Importance of the Numerical Simulation in a Solar Chimney Analysis

Abstract

In this work, computational fluid dynamics was used to investigate the airflow in a solar chimney through a mathematical model that is presented. Solar chimneys appear as an interesting alternative to obtain cleaner energy resources, since they are able to generate electricity from solar radiation. A typical solar chimney combines three known elements: solar air collector, tower and wind turbine. This device uses the solar radiation to generate a hot airflow and this is usually used to drive wind turbines coupled to an electric generator. Pilot plants showed large solar chimneys are necessary for be economically competitive with conventional power plants, however small solar chimneys can be used for other applications, as drying agricultural products. This paper analyzes the turbulent flow in a small solar chimney, where the Finite Volume Method was adopted to solve the system of equations, which describe the two-dimensional steady state airflow. The numerical analysis of the airflow uses the RSM turbulence model. The simulations are compared with experimental data available in the literature. This work aims to show the importance of the numerical simulation to evaluate the thermal and dynamic conditions of the flow, and consequently to verify the technical and economic viability of the plant.Keywords: Solar chimneys; Renewable energy; Numerical simulations; RSM turbulence model. RESUMONeste trabalho, a dinâmica de fluido computacional foi usada para investigar o fluxo de ar em uma chaminé solar através de um modelo matemático que é apresentado. Chaminés solares aparecem como uma alternativa interessante para obter recursos energéticos mais limpos, uma vez que são capazes de gerar eletricidade a partir de radiação solar. Uma chaminé solar típica combina três elementos conhecidos: coletor de ar solar, torre e turbina de vento. Este dispositivo usa a radiação solar para gerar um fluxo de ar quente e este é usado geralmente para conduzir as turbinas de vento acopladas a um gerador elétrico. As plantas piloto mostraram que as chaminés solares grandes são necessárias para ser economicamente do competidor com as plantas de poder convencionais, porém as chaminés solares pequenas podem ser usadas para outras aplicações, como a secagem de produtos agriculturais. Este papel analisa o fluxo turbulento em uma pequena chaminé solar, onde o método de volume finito foi adotado para resolver o sistema de equações, que descrevem o fluxo de ar bidimensional do estado estacionário. A análise numérica do fluxo de ar utiliza o modelo de turbulência RSM. As simulações são comparadas com dados experimentais disponíveis na literatura. Este trabalho visa mostrar a importância da simulação numérica para avaliar as condições térmicas e dinâmicas do fluxo e, consequentemente, verificar a viabilidade técnica e econômica da usina.