Desarrollo y validación de un modelo CFD para el análisis térmico y fluidodinámico de un captador solar de bajo coste

Abstract

Este Trabajo de Fin de Grado aborda el desarrollo de un modelo CFD para el análisis térmico y fluidodinámico de un captador solar térmico de bajo coste, en el contexto actual de búsqueda de soluciones limpias para la producción de agua caliente sanitaria. La motivación principal del trabajo surge del interés por impulsar tecnologías solares térmicas económicamente accesibles, dado que la implantación de los captadores comerciales sigue limitada por su coste.

El estudio se centra en un prototipo experimental previamente desarrollado en el laboratorio, constituido por un panel de policarbonato alveolar de aproximadamente 1 m × 1 m, con canales longitudinales internos e inserciones de fleje de polipropileno negro como absorbedor. A partir de este prototipo, se desarrolló una herramienta numérica en ANSYS Fluent capaz de reproducir su comportamiento térmico y fluidodinámico. Tras reformular el planteamiento inicial, el modelo final se basó en una aproximación mediante resistencias térmicas equivalentes, con dos formulaciones térmicas principales, 0D y 1D, y un caso adicional 1D con pérdidas al ambiente. Los resultados muestran que la recolocación del inlet y el outlet en la zona de interconexión mejora de forma clara el reparto de caudal entre canales, obteniéndose un flujo laminar y una baja diferencia de presión entre entrada y salida. Desde el punto de vista térmico, el fluido se calienta progresivamente hacia la salida y presenta una gradación térmica vertical asociada a la convección natural. El rendimiento estimado es del 49,59 % en condiciones ideales y del 42,65 % al considerar pérdidas térmicas. En conjunto, el trabajo demuestra la viabilidad técnica preliminar del concepto y establece una base sólida para futuras etapas de validación experimental, optimización geométrica y mejora del modelo.

This Bachelor’s Thesis presents the development of a CFD model for the thermal and fluid-dynamic analysis of a low-cost solar thermal collector, within the current context of seeking clean solutions for domestic hot water production. The main motivation of the project is the need to promote affordable solar thermal technologies, since the wider deployment of commercial collectors is still constrained by their high cost. The study focuses on an experimental prototype previously developed in the laboratory. The collector consists of an approximately 1 m × 1 m multiwall polycarbonate panel with internal longitudinal channels and black polypropylene strip inserts acting as the absorber. Based on this prototype, a numerical tool was developed in ANSYS Fluent to reproduce its thermal and fluid-dynamic behavior. After reformulating the initial modeling approach, the final methodology was based on an equivalent thermal resistance formulation, with two main thermal approaches, 0D and 1D, as well as an additional 1D case including thermal losses to the environment. The results show that relocating the inlet and outlet to the channel interconnection region significantly improves flow distribution among the channels, leading to laminar flow and a low pressure difference between inlet and outlet. From a thermal perspective, the fluid heats up progressively as it moves toward the outlet and exhibits a vertical thermal gradient associated with natural convection. The estimated thermal efficiency is 49.59% under ideal loss-free conditions and 42.65% when ambient thermal losses are considered. Overall, the work demonstrates the preliminary technical feasibility of the concept and provides a solid basis for future experimental validation, geometric optimization, and further refinement of the CFD model.