بهبود راندمان جذب انرژی خورشیدی: طراحی نوآورانه برای کلکتورهای سهموی خطی با استفاده از ساختارهای بیضوی

محمدی, مجید; رضایت, محمد متین

doi:10.22034/jrenew.2026.246783

بهبود راندمان جذب انرژی خورشیدی: طراحی نوآورانه برای کلکتورهای سهموی خطی با استفاده از ساختارهای بیضوی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

مجید محمدی

محمد متین رضایت

گروه مهندسی انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی قم، قم، ایران

10.22034/jrenew.2026.246783

چکیده

انرژی تجدیدپذیر به عنوان منبعی پایدار و بدون آلاینده رو به گسترش است و افزایش راندمان آن اهمیت دارد. انرژی خورشیدی که از قرن نوزدهم مورد توجه قرار گرفت، یکی از این منابع است. یکی از روش‌های بهره‌برداری، تکنولوژی‌های متمرکز کننده نور مانند کلکتورهای سهموی خطی است که در کنار نیروگاه‌های سوخت فسیلی در کشور ما کاربرد دارد. در این سیستم‌ها نور خورشید توسط بازتابنده‌ها به جاذب حرارتی برخورد کرده و انرژی خود را منتقل می‌کند. این مقاله به بررسی ساختار هندسی اشکال بیضوی به عنوان جسم تاریک و طراحی سه نمونه آزمایشی می‌پردازد: 1) ساختار شاهد با جاذب دایره‌ای، 2) ساختار اولیه با جاذب گنبدی و 3) ساختار بیضوی با حداکثر جذب انرژی که عملکرد بهتری دارد. مساحت دریافتی 0/28×0/6 مترمربع است و می‌توانند 250 میلی‌لیتر آب را گرم کنند. حداکثر دماهای مشاهده شده به ترتیب 46/9، 54/1 و 63/5 درجه سانتی‌گراد است که نمونه بیضوی 16/6 درجه دمای بیشتری نسبت به شاهد دارد. طراحی با نرم‌افزارهای کورل دراو و سالیدورک انجام شد و داده‌ها در کامسول شبیه‌سازی شدند که با نتایج آزمایش مطابقت خوبی داشت. شبیه‌سازی نشان داد که نمونه شاهد فقط یک بار بازتاب نور دارد، در حالی که ساختار بیضوی با کاهش سطح دهانه و متمرکزسازی پرتوها، برخورد چندباره پرتوهای بازتابی را با جاذب افزایش داده و جذب انرژی را بهبود می‌بخشد. به‌طور کلی، راندمان حرارتی ساختار بیضوی نسبت به شاهد حدود 35 درصد بیشتر است که بیانگر عملکرد بهتر و کاربردی‌تر بودن آن در سیستم‌های متمرکز کننده نور است.

کلیدواژه‌ها

انرژی خورشیدی

کلکتور سهموی

بیضوی

دما

کامسول

موضوعات

انرژی خورشیدی

- مراجع

[1] P. Saini, A. Dhar, and S. Powar, Effect of the X-grid static mixer flow inserts on the performance of parabolic trough collector, International Journal of Thermofluids, Vol. 21, p. 100544, 2024.

[2] J. F. Rosales-Pérez, A. Villarruel-Jaramillo, M. Pérez-García, J. M. Cardemil, and R. Escobar, Techno-economic analysis of hybrid solar thermal systems with flat plate and parabolic trough collectors in industrial applications, Alexandria Engineering Journal, Vol. 86, pp. 98-119, 2024.

[3] M. Javidan, M. Gorji-Bandpy, and A. Al-Araji, Investigation and simulation of parabolic trough collector with the presence of hybrid nanofluid in the finned receiver tube, Theoretical and Applied Mechanics Letters, Vol. 13, No. 6, p. 100465, 2023.

[4] J. Song, K. Tong, L. Li, G. Luo, L. Yang, and J. Zhao, A tool for fast flux distribution calculation of parabolic trough solar concentrators, Solar Energy, Vol. 173, pp. 291-303, 2018.

[5] S.-Y. Wu, J.-G. Luo, L. Xiao, and Z.-L. Chen, Effect of different errors on deformation and thermal stress of absorber tube in solar parabolic trough collector, International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 188, p. 105969, 2020.

[6] M. T. Islam, N. Huda, A. Abdullah, and R. Saidur, A comprehensive review of state-of-the-art concentrating solar power (CSP) technologies: Current status and research trends, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 91, pp. 987-1018, 2018.

[7] M. E. Carra, E. Setién, L. Valenzuela, R. López-Martín, C. Amador, S. Caron, J. Ballestrín, J. Fernández-Reche, J. A. Carballo, and A. Ávila-Marín, Study of parameters influence on the measurement of vacuum level in parabolic trough collectors’ receivers using infrared thermography, Infrared Physics & Technology, Vol. 131, p. 104657, 2023.

[8] A. Brenner, J. Kahn, T. Hirsch, M. Röger, and R. Pitz-Paal, Soiling determination for parabolic trough collectors based on operational data analysis and machine learning, Solar Energy, Vol. 259, pp. 257-276, 2023.

[9] P. Saini, A. Dhar, and S. Powar, Performance evaluation of a parabolic trough collector with a uniform helical wire coil flow insert, Results in Engineering, Vol. 21, p. 101794, 2024.

[10] E. Bellos and C. Tzivanidis, Alternative designs of parabolic trough solar collectors, Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 71, pp. 81-117, 2019.

[11] Y. Wang, Q. Liu, J. Sun, J. Lei, Y. Ju, and H. Jin, A new solar receiver/reactor structure for hydrogen production, Energy Conversion and Management, Vol. 133, pp. 118-126, 2017.

[12] Y. Zhu, J. Shi, Y. Li, L. Wang, Q. Huang, and G. Xu, Design and experimental investigation of a stretched parabolic linear Fresnel reflector collecting system, Energy Conversion and Management, Vol. 126, pp. 89-98, 2016.

[13] S. Abolarin, M. Everts, and J. P. Meyer, Heat transfer and pressure drop characteristics of alternating clockwise and counter clockwise twisted tape inserts in the transitional flow regime, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 133, pp. 203-217, 2019.

[14] E. Bellos and C. Tzivanidis, Thermal analysis of parabolic trough collector operating with mono and hybrid nanofluids, Sustainable Energy Technologies and Assessments, Vol. 26, pp. 105-115, 2018.

[15] H. Al-Ansary and O. Zeitoun, Numerical study of conduction and convection heat losses from a half-insulated air-filled annulus of the receiver of a parabolic trough collector, Solar Energy, Vol. 85, No. 11, pp. 3036-3045, 2011.

[16] Y. P. Chandra, A. Singh, S. K. Mohapatra, J. Kesari, and L. Rana, Numerical optimization and convective thermal loss analysis of improved solar parabolic trough collector receiver system with one sided thermal insulation, Solar Energy, Vol. 148, pp. 36-48, 2017.

[17] J. D. Osorio, A. Rivera-Alvarez, P. Girurugwiro, S. Yang, R. Hovsapian, and J. C. Ordonez, Integration of transparent insulation materials into solar collector devices, Solar Energy, Vol. 147, pp. 8-21, 2017.

[18] Q. Wang, H. Yang, X. Huang, J. Li, and G. Pei, Numerical investigation and experimental validation of the impacts of an inner radiation shield on parabolic trough solar receivers, Applied Thermal Engineering, Vol. 132, pp. 381-392, 2018.

[19] H. Yang, Q. Wang, X. Huang, J. Li, and G. Pei, Performance study and comparative analysis of traditional and double-selective-coated parabolic trough receivers, Energy, Vol. 145, pp. 206-216, 2018.

[20] M. Abdelhamid, B. K. Widyolar, L. Jiang, R. Winston, E. Yablonovitch, G. Scranton, D. Cygan, H. Abbasi, and A. Kozlov, Novel double-stage high-concentrated solar hybrid photovoltaic/thermal (PV/T) collector with nonimaging optics and GaAs solar cells reflector, Applied Energy, Vol. 182, pp. 68-79, 2016.

[21] D. Rodriguez-Sanchez and G. Rosengarten, Improving the concentration ratio of parabolic troughs using a second-stage flat mirror, Applied energy, Vol. 159, pp. 620-632, 2015.

[22] H. Liang, M. Fan, S. You, W. Zheng, H. Zhang, T. Ye, and X. Zheng, A Monte Carlo method and finite volume method coupled optical simulation method for parabolic trough solar collectors, Applied energy, Vol. 201, pp. 60-68, 2017.

[23] M. Wirz, J. Petit, A. Haselbacher, and A. Steinfeld, Potential improvements in the optical and thermal efficiencies of parabolic trough concentrators, Solar Energy, Vol. 107, pp. 398-414, 2014.

[24] D. N. Korres, E. Bellos, P. Lykas, and C. Tzivanidis, An innovative parabolic trough collector design with a twin-cavity receiver, Applied Sciences, Vol. 12, No. 24, p. 12551, 2022.

[25] F. Cao, L. Wang, and T. Zhu, Design and optimization of elliptical cavity tube receivers in the parabolic trough solar collector, International Journal of Photoenergy, Vol. 2017, No. 1, p. 1471594, 2017.

[26] G. Adıyaman and L. Çolak, Design optimization of a new cavity receiver for a parabolic trough solar collector, Gazi University Journal of Science Part C: Design and Technology, pp. 1-1, 2024.

[27] M. J. Al-Dulaimi and K. E. Amori, Optical and thermal performance of a parabolic trough collector for different receiver geometries, Arabian Journal for Science and Engineering, Vol. 47, No. 12, pp. 16117-16133, 2022.

[28] R. K. Donga, S. Kumar, and G. Velidi, Numerical investigation of performance and exergy analysis in parabolic trough solar collectors, Scientific Reports, Vol. 14, No. 1, p. 31908, 2024.

[29] E. Vengadesan, A. R. I. Rumaney, R. Mitra, S. Harichandan, and R. Senthil, Heat transfer enhancement of a parabolic trough solar collector using a semicircular multitube absorber, Renewable Energy, Vol. 196, pp. 111-124, 2022.

[30] F. Chen, M. Li, P. Zhang, and X. Luo, Thermal performance of a novel linear cavity absorber for parabolic trough solar concentrator, Energy Conversion and Management, Vol. 90, pp. 292-299, 2015.

[31] A. Fouad, A. Galal, K. Dessoki, M. H. Eldakamawy, M. A. Hassan, and M. T. Araji, Influence of geometric design variables on the performance of a novel V-shaped cavity receiver, Renewable Energy, Vol. 230, p. 120790, 2024.

[32] R. Loni and M. Sharifzadeh, Performance comparison of a solar parabolic trough concentrator using different shapes of linear cavity receiver, Case Studies in Thermal Engineering, Vol. 60, p. 104603, 2024.

[33] P. Sansoni, D. Fontani, F. Francini, D. Jafrancesco, G. Gabetta, M. Casale, R. Campesato, and G. Toniato, Evaluation of elliptical optical cavity for a combustion thermophotovoltaic system, Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 171, pp. 282-292, 2017.

[34] M. Shokrnia, M. Cagnoli, R. Grena, A. D’Angelo, M. Lanchi, and R. Zanino, Photo-thermal optimization of a parabolic trough collector with arrayed selective coatings, Energies, Vol. 17, No. 13, p. 3221, 2024.

[35] B. Mondal and A. Maji, A Brief Review on Analysis and Recent Development of Parabolic Trough Collector, Energy Storage and Saving, 2025.

[36] H. R. Patel, V. B. Patel, and A. R. Chaudhari, A comprehensive review on design aspects and performance characteristics of solar parabolic trough collector, International Journal of Renewable Energy Research, Vol. 12, No. 3, pp. 1566-88, 2022.

[37] A. Drinčić, L. Noč, F. Merzel, and I. Jerman, Future Parabolic Trough Collector Absorber Coating Development and Service Lifetime Estimation, Coatings, Vol. 14, No. 9, p. 1111, 2024.

[38] S. Said, S. Mellouli, T. Alqahtani, S. Algarni, R. Ajjel, K. Ghachem, and L. Kolsi, An experimental comparison of the performance of various evacuated tube solar collector designs, Sustainability, Vol. 15, No. 6, p. 5533, 2023.