Estudio comparativo de la eficiencia de colectores solares de placa plana rectangular y triangular mediante el método de elementos finitos
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Resumen
En esta investigación, se comparó la eficiencia de un colector solar de placa plana con geometría triangular y cuadrada, mediante el método de elementos finitos (FEM, por sus siglas en inglés). El diseño de las geometrías y los parámetros utilizados para la simulación se obtuvieron de publicaciones previas. Se utilizó el software SolidWorks para el modelado de los dos colectores, mientras que el módulo Fluent del software ANSYS fue utilizado para la simulación por el método FEM. Para los colectores se utilizó una tubería de 7 mm de diámetro interno, con un espesor de placa de 11 mm y el material definido fue aluminio. Se consideró temperatura ambiente de 20 °C, con una radiación solar de 1000 W·m-2 y superficies de transferencia de calor 61 250 y 122 500 mm2 para el colector triangular y cuadrado, respectivamente. La calidad del mallado fue excelente, obteniendo skewness de 0.2486, con lo que se obtuvo eficiencias de 62 y 39 % y temperaturas máximas de 27 y 25,5 °C para el colector triangular y cuadrado, respectivamente. Debido a que las geometrías actúan como aletas, las temperaturas son más altas en las esquinas y por esto no es posible alcanzar mayor eficiencia.
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Citas
P. Zeppini and J. C. J. M. van den Bergh, “Global competition dynamics of fossil fuels and renewable energy under climate policies and peak oil: A behavioural model,” Energy Policy, vol. 136, p. 110907, 2020, doi: 10.1016/j.enpol.2019.110907.
V. A. Ballesteros-Ballesteros and A. P. Gallego-Torres, “Modelo de educación en energías renovables desde el compromiso público y la actitud energética,” Revista Facultad de Ingeniería, vol. 28, no. 52, pp. 27–42, Jun. 2019, doi: 10.19053/01211129.v28.n52.2019.9652.
S. F. Razmi, B. Ramezanian Bajgiran, M. Behname, T. E. Salari, and S. M. J. Razmi, “The relationship of renewable energy consumption to stock market development and economic growth in Iran,” Renew Energy, vol. 145, pp. 2019–2024, 2020, doi: 10.1016/j.renene.2019.06.166.
J. E. Camacho-Quintana, J. E. Salamanca-Céspedes, and A. P. Gallego-Torres, “Induction Generator Characterization for a Medium and Low Wind-Power Generator,” Revista Facultad de Ingenieria, vol. 29, no. 54, 2020, doi: 10.19053/01211129.v29.n54.2020.10900.
A. A. Adenle, “Assessment of solar energy technologies in Africa-opportunities and challenges in meeting the 2030 agenda
and sustainable development goals,” Energy Policy, vol. 137, p. 111180, 2020, doi: 10.1016/j.enpol.2019.111180.
M. Mikati, M. Santos, and C. Armenta, “Modelado y Simulación de un Sistema Conjunto de Energía Solar y Eólica para Analizar su Dependencia de la Red Eléctrica,” Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial RIAI, vol. 9, no. 3, pp. 267–281, 2012, 10.1016/j.riai.2012.05.010.
I. Visa, M. Moldovan, and A. Duta, “Novel triangle flat plate solar thermal collector for facades integration,” Renew Energy,
vol. 143, pp. 252–262, 2019, doi: 10.1016/j.renene.2019.05.021.
O. K. Ahmed, “A numerical and experimental investigation for a triangular storage collector,” Solar Energy, vol. 171, pp. 884–892, 2018, doi: 10.1016/j.solener.2018.06.097.
A. X. Andrade Cando, W. Quitiaquez Sarzosa, and L. F. Toapanta, “CFD Analysis of a solar flat plate collector with different cross sections,” Enfoque UTE, vol. 11, no. 2, pp. 95–108, Apr. 2020, doi: 10.29019/enfoque.v11n2.601.
