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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2019.tde-20032020-091413
Document
Author
Full name
Luma Fonseca do Canto
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2019
Supervisor
Committee
Moreira, José Roberto Simões (President)
Oliveira, Celso Eduardo Lins de
Passos, Julio César
Title in English
Design, construction and tests of a high flux solar simulator.
Keywords in English
Concentrated solar power
CSP
HFSS
High flux solar simulator
Solar fuel
Abstract in English
The growth on energy consumption worldwide in the last year, along with the increasingly care about the amount of pollutants emitted to the atmosphere when working with fossil sources have revealed the need of diversifying the energy grid. The solar fuels are produced enriching the calorific power of combustibles such as biomass or shale gas, by using the thermal energy of the Sun as activating energy for the given conversion processes. Considering the great direct solar radiation index of center-west and northeast of Brazil, the generation of solar fuels appears as a fine option in this country. However, this technology is not yet fully developed and research with known input parameters is still needed. Given the seasonal and intermittent characteristics of the solar radiation, the use of a simulator capable of emulating the high thermal flux of the concentrated solar power (CSP), while maintaining steady conditions is required. In this way, this work aims in the design, construction and tests of a high flux solar simulator (HFSS) to be used on the research of solar fuels. After carrying out an extensive literature review, an HFSS composed of two commercial sky searchlights ,working as light sources, and parabolic reflectors, as concentrators, has been proposed. Using the Monte Carlo ray tracing (MCRT) method, the geometry of the concentrators has been designed and the concentrated heat flux, holding or not a secondary concentrator device, have been previously analyzed. The development of a mathematical analysis for a black body cavity has been conducted, and it has drawn the basis for the design and construction of a calorimeter cavity. Then tests have been conducted, among which are: the definition of the electric-to-radiant ratio of the light sources, following three different methods; the evaluation of the concentrated heat flux of the HFSS; and the analysis of the power intensity inside the cavity calorimeter, when using a secondary concentrator. The use of a black and white camera, a near-Lambertian target and a heat flux gauge have granted the calibration of the gray-scale of the camera, hence if the HFSS proposed is expanded by adding more lamps, it can be easily photographically characterized in terms of heat flux.
Title in Portuguese
Design, construção e testes de um simulador solar de alto fluxo.
Keywords in Portuguese
Energia solar
Fontes alternativas de energia
Radiação (Calor)
Reflexão do calor (Simulação)
Abstract in Portuguese
O acréscimo de consumo de energia no último ano, bem como a crescente preocupação relacionada à produção de poluentes emitidos à atmosfera, quando trabalha-se com fontes fósseis, relevou a necessidade de diversificação da matriz energética. Os combustíveis solares são produzidos enriquecendo o poder calorífico de outros combustíveis como biomassa e gás natural, utilizando o calor do Sol como fonte de ativação dos processos de conversão. Dado o alto índice de radiação solar direta nas regiões nordeste e centro-oeste do Brasil, a geração de combustíveis solares aparece como uma boa opção no país. Entretanto, esta tecnologia ainda não se encontra em total desenvolvimento e, portanto, a pesquisa com parâmetros conhecidos ainda é necessária. Dadas as características sazonal e intermitente da radiação solar, o uso de um simulador capaz de emular o alto fluxo térmico da energia solar concentrada, enquanto mantém condições de trabalho constantes, é indispensável. Assim, este trabalho objetiva o design, construção e testes de um simulador solar de alto fluxo a ser aplicado à pesquisa de combustíveis solares. Após uma extensiva revisão literária, um simulador composto por dois sky searchlights comerciais, utilizados como fonte de luz, e refletores parabólicos como concentradores foi proposto. Aplicando o método de traçado de raios Monte Carlo, a geometria dos concentradores foi definida, e o fluxo de energia térmica, utilizando ou não concentrador secundário foi previamente analisado. A análise matemática para cavidade de corpo negro foi implementada, o que serviu de base para o design e construção de uma cavidade calorimétrica. Posteriormente, testes foram conduzidos, entre os quais estão a definição de taxa de eletricidade-para-radiação das fontes luminosas segundo três metodologias distintas; a avaliação do fluxo de calor concentrado do simulador; e a análise da intensidade de energia dentro da cavidade calorimétrica, com o concentrador secundário em uso. O emprego da câmera em preto e branco, da placa Lambertiana e do sensor de fluxo garantiram a calibração da escala de cinza da câmera, assim é possível em caso de expansão do simulador adicionando novas lâmpadas, caracterizá-lo fotograficamente em termos de fluxo de calor com facilidade.
 
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Publishing Date
2020-05-29
 
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