CFD Simulation of Parabolic Trough Collectors for Thