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Development of Smart Parabolic Trough Solar Collector for Water Heating and Hybrid Polymeric Composite Water Storage Tank

Development of Smart Parabolic Trough Solar Collector for Water Heating and Hybrid Polymeric Composite Water Storage Tank

Authors :
Ibrahim, Idowu David
STAR, ABES
Laboratoire d'Ingénierie des Systèmes de Versailles (LISV)
Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)
Université Paris-Saclay
Tshwane University of Technology
Yasser Alayli
Yskandar Hamam
Source :
Automatic Control Engineering. Université Paris-Saclay; Tshwane University of Technology, 2020. English. ⟨NNT : 2020UPASG049⟩
Publication Year :
2020
Publisher :
HAL CCSD, 2020.

Abstract

In recent years, various energy sources and methods have been used to heat water in domestic and commercial buildings. The known sources for water heating include electrical energy and solar radiation energy in the urban regions or burning of firewood in the rural areas. Several water heating methods may be used such as electrical heating elements, solar concentrators, flat plate collectors and evacuated tube collectors. This thesis focuses on ways to further improve the system’s performance for water heating through the combined use of solar energy and solar concentrator technique. Furthermore, the study proposed an alternative design method for the hot water storage tank.The solar collector-supporting frame was designed and analysed using Solidworks®. The forces acting on the structural members were simulated to determine the capacity of the frame to sustain the load, and the possible regions on the supporting frame, which could potentially fail while in operation.Energy performance was simulated for five years of operation using Matlab Simulink® software. This simulation was based on the use of three different data. The first is a five-year weather database of the City of Tshwane in South Africa. The second is a hot water consumption profile for a typical household. The third is the cost of additional heating with electricity depending on the time of use. This simulation allowed the validation of the choices of the different elements of the heating system.This study allowed the development of an approach for the design of a solar heating system by optimising the dimensions of the different elements for a typical household and a specific region.In addition, the use of polymeric materials and other materials like polyurethane, salt and aluminium is possible for the development of a hot water storage tank based on their inherent properties.Extending the findings in this thesis will further improve the designs for solar concentrator technologies and solar water heating systems. Therefore, some recommendations and suggestions are highlighted in order to improve the overall system design, analysis and performance<br />Les sources d’énergies utilisées pour le chauffage de l’eau dans les bâtiments commerciaux et résidentielles sont multiples. Ces ressources sont essentiellement électriques dans les milieux urbains et utilisent le bois dans les milieux ruraux. Le pourcentage de l’énergie solaire utilisé reste assez faible. Les méthodes les utilisées pour produire l’eau chaude sont pour basés pour l’essentielle sur l’utilisation des résistances électrique ou des capteurs solaire plat. Le travail présenté dans cette thèse est basé sur l’utilisation des concentrateurs solaires pour chauffer des collecteurs d’énergie. Le rendement est augmenté par le développement de nouveau matériaux pour le stockage.La structure pour le support du collecteur a été conçue et analysée utilisant le logiciel Solidworks®. Les forces agissant sur les éléments de la structure sont simulées pour assurer la fiabilité du support lors des différentes conditions de fonctionnement. L’analyse par la méthode des éléments finis a permis la vérification de la structure utilisée pour le réflecteur et son support.Les performances énergétiques ont été simulées pour cinq ans d’opération utilisant le logiciel Matlab Simulink®. Cette simulation a été basée sur l’utilisation de trois données différentes. La première est une base de données météorologique de cinq ans en Afrique du Sud dans la Ville de Tshwane. La deuxième est un profil d’utilisation pour un foyer type. La troisième est le coût de complément de chauffage en électricité dépendant de l’heure de l’utilisation. Cette simulation a permis la validation des choix de dimensions de différents éléments du système de chauffage.Cette étude a permis le développement d’une approche pour la conception d’un système de chauffage solaire en optimisant les dimensions des différents éléments pour un foyer type et une région spécifique.De plus, nous avons conçu un autre réservoir d’eau chaude. Nous avons démontré que l'utilisation de matériaux polymères et d'autres matériaux comme le polyuréthane, le sel et l'aluminium est possible pour le développement d'un réservoir de stockage d'eau chaude en fonction de leurs propriétés inhérentes.L'extension des résultats de cette thèse améliorera encore les conceptions des technologies de concentrateurs solaires et des systèmes de chauffage solaire de l'eau. Par conséquent, certaines recommandations et suggestions sont mises en évidence afin d'améliorer la conception, l'analyse et les performances globales du système

Details

Language :
English
Database :
OpenAIRE
Journal :
Automatic Control Engineering. Université Paris-Saclay; Tshwane University of Technology, 2020. English. ⟨NNT : 2020UPASG049⟩
Accession number :
edsair.dedup.wf.001..a96a5e34d5baf46643c738f6becddfd0