Solar hybrid thermal energy system using multiple evaporator loop thermosyphons

Abstract

Coletores solares que utilizam a tecnologia de termossifões bifásicos têm recebido atenção crescente devido a sua alta eficiência térmica e baixos gradientes de temperatura durante a operação. No entanto, estes aparelhos não conseguem compensar a ausência de radiação solar, limitando sua aplicação. Assim, neste trabalho, são estudados os termosifões bifásicos em circuito (LTS na sigla em inglês) com dois evaporadores independentes, visando aplicações de energia solar térmica híbrida, onde um evaporador é alimentado por calor solar e o outro por uma fonte de calor alternativa (backup). Duas configurações de LTS foram desenvolvidas e testadas: uma com dois LTSs independentes associados em série e a outra compreendendo um arranjo com dois evaporadores independentes associados em paralelo. Ambas as configurações foram testadas sob as seguintes condições: testes em regime permanente, experimentos simulando intermitência solar e, por fim, testes simulando o funcionamento do dispositivo durante um dia típico. O evaporador solar exibiu os mesmos níveis de resistência térmica para ambas as configurações em série e paralelo. Para o evaporador alimentado pela fonte alternativa, a configuração em paralelo apresentou resistências térmicas gerais mais baixas, com oscilações de temperatura e instabilidades observadas para as menores taxas de calor aplicadas no evaporador. Nos testes de intermitência solar, o evaporador alimentado pela fonte alternativa no arranjo paralelo foi capaz de compensar a ausência solar em intervalos de tempo 47% menores, em média, quando comparado com a configuração em série. Nos testes de operação diária, a configuração em série foi capaz de manter níveis estáveis de temperatura do vapor, independentemente das variações na distribuição do calor imposto aos evaporadores. Um modelo teórico para os termossifões em circuito com evaporadores múltiplos foi formulado, considerando operação em regime permanente e utilizando a analogia com circuitos de resistência elétrica. O modelo exibiu boa concordância com valores experimentais para taxas de calor médias a altas, que correspondem às condições onde não foram observadas instabilidades. As resistências do evaporador alimentado pela fonte alternativa (backup) e resistências do evaporador solar exibiram erros médios de 15% e 29,9%, respectivamente quando comparadas aos valores experimentais nas faixas de operação sem instabilidade.

Abstract: Solar collectors using thermosyphon technology have received increasing attention due to their high thermal efficiency and isothermal operation, but are unable to self-compensate for the absence of solar radiation, limiting their application. Thus, in this work, two-phase loop thermosyphons (LTS), with two independent evaporators, are studied aiming for hybrid solar thermal energy applications, where one evaporator is powered by solar heat and the other is powered by a backup heat source. Two LTS configurations were developed and tested: one with two LTS associated in series and the other comprising one loop with two independent evaporators in parallel. Both configurations were tested under the following conditions: steady state tests, experiments simulating solar intermittence and tests simulating device operation throughout a typical day. The solar evaporator exhibited the same resistance levels for both series and parallel configurations. For the backup evaporator, the parallel configuration displayed lower overall thermal resistances, with temperature oscillations and instabilities observed for the lower heat input rates. In the solar intermittence tests, the backup evaporator in the parallel arrangement was able to compensate for solar absence 47% quicker, in average, when compared to the series configuration. While operating under different heat input rate distributions in the daily operation tests, the series configuration was able to maintain stable vapor temperature levels, independent of the variation of the heat input rate with time. A theoretical model for the multiple evaporator loop thermosyphons under steady state operation was formulated using the thermal resistance network analogy, exhibiting good agreement for medium to higher heat input rates, conditions where no instabilities were observed, with backup evaporator resistances and solar evaporator resistances displaying average errors of 15% and 29.9%, respectively.