Nanopartículas plasmônicas e sistema lenticular de concentração óptica para coletores solares de absorção direta

Abstract

O aumento da participação de fontes renováveis na matriz energética mundial é uma contribuição fundamental para a redução da emissão global de gases de efeito estufa. Neste sentido,O uso térmico da energia solar tem potencial para suprir a demanda de calor para diferentes processos. Coletores solar de absorção direta são dispositivos utilizados para converter a radiaçãosolar em calor em um fluido de trabalho. Em particular, coloides de nanoestruturas plasmônicas, capazes de apresentar o fenômeno de ressonância de plasmon de superfície localizado, podem ser utilizados como fluido de trabalho para coletor solar de absorção direta. Entretanto, o uso desses fluidos é limitado por fatores como estabilidade coloidal, elevado custo de produção e aumento da potência de bombeamento nos sistemas térmicos que os utilizam. Neste trabalho, são abordadas propostas para transposição desses obstáculos: o uso de nanofluidos compostos por nanopartículas plasmônicas de diferentes materiais e morfologias em coletores solares de absorção direta. São avaliados coletores utilizando nanofluidos compostos por nanopartículas com largo espectro de absorção: nanocascas de ouro dopadas com ferro, nanoesferas de nitretos metálicos, nanogaiolas metálicas e nanofluidos híbridos com nanoelipsoides metálicos. A modelagem das propriedades ópticas dos fluidos é realizada utilizando Teoria de Mie e simulações numéricas no software COMSOL Multiphysics. O espectro de absorção do nanofluido híbrido com nanoelipsoides é otimizado via algoritmo genético. Também é investigado o uso de sistemas lenticulares para concentração de luz em coletores de absorção direta, visando reduzir a quantidade de nanofluido necessária à operação e um maior ganho de temperatura no coletor. A modelagem térmica dos coletores solares é feita utilizando Método das Diferenças Finitas aplicado a um modelo de transferência de calor em duas dimensões. Para o coletor de absorção direta lenticular, também é realizada análise de óptica geométrica via elementos finitos no software COMSOL Multiphysics. Adicionalmente, são realizadas caracterizações térmicas experimentais de alguns nanofluidos e do coletor de absorção direta lenticular. Os resultados mostram que coletores utilizando as nanoestruturas exploradas no trabalho possuem desempenho superior a coletores que utilizam nanoestruturas plasmônicas reportadas anteriormente, apresentando maiores eficiências energética e exergética em regimes baixa concentração de partículas. Foram obtidas eficiências energéticas máximas de 95% com nanocascas de ouro dopado com ferro, 89% com nanopartículas de nitretos metálicos, 90% com nanogaiolas metálicas e 90% com nanofluidos híbridos de nanoelipsoides. O uso do sistema lenticular resulta em coletores com eficiência energética similar e eficiência exergética até 142% superior à de coletores de absorção direta tradicionais. A partir das abordagens propostas, é possível obter coletores de alta performance com quantidades reduzidas de nanofluidos em regime de baixa concentração.