D estão em desenvolvimento. Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo analisar o comportamento receptor solar de cavidade para geração direta de vapor baseado na tecnologia SG4 a ser instalado em uma planta de receptor de torre central de 50 kWel, atualmente em construção em Caiçara do Rio do Vento (RN), bem como possíveis melhorias (Compound Parabolic Concentrator CPC, e janela de quartzo). A simulação transiente utilizou dados reais coletados no local, aplicando o método de elementos agrupados para discretização espacial da cavidade, e o método explícito de Euler para discretização temporal, bem como o Método de Volumes Finitos para as trocas de calor entre tubo e água em um segundo modelo, mais detalhado. A validação foi realizada através da comparação dos resultados com um modelo em regime permanente considerando dois dias diferentes, com diferentes valores de irradiação e horários. Os resultados apontaram perdas de calor por convecção desprezíveis em comparação com perdas por reflexão e re-radiação. Os resultados apontaram também que a eficiência do receptor é superior à do receptor adjunto às melhorias estudadas. A eficiência térmica do modelo da cavidade foi 91.33% ao longo do dia, e 90.18% após a implementação do modelo do tubo, com geração de 1.898,93 kg e 1.883,54 kg de vapor, respectivamente. Os resultados da validação demonstraram boa concordância entre os modelos transiente e em regime permanente.
 
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RenanDissertacao.pdf (4.58 Mbytes)
Publishing Date
2020-08-05
 
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