Finite element analysis of a solar collector plate using two plate geometries

Análisis de elemento finito de dos geometrías de placa plana de un colector solar

El comportamiento térmico de una placa de absorción en un colector solar se investigó usando análisis de elemento finito. Se investiga el comportamiento térmico y la eficiencia de dos geometrías de plato absorbedor, un colector solar típico con plato absorbedor rectangular, utilizado como referencia, y una propuesta con geometría curva. Un análisis de los parámetros más importantes que intervienen en el diseño de la placa de absorción se llevó a cabo, indicando que la geometría curva de la placa de absorción ofrece una eficiencia media ~25% mayor que la geometría rectangular convencional. Los resultados sugieren que un perfil curvado hecho de materiales tales como aluminio con conductividad térmica mayor a 200W/m°C, espesor de placa del orden de 2 a 3mm y una mayor densidad de tubos por unidad de área de la placa de absorción, beneficia en gran medida la eficiencia térmica del colector solar.

Introducción

Los calentadores solares de agua se utilizan ampliamente en muchos países, sobre todo en regiones con una temperatura media de al menos 26 °C, una humedad relativa entre el 35-65 % y donde existe una radiación media anual de al menos 5 kWh/m2 (Mohsen et al, 2009). El componente principal de un calentador de agua solar es su colector, que se utiliza para la absorción de energía térmica de la radiación solar. Las características del colector solar se basan en el diseño de la placa absorbente, el recubrimiento selectivo, el aislamiento térmico, el ángulo de inclinación del colector y el fluido de trabajo (Soteris, 2009; Kundu, 2010; Abdolzadeh & Mehrabian, 2012; Shukla et al., 2013). Varios investigadores han trabajado en el diseño y desarrollo de colectores solares (Abdolzadeh & Mehrabian, 2011; Ulgen, 2006).  Hottel & Woertz (1942) y Hottle & Whiller (1958) se encuentran entre los pioneros implicados en el análisis del rendimiento de los colectores de placa plana con tubos paralelos, y también han realizado un balance energético de un colector de placa plana para determinar el calor absorbido por la placa. Los arreglos en la configuración geométrica del colector solar también han sido objeto de varios estudios, como los realizados por Matrawy & Farkas (1997) y Balaram Kundu (2002), que demostraron la importancia de la geometría del colector.

En el análisis térmico, la eficiencia de la aleta y el factor de transferencia de calor determinan el rendimiento térmico del colector (Rommel & Moock, 1997). Nahar y Gupta (1989) descubrieron que una distancia de separación óptima entre la placa absorbente y la cubierta de vidrio ayuda a mejorar el rendimiento térmico del colector solar.