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Tesis Doctoral
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2021.tde-24112021-140456
Documento
Autor
Nombre completo
Erick Alfred Dib
Dirección Electrónica
Instituto/Escuela/Facultad
Área de Conocimiento
Fecha de Defensa
Publicación
São Paulo, 2021
Director
Tribunal
Fiorelli, Flávio Augusto Sanzovo (Presidente)
Figueiredo, Renan Tavares
Hernandez Neto, Alberto
Ruivo, Celestino Rodrigues
Souza, Luiz Guilherme Meira de
Título en portugués
Análise da formação de imagem focal do concentrador solar paraboloidal tipo scheffler.
Palabras clave en portugués
Concentrador Scheffler
Energia solar
Formação de imagem
Modelagem
Resumen en portugués
O concentrador solar tipo Scheffler é um refletor paraboloidal que mantém o foco fixo em um receptor estacionário, enquanto o refletor se move com o sistema de rastreamento. Essa característica se deve à sua geometria, definida pelo traço entre uma paraboloide teórica e um plano a 43,23°, e pelo sistema de rastreamento em dois eixos. Na literatura, há importantes trabalhos voltados para as definições da geometria complexa do refletor Scheffler e diversas demonstrações de aplicações. Já a questão da formação da imagem focal do concentrador Scheffler e do fluxo de energia solar foram pouco exploradas. O conhecimento sobre a formação de imagem de um concentrador solar é importante para processos de otimização de receptores. Assim, nesse trabalho foi realizada uma modelagem matemática para estimativa da curva do fluxo de energia solar concentrada para o concentrador Scheffler Sul, isto é, o concentrador que está ao sul da zona focal. Na simulação, verificou-se que o sistema de rastreamento sazonal afeta a área de do refletor numa amplitude de duas condições de contorno: com e sem deformação na borda. O fluxo total e a curva de fluxo de energia disponível no foco também variam significativamente. A variação teórica máxima da área de abertura e o fluxo total na imagem do foco foram iguais, de 48% e 20%, respectivamente, para as duas condições de contorno. A data da maior fronteira do foco é a mesma data da menor núcleo, e vice versa, e o pico do fluxo variou 52%. As medições do foco foram realizadas em um concentrador Scheffler Sul com abertura de 2 m2, em quatro dias ao longo de 4 meses, com uma câmera CMOS monocromática de 16 bits. Nestas medições, o perfil de fluxo e as variações dimensionais se mostraram coerentes com a simulação. Entre os quatro dias, o fator de interceptação do núcleo foi aproximadamente 0,5, com fluxos entre 413 W a 910 W. Na interceptação de regiões periféricas, o fluxo variou de 987 W a 1685 W, com fator de interceptação entre 0,87 e 0,99. As medições revelaram que a geometria das fronteiras do foco são modificadas com o acionamento do sistema de rastreamento sazonal, mas, ainda assim, as imagens registradas apresentaram boas concordâncias com as tendências vistas nas simulações. Este trabalho, enfim, sugere um modelo de cálculo para o diâmetro do núcleo e da fronteira do foco, que pode ser utilizado como ferramenta em processos de otimização de receptores para este tipo de concentrador solar.
Título en inglés
Analysis of the focal image formation of the Scheffler type paraboloidal solar concentrator.
Palabras clave en inglés
Imaging concentrator
Modeling
Scheffler concentrator
Solar energy
Resumen en inglés
The Scheffler solar concentrator is a paraboloidal reflector that keeps the focus fixed in a stationary receiver, while the reflector moves according the tracking system. This feature is due to its geometry defined by trace between theoretic paraboloid and a plane at 43,23°, and by the two axes tracking system. In the literature, there are important papers focused to the definitions of the complex geometry of the Scheffler reflector and several demonstrations of applications. The issue of imaging of Scheffler concentrator and the flow of solar energy have been little explored. The knowledge of focus imaging of a solar concentrator is important top the optimizations processes of receivers. So, in this work a mathematical modeling was carried out to estimate the curve of flow of concentrated solar energy to South Scheffler concentrator, that is, the concentrator that is at south side of focal zone. In the simulations, it was found that the seasonal tracking system affects the area of the reflector in a range of two boundary conditions: with and without rim deformation. The total flow and the available focus energy flow curve also varies significantly. The maximum theoretic variations of aperture area and the total flow at focus were equals, of 48% and 20% respectively to the both boundaries conditions. The date of the largest border is the same date of the smallest nucleus, and vice versa, and the variations of the peak of the flow was 52%. The measurements of the focus were carried out in an South Scheffler solar concentrator with 2 m2 of aperture area, by four days over four months, with a monochromatic 16 bits CMOS camera. In these measurements, the curve flow and dimensional variatios showed coherency among with the simulations . Among four days, the intercept factor of the nucleus was close to 0.5 with energy flow between 413 W and 910 W. In interception of boundaries regions, the flow varied from 987 W to 1685 W , with interception factor between 0.87 and 0.99. The measurements reveals that the geometry of focus boundary were modified as seasonal tracking systems works, but still, the registered images presented good agreement with trends shown by simulations. Finally, this work suggests a model of calculus to the core and boundary diameters of the focus to be applied as tool in receiver optimization processes too this type of solar concentrators.
 
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Fecha de Publicación
2021-11-25
 
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