Linear solar concentrators: new testing tools and facilities, application to novel CPC-type collectors for industrial process heat

Abstract

Solar energy can be converted into heat in small-scale or large-scale systems that work at low, medium or high temperatures. Presently, a major growth is being observed in large-scale systems for district heating and industrial process heat. Linear concentrators have a well-recognized role in this context and new configurations and solutions are in demand. These must be within the scope of product certification schemes, which rely on international testing standards. This thesis discusses the limitations of the current standards for linear concentrators and presents the design and construction of the Solar Concentrators Testing Platform at the University of Évora. The use of ray-tracing simulation tools to complement and extend the experimental results is also explored. This thesis goes on to present the development of new collector solutions for medium temperature applications (100–250 °C). The principles of non-imaging optics were used in the design of low-concentration (1 to 5) linear CPC-type solar reflectors with evacuated receivers that can generate high-performance, flexibly mounted and affordable solutions. Two collector concepts were investigated. The first is a stationary CPC-type collector with acceptance of 90°. The manufacturing process was considered by analysing different virtual absorber geometries. A prototype was built and tested. The second concept is a quasi-stationary CPC-type collector that only requires a few changes in its position along the year and does not need a sun-tracking system. As the search for the optimal collector design for a specific installation is complex, a thermo-economic optimization method was developed. Two prototypes were built and tested in a collaboration with the company MCG mind for metal. This collector, which is now at its final development stage, will be installed at an industrial facility - KEMET Electronics - in Évora, Portugal; Sumário: Concentradores solares lineares: novas ferramentas e infraestruturas de ensaio, aplicação a novos colectores do tipo CPC para calor de processo industrial A energia solar pode ser convertida em calor em sistemas de pequena ou grande escala, que funcionam a baixas, médias ou altas temperaturas. Actualmente, regista-se um grande crescimento na instalação de sistemas de grande escala para redes de calor e calor de processo industrial. Os concentradores lineares têm um papel reconhecido neste contexto e novas configurações e soluções estão em desenvolvimento. Estas devem integrar-se do âmbito dos esquemas de certificação, que se baseiam em normas de ensaio internacionais. Esta tese discute as limitações das normas actuais no ensaio de concentradores lineares e apresenta o projecto e a construção da Plataforma de Ensaio de Concentradores Solares na Universidade de Évora. O uso de ferramentas de simulação, através de técnicas de traçado de raios, é explorado com o fim de complementar e ampliar os resultados experimentais. A tese prossegue apresentando o desenvolvimento de novas soluções de colectores para aplicações a média temperatura (100–250 °C). Os princípios da óptica não reprodutora de imagem foram usados no desenho de refletores solares lineares do tipo CPC, de baixa concentração (1 a 5), com receptores evacuados que podem originar soluções com bom desempenho, montagem flexível e custos acessíveis. Dois conceitos de coletores foram investigados. O primeiro é um coletor estacionário do tipo CPC com aceitação de 90 graus. O processo de fabricação foi considerado através da análise de diferentes geometrias dos absorsores virtuais. Um protótipo foi construído e ensaiado. O segundo conceito é um coletor quasi-estacionário do tipo CPC, que requer apenas algumas mudanças na sua posição ao longo do ano, dispensando sistemas de seguimento solar. Devido à complexidade na definição do design ideal do coletor para uma instalação específica, foi desenvolvido um método de otimização termoeconómica. Foram construidos e ensaiados dois protótipos em colaboração com a empresa MCG mind for metal. Este colector, que se encontra actualmente no seu estágio final de desenvolvimento, será instalado num edifício industrial - a KEMET Electronics - em Évora, Portugal.