CFD and optical analysis of a luminescent solar concentrator-based photomicroreactor

Abstract

A sustentabilidade nos processos é uma questão que vem sendo alvo de muita discussão ao longo dos anos. Uma nova tecnologia que emprega esse processo limpo é o foto microrreator baseado na tecnologia de concentrador solar luminescente (LSC-PM), o qual utiliza a luz do sol para promover reações químicas. Neste estudo, um modelo em CFD foi desenvolvido para a simular a conversão de 9,10-difenilantraceno (DPA) no LSC-PM. Os resultados simulados foram comparados com os dados experimentais de conversão de DPA em função do tempo para diferentes potências, com boa concordância. Três funções (retangular, triangular e sinusoidal) foram criadas para representar a variação temporal da potência. Um sistema de controle feedforward foi implementado no sistema de reação para manter uma conversão de DPA estável mesmo com as variações de irradiação ao longo do tempo. O estudo do tempo de atraso no sistema de controle foi feito com quatro tempos de atraso, 0,5, 1, 5 e 10 s, onde foi verificado que o atraso de 0,5 s resulta em controle em tempo real e é perfeitamente realizável. Além disso, duas configurações geométricas diferentes foram construídas para avaliar a influência desse parâmetro sobre o desempenho do sistema. Simulações da distribuição de fótons no LSC-PM foram conduzidas com base no método de Monte Carlo, utilizando a luz do sol como fonte. O livre caminho médio das partículas luminescentes foi variado para encontrar a melhor resposta e a interferência do mesmo no sistema óptico. Ao analisar a potência que atinge a superfície do dispositivo e a potência de saída, um livre caminho médio de 1 mm foi considerado razoável e posteriormente foi adotado para todas as simulações. Este estudo permitiu observar a variação das perdas pela diminuição/aumento da concentração de partículas de corante. Uma alta concentração implica em auto-perdas, e uma concentração muito baixa em um aumento de transmissões. A potência que atinge o dispositivo pôde ser medida, sendo que 1,7771W foi medido no interior do sistema, enquanto 0,0183W foram coletados pela borda de saída. As perdas de transmissão puderam ser elucidadas através das medidas coletadas por uma placa fina instalada sob o foto microrreator, e provou que 0,058 W da potência perdeu-se por transmissão. Duas novas espessuras do fotomicroreator foram desenvolvidas, a fim de comprovar que a geometria interfere no comportamento óptico do sistema, possibilitando a realização de estudos adicionais futuramente visando melhorias no sistema. Baseado nisso, as duas novas geometrias mostraram que, ao diminuir a espessura do dispositivo, as perdas são ampliadas no sistema.

Abstract: Process sustainability is a question that has attracted significant attention in the last decades. A novel technology that employs this clean process is the luminescent solar concentrator-based photomicroreactor (LSC-PM), a microreactor that utilizes sunlight to drive chemical reactions. In this study, a CFD model was built for the simulation of the conversion of 9,10-diphenylanthracene (DPA) in the LSC-PM. The numerical results were compared with the experimental data of DPA conversion versus time for different powers, and the agreement was quite satisfactory. Three functions (rectangular, triangular and sinusoidal) were created in order to represent the temporal variation of the power. A feedforward control system was implemented in the reaction system in order to maintain a stable DPA conversion due to power variations over time. The study of the time delay in the control system was made with four levels, 0.5, 1.5 and 10 s, where it was verified that, in fact, a 0.5 s delay resulted in a realizable real-time control. Furthermore, the influence of different geometrical configurations for the microchannels on the reactive flow was investigated. Moreover, optical simulations were carried out to quantify the photon distribution in the system based on Monte Carlo method. These ray-tracing simulations used sunlight as a source. The mean free path (MFP) of the luminescent particles was variated in order to find the best response and the interference of this parameter on the performance of the optical system. When analyzing the power that reaches the device and the output power, a 1 mm MFP was considered adequate and adopted for all the simulations. This study allowed the observation of the variation of losses by the decrease/increase of the concentration of dye particles. A high concentration implies in self-losses, while a very low concentration implies in higher transmissions. The power attaching the device by sunlight irradiation could be measured, where 1.7771 W was found impinging in the system, while 0.0183 W was collected by the output edge. The transmission losses could be elucidated by attaching a thin plate under the photomicroreactor, and it proved that 0.058 W of the power was lost by transmission. Two new thickness of the photomicroreactor were evaluated, in order to prove that it interferes in the optical behavior of the system, allowing further improvement studies on the system. These two new dimensions showed that by decreasing the thickness of the device the losses are consequently increased.