R. Moss, S. Shire, P. Henshall, F. Arya, P. Eames, and T. Hyde, “Performance of evacuated flat plate solar thermal collectors,” Thermal Science and Engineering Progress, vol. 8, pp. 296–306, 2018, doi: 10.1016/j.tsep.2018.09.003.
M. H. Alkhafaji, B. Freegah, and M. H. Alhamdo, “Effect of riser-pipe cross section and plate geometry on the solar flat plate collector’s thermal efficiency under natural conditions,” Journal of Engineering Research, Jul. 2023, doi: 10.1016/J.JER.2023.100141.
H. Fathabadi, “Novel low-cost parabolic trough solar collector with TPCT heat pipe and solar tracker: Performance and comparing with commercial flat-plate and evacuated tube solar collectors,” Solar Energy, vol. 195, pp. 210–222, 2020, doi: 10.1016/j.solener.2019.11.057.
M. R. Saffarian, M. Moravej, and M. H. Doranehgard, “Heat transfer enhancement in a flat plate solar collector with different flow path shapes using nanofluid,” Renew Energy, vol. 146, pp. 2316–2329, 2020, doi: 10.1016/j.renene.2019.08.081.
S. Müller, F. Giovannetti, R. Reineke-Koch, O. Kastner, and B. Hafner, “Simulation study on the efficiency of thermochromic absorber coatings for solar thermal flat-plate collectors,” Solar Energy, vol. 188, pp. 865–874, 2019, doi: 10.1016/j.solener.2019.06.064.
M. Fan et al., “A comparative study on the performance of liquid flat-plate solar collector with a new V-corrugated absorber,” Energy Convers Manag, vol. 184, pp. 235–248, 2019, doi: 10.1016/j.enconman.2019.01.044.
W. Quitiaquez et al., “Análisis del rendimiento termodinámico de una bomba de calor asistida por energía solar utilizando un condensador con recirculación,” Revista Técnica “energía,” vol. 16, no. 2, pp. 111–125, Jan. 2020, doi: 10.37116/REVISTAENERGIA.V16.N2.2020.358.
I. Reinier et al., “The selection of a solar collector to increase the temperature of the water supply to the steam generator at the University of Cienfuegos [Online]. Available: http://rus.ucf.edu.cu/
N. H. Abu-Hamdeh, A. Khoshaim, M. A. Alzahrani, and R. I. Hatamleh, “Study of the flat plate solar collector’s efficiency for sustainable and renewable energy management in a building by a phase change material: Containing paraffin-wax/Graphene and Paraffin-wax/graphene oxide carbon-based fluids,” Journal of Building Engineering, vol. 57, p. 104804, Oct. 2022, doi: 10.1016/J.JOBE.2022.104804.
E. Bellos and C. Tzivanidis, “A detailed investigation of an evacuated flat plate solar collector,” Appl Therm Eng, vol. 234,
p. 121334, Nov. 2023, doi: 10.1016/J.APPLTHERMALENG.2023.121334.
F. J. Diez, L. M. Navas-Gracia, A. Martínez-Rodríguez, A. Correa-Guimaraes, and L. Chico-Santamarta, “Modelling of a flat-plate solar collector using artificial neural networks for different working fluid (water) flow rates,” Solar Energy, vol. 188, pp. 1320–1331, 2019, doi: 10.1016/j.solener.2019.07.022.
I. Visa et al., “Design and experimental optimisation of a novel flat plate solar thermal collector with trapezoidal shape
for facades integration,” Appl Therm Eng, vol. 90, pp. 432–443, 2015, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2015.06.026.
D. Wang et al., “Comparative analysis of heat loss performance of flat plate solar collectors at different altitudes,” Solar Energy, vol. 244, pp. 490–506, Sep. 2022, doi: 10.1016/J.SOLENER.2022.08.060.
K. Deshmukh, S. Karmare, and P. Patil, “Experimental investigation of convective heat transfer performance of TiN nanofluid charged U-pipe evacuated tube solar thermal collector,” Appl Therm Eng, vol. 225, p. 120199, May 2023, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2023.120199.
M. Carmona and M. Palacio, “Thermal modelling of a flat plate solar collector with latent heat storage validated with experimental data in outdoor conditions,” Solar Energy, vol. 177, pp. 620–633, Jan. 2019, doi: 10.1016/J.SOLENER.2018.11.056.
H. R. Robles-Campos, B. J. Azuaje-Berbecí, C. J. Scheller, A. Angulo, and F. Mancilla-David, “Detailed modeling of large scale photovoltaic power plants under partial shading conditions,” Solar Energy, vol. 194, pp. 485–498, Dec. 2019, doi: 10.1016/J.SOLENER.2019.10.043.
D. G. Gunjo, V. K. Yadav, D. K. Sinha, I. E. Elseesy, G. M. Sayeed Ahmed, and M. A. H. Abdelmohimen, “Development and performance evaluation of solar heating system for biogas production process,” Case Studies in Thermal Engineering, vol. 39, p. 102438, Nov. 2022, doi: 10.1016/J.CSITE.2022.102438.
J. Mustafa, S. Alqaed, and R. Kalbasi, “Challenging of using CuO nanoparticles in a flat plate solar collector- Energy saving in a solar-assisted hot process stream,” J Taiwan Inst Chem Eng, vol. 124, pp. 258–265, Jul. 2021, doi: 10.1016/J.JTICE.2021.04.003.
J. J. Fiuk and K. Dutkowski, “Experimental investigations on thermal efficiency of a prototype passive solar air collector
with wavelike baffles,” Solar Energy, vol. 188, pp. 495–506, Aug. 2019, doi: 10.1016/J.SOLENER.2019.06.030.
R. J. Xu, Y. Q. Zhao, H. Chen, Q. P. Wu, L. W. Yang, and H. S. Wang, “Numerical and experimental investigation of a compound parabolic concentrator-capillary tube solar collector,” Energy Convers Manag, vol. 204, p. 112218, Jan. 2020, doi: 10.1016/J.ENCONMAN.2019.112218.
W. Quitiaquez, J. Estupiñán-Campos, C. Nieto-Londoño, and P. Quitiaquez, “CFD Analysis of Heat Transfer Enhancement in a Flat-Plate Solar Collector/Evaporator with Different Geometric Variations in the Cross Section,” Energies (Basel), vol. 16, no. 15, p. 5755, Aug. 2023, doi: 10.3390/en16155755.
I. Simbaña, W. Quitiaquez, J. Estupiñán, F. Toapanta-Ramos, and L. Ramírez, “Evaluación del rendimiento de una bomba de calor de expansión directa asistida por energía solar mediante simulación numérica del proceso de estrangulamiento en el dispositivo de expansión,” Revista Técnica “energía,” vol. 19, no. 1, pp. 110–119, Jul. 2022, doi: 10.37116/REVISTAENERGIA.V19.N1.2022.524.
S. T. Mohammad, H. H. Al-Kayiem, M. A. Aurybi, and A. K. Khlief, “Measurement of global and direct normal solar energy radiation in Seri Iskandar and comparison with other cities of Malaysia,” Case Studies in Thermal Engineering, vol. 18, p. 100591, 2020, doi: 10.1016/j.csite.2020.100591.
E. Nadal, J. J. Ródenas, E. M. Sánchez-Orgaz, S. López-Real, and J. Martí-Pellicer, “Sobre la utilización de códigos de elementos finitos basados en mallados cartesianos en optimización estructural,” Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeniería, vol. 30, no. 3, pp. 155–165, 2014, doi: 10.1016/j.rimni.2013.04.009.
J. G. Ardila-Marín, D. A. Hincapié-Zuluaga, and J. A. Sierra-del-Río, “Independencia de malla en tubos torsionados para intercambio de calor: caso de estudio,” Revista de la Facultad de Ciencias, vol. 5, no. 1, pp. 124–140, Jan. 2016, doi: 10.15446/rev.fac.cienc.v5n1.54231.
J. Manuel Rachel Him, L. A. Ortega, and J. Manuel González, “Actividades inmobiliarias, empresariales y de alquiler, y su efecto en la economía de Panamá.,” 2019.
