An experimental study of solar cooker performance with thermal concentrator system by spot Fresnel lens

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.208638

Ключові слова:

Fresnel lens, solar cooker, solar energy, solar cooking pot, receiver, conical cavity, temperature, heat removal factor, optical efficiency factor

Анотація

The study to investigate the thermal performance of solar cooker using a spot Fresnel lens for concentrators of solar thermal energy is conducted.

The main objectives of the present work are:

a) to develop a new design of the cooking pot of solar cooker as an absorber of solar thermal from a spot Fresnel lens;

b) to analyze the relationship of several temperature parameters in the cooking pot with the thermal efficiency of the Fresnel solar cooker (FSC);

c) to conduct field test by heating test and cooling test to obtain a performance characteristic of FSC.

The experimental test was conducted at Brawijaya University (7.9553°S, 112.6145°E), East Java, Indonesia during August – September 2019. The Fresnel lens operation method uses the azimuth manual tracker to concentrate direct normal irradiance (DNI). The measurement of Direct Normal Irradiance (DNI) was made by the SM 206 Solar Power Meter and placed on the FSC frame. A new design of solar cooking pot has been developed. That is a cylindrical shape for boiling water and food cooking with a cone cavity as a solar collector. While on the cooking pot, the temperature sensor is placed:

1) ambient temperature;

2) cooking pot temperature;

3) focal point temperature on the receiver surface;

4) water temperature in the solar cooking pot.

It is connected to the Digi-Sense 12 CH-Scanning Benchtop Thermometer for temperature data acquisition system. The measurement of wind speed was made by Cup Anemometer ABH-4224. The procedure for testing the FSC was developed based on existing international testing standards. The receiver/cooking pot was tested for thermal performance characteristics of cooking by conducting the following tests:

1) no-load test;

2) water heating and cooling tests.

The experimental results show that the average stagnation temperature in a cooking pot with a conical cavity receiver was 267.35 °C. The receiver shape with a conical cavity has better heat transfer capability and low heat losses, hence, making it suitable for applications on FSC. DNI ±850 W/m² produces a focal point temperature of 1064 °C, a heat removal factor of 7.39 W/m². °C, and an optical efficiency factor of 0.312. Therefore, the thermal efficiency of the FSC is 27.72 %. The thermal efficiency tends to decrease until the end of the process due to the influence of the optical efficiency factor

Спонсор дослідження

  • state polytechnic of malang

Біографії авторів

Asrori Asrori, Brawijaya University Jl. Mayjend Haryono, 167, Malang, Indonesia, 65145 State Polytechnic of Malang Jl. Soekarno-Hatta, 9, Malang, Indonesia, 65141

Doctoral Student

Department of Mechanical Engineering

Senior Lecturer

Department of Mechanical Engineering

Sudjito Suparman, Brawijaya University Jl. Mayjend Haryono, 167, Malang, Indonesia, 65145

PhD, Professor

Department of Mechanical Engineering

Slamet Wahyudi, Brawijaya University Jl. Mayjend Haryono, 167, Malang, Indonesia, 65145

Doctor of Mechanical Engineering, Associate Professor

Department of Mechanical Engineering

Denny Widhiyanuriyawan, Brawijaya University Jl. Mayjend Haryono, 167, Malang, Indonesia, 65145

Doctor of Mechanical Engineering, Associate Professor

Department ofMechanical Engineering

Посилання

  1. Handbook of Energy & Economic Statistics of Indonesia (2019). Jakarta. Available at: https://www.esdm.go.id/assets/media/content/content-handbook-of-energy-and-economic-statistics-of-indonesia-2018-final-edition.pdf
  2. Nkhonjera, L., Bello-Ochende, T., John, G., King’ondu, C. K. (2017). A review of thermal energy storage designs, heat storage materials and cooking performance of solar cookers with heat storage. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 75, 157–167. doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.10.059
  3. Cuce, E., Cuce, P. M. (2013). A comprehensive review on solar cookers. Applied Energy, 102, 1399–1421. doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.09.002
  4. Ademe, Z., Hameer, S. (2018). Design, construction and performance evaluation of aBox type solar cooker with a glazing wiper mechanism. AIMS Energy, 6 (1), 146–169. doi: https://doi.org/10.3934/energy.2018.1.146
  5. Kassem, T. K., Youssef, M. S. (2011). Solar cookers and its application for food cooking in remote areas: review. Journal of Engineering Sciences, Assiut University, 39 (5), 1033–1042.
  6. Cuce, E., Cuce, P. M. (2013). Theoretical investigation of hot box solar cookers having conventional and finned absorber plates. International Journal of Low-Carbon Technologies, 10 (3), 238–245. doi: https://doi.org/10.1093/ijlct/ctt052
  7. Panwar, N. L., Kaushik, S. C., Kothari, S. (2012). State of the art of solar cooking: An overview. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16 (6), 3776–3785. doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2012.03.026
  8. Aramesh, M., Ghalebani, M., Kasaeian, A., Zamani, H., Lorenzini, G., Mahian, O., Wongwises, S. (2019). A review of recent advances in solar cooking technology. Renewable Energy, 140, 419–435. doi: https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.03.021
  9. Geddam, S., Dinesh, G. K., Sivasankar, T. (2015). Determination of thermal performance of a box type solar cooker. Solar Energy, 113, 324–331. doi: https://doi.org/10.1016/j.solener.2015.01.014
  10. Shukla, S. K., Khandal, R. K. (2015). Design Investigations on Solar Cooking Devices for Rural India. Distributed Generation & Alternative Energy Journal, 31 (1), 29–65. doi: https://doi.org/10.1080/21563306.2016.11667618
  11. Folaranmi, J. (2013). Performance Evaluation of a Double-Glazed Box-Type Solar Oven with Reflector. Journal of Renewable Energy, 2013, 1–8. doi: https://doi.org/10.1155/2013/184352
  12. Muthusivagami, R. M., Velraj, R., Sethumadhavan, R. (2010). Solar cookers with and without thermal storage – A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14 (2), 691–701. doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2008.08.018
  13. Wentzel, M., Pouris, A. (2007). The development impact of solar cookers: A review of solar cooking impact research in South Africa. Energy Policy, 35 (3), 1909–1919. doi: https://doi.org/10.1016/j.enpol.2006.06.002
  14. Mofijur, M., Mahlia, T., Silitonga, A., Ong, H., Silakhori, M., Hasan, M. et. al. (2019). Phase Change Materials (PCM) for Solar Energy Usages and Storage: An Overview. Energies, 12 (16), 3167. doi: https://doi.org/10.3390/en12163167
  15. Biadgelegn Wollele, M., Aman Hassen, A. (2019). Design and experimental investigation of solar cooker with thermal energy storage. AIMS Energy, 7 (6), 957–970. doi: https://doi.org/10.3934/energy.2019.6.957
  16. Jradi, M., Riffat, S. (2012). Medium temperature concentrators for solar thermal applications. International Journal of Low-Carbon Technologies, 9 (3), 214–224. doi: https://doi.org/10.1093/ijlct/cts068
  17. Asrori, A., Suparman, S., Wahyudi, S., Widhiyanuriyawan, D. (2020). Investigation of steam generation performance on conical cavity receiver by different geometric concentration ratios for fresnel lens solar concentrator. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (8 (106)), 6–14. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.209778
  18. Guan, Z., Ke, J., Zhao, C. (2018). High convergence efficiency design of flat Fresnel lens with large aperture. 2017 International Conference on Optical Instruments and Technology: Advanced Laser Technology and Applications. doi: https://doi.org/10.1117/12.2295572
  19. Askins, S., Victoria, M., Herrero, R., Domínguez, C., Antón, I., Sala, G. et. al. (2011). Effects of Temperature on Hybrid Lens Performance. AIP Conference Proceedings, 1407. doi: https://doi.org/10.1063/1.3658294
  20. Zhang, X., Liu, K., Shan, X., Liu, Y. (2014). Roll-to-roll embossing of optical linear Fresnel lens polymer film for solar concentration. Optics Express, 22 (S7), A1835. doi: https://doi.org/10.1364/oe.22.0a1835
  21. Santos, J. J. C. S., Palacio, J. C. E., Reyes, A. M. M., Carvalho, M., Freire, A. J. R., Barone, M. A. (2018). Concentrating Solar Power. Advances in Renewable Energies and Power Technologies, 373–402. doi: https://doi.org/10.1016/b978-0-12-812959-3.00012-5
  22. Valmiki, M. M., Li, P., Heyer, J., Morgan, M., Albinali, A., Alhamidi, K., Wagoner, J. (2011). A novel application of a Fresnel lens for a solar stove and solar heating. Renewable Energy, 36 (5), 1614–1620. doi: https://doi.org/10.1016/j.renene.2010.10.017
  23. Senthil, R., Cheralathan, M. (2012). Solar integrated collector storage using fresnel lens for domestic hot water. International Journal of Engineering Research and Development, 2 (12), 53–57.
  24. Mahmoud, M. S., Farrag, T. E., Mohamed, W. A. (2013). Experimental and Theoretical Model for Water Desalination by Humidification - dehumidification (HDH). Procedia Environmental Sciences, 17, 503–512. doi: https://doi.org/10.1016/j.proenv.2013.02.065
  25. Islam, M. D., Banat, F., Pal, P., Younas, O. (2014). Indirect Solar Cooking Using a Novel Fresnel Lens and Determination of its Energy and Exergy Efficiencies. Volume 2: Dynamics, Vibration and Control; Energy; Fluids Engineering; Micro and Nano Manufacturing. doi: https://doi.org/10.1115/esda2014-20207
  26. Wang, H., Huang, J., Song, M., Yan, J. (2019). Effects of receiver parameters on the optical performance of a fixed-focus Fresnel lens solar concentrator/cavity receiver system in solar cooker. Applied Energy, 237, 70–82. doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.12.092
  27. Mullick, S. C., Kandpal, T. C., Kumar, S. (1991). Thermal test procedure for a paraboloid concentrator solar cooker. Solar Energy, 46 (3), 139–144. doi: https://doi.org/10.1016/0038-092x(91)90087-d
  28. Funk, P. A. (2000). Evaluating the international standard procedure for testing solar cookers and reporting performance. Solar Energy, 68 (1), 1–7. doi: https://doi.org/10.1016/s0038-092x(99)00059-6
  29. Schwarzer, K., da Silva, M. E. V. (2008). Characterisation and design methods of solar cookers. Solar Energy, 82 (2), 157–163. doi: https://doi.org/10.1016/j.solener.2006.06.021
  30. Purohit, I., Purohit, P. (2009). Instrumentation error analysis of a paraboloid concentrator type solar cooker. Energy for Sustainable Development, 13 (4), 255–264. doi: https://doi.org/10.1016/j.esd.2009.10.003
  31. Sardeshpande, V. R., Chandak, A. G., Pillai, I. R. (2011). Procedure for thermal performance evaluation of steam generating point-focus solar concentrators. Solar Energy, 85 (7), 1390–1398. doi: https://doi.org/10.1016/j.solener.2011.03.018
  32. Jilte, R. D., Kedare, S. B., Nayak, J. K. (2013). Natural Convection and Radiation Heat Loss from Open Cavities of Different Shapes and Sizes Used with Dish Concentrator. Mechanical Engineering Research, 3 (1), 25. doi: https://doi.org/10.5539/mer.v3n1p25

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-10-31

Як цитувати

Asrori, A., Suparman, S., Wahyudi, S., & Widhiyanuriyawan, D. (2020). An experimental study of solar cooker performance with thermal concentrator system by spot Fresnel lens. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5(8 (107), 31–41. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.208638

Номер

Том 5 № 8 (107) (2020): Енергозберігаючі технології та обладнання

Розділ

Енергозберігаючі технології та обладнання

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Asrori - asrori, Sudjito - Suparman, Slamet - Wahyudi, Denny - Widhiyanuriyawan

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.