Studio sperimentale e numerico di collettori solari termici ad assorbimento diretto operanti con nanofluidi

The growing need for energy, coupled with problems concerning climate change, has prompted the international community to take an increasing interest in renewable energy. Among the most promising renewable energies there is certainly solar energy, which is widely used because of its wide availability and versatility of use (it can be exploited for power generation or to heat domestic hot water in residential and industrial environments). In solar thermal collectors, used for domestic hot water production, incident solar radiation is first absorbed by a metal plate coated with selective material (so as to optimize emission and absorption), and only then transferred to the heat transfer fluid. Thermal resistances due to conduction and convection between the absorber plate and the heat transfer fluid limit the efficiency of conversion from solar energy to thermal energy due to high heat losses to the outside. This problem can be solved by using volumetric solar collectors, in which the absorption of solar radiation takes place directly in the fluid volume. The fluids used exhibit optical properties optimized for absorption of solar radiation in the 200-1000 nm wavelength range and are typically suspensions of carbon nanoparticles in water or water and glycol. In the present thesis work, the stability of a carbon nanoparticle-based nanofluid (Single Wall Carbon NanoHorns, SWCNHs) in a direct absorption solar collector was experimentally evaluated. The stability of the nanofluid is of paramount importance for direct-absorption solar thermal collectors, as nanoparticle aggregation phenomena can occur, resulting in degradation of optical properties and problems with erosion and clogging of ducts/pumps. Second, numerical simulations were performed using Ansys Fluent software in order to compare the thermal efficiency of new direct absorption solar collector geometries operating with nanofluid.

Il crescente fabbisogno di energia, unito ai problemi riguardanti i cambiamenti climatici, ha spinto la comunità internazionale ad interessarsi sempre più alle energie rinnovabili. Tra le energie rinnovabili più promettenti vi è sicuramente l'energia solare, largamente utilizzata per la sua ampia disponibilità e per la sua versatilità di impiego (può essere sfruttata per la produzione di energia elettrica oppure per riscaldare acqua calda sanitaria in ambito residenziale e industriale). Nell'ambito dei collettori solari termici, utilizzati per la produzione di acqua calda sanitaria, la radiazione solare incidente è dapprima assorbita da una lastra metallica rivestita di materiale selettivo (in modo da ottimizzare emissione e assorbimento), e solo successivamente trasferita al fluido termovettore. Le resistenze termiche per conduzione e convezione tra la piastra assorbente e il fluido termovettore limitano l'efficienza della conversione da energia solare in energia termica a causa delle elevate dispersioni termiche verso l'esterno. Tale problema può essere risolto ricorrendo a collettori solari volumetrici, in cui l'assorbimento della radiazione solare avviene direttamente nel volume di fluido. I fluidi utilizzati presentano proprietà ottiche ottimizzate per l'assorbimento della radiazione solare nel range di lunghezze d'onda 200-1000 nm e sono tipicamente sospensioni di nanoparticelle di carbonio in acqua o acqua e glicole. Nel presente lavoro di tesi è stata valutata sperimentalmente la stabilità di un nanofluido a base di nanoparticelle di carbonio (Single Wall Carbon NanoHorns, SWCNHs) in un collettore solare ad assorbimento diretto. La stabilità del nanofluido è di fondamentale importanza per i collettori solari termici ad assorbimento diretto, in quanto si possono verificare fenomeni di aggregazione di nanoparticelle con conseguente degradazione delle proprietà ottiche e problematiche di erosione e ostruzione di condotti/pompe. In secondo luogo, sono state eseguite simulazioni numeriche mediante il software Ansys Fluent al fine di confrontare l’efficienza termica di nuove geometrie di collettori solari ad assorbimento diretto operanti con nanofluido.