A thermal-optical analysis of a compound parabolic concentrator for single and multiphase flows, including superheat

Abstract

A thermal and optical analysis of the performance of a refrigerant charged Compound Parabolic Concentrator (CPC) for solar applications operating in non-boiling, boiling and super-heated regimes is presented. The performance of the CPC working under these single and multiphase conditions is governed by the axial fractional channel lengths of the non-boiling and the superheating regions. The overall thermal loss coefficient, the dimensionless capacitance rate and collector efficiency factors for various CPC operating regions are defined. A new “Generalized Heat Removal Factor“, ℱ s for solar collectors under any operation mode is developed. The thermal efficiency of a CPC and flat-plate collector, whether under non-boiling, boiling or superheated conditions, is evaluated using ℱ s which enables the selection of a suitable collector design and concentration ratio at some specified operational temperature. It is shown that, in general, a CPC has a greater thermal conversion efficiency than a flat-plate for a given operating condition. Es wird eine thermische und optische Analyse des Verhaltens eines Verbund-Parabol-Kollektors für die Anwendung der Sonnenenergie vorgestellt, der mit Kältemittel im nichtsiedenden, und übehitzten Bereich arbeitet. Das Verhalten dieses unter ein- und mehrphasigen Bedingungen arbeitenden Kollektors wird bestimmt durch den axialen Anteil der Kühl-kanallängen im nichtsiedenden und im überhitzten Zustand. Es werden der mittlere thermische Verlustkoeffizient, die dimensionslose Wärmekapazität sowie die Kollektorwirkungsgrade für verschiedene Zustandsbereiche dieses Parabolspiegels definiert. Ein neuer „verallgemeinerter Wärmeabflußfaktor“, ℱ s , für Sonnenkollektoren, die unter beliebigen Betriebsbedingungen arbeiten, wurde entwickelt. Mit diesem ℱ s Faktor werden der thermische Wirkungsgrad des Parabolkollektors und eines Platten-kollektors bei einphasiger flüssiger Strömung beim Sieden und für überhitzten Dampf berechnet, wodurch es möglich wird, eine geeignete Kollektorauslegung und das dazugehörige Konzentrationsverhältnis bei vorgegebenen Betriebstemperaturen zu wählen. Es wird gezeigt, daß im allgemeinen der parabolische Kollektor einen höheren thermischen Wirkungsgrad besitzt als der Platten-kollektor bei identischen Betriebsbedingungen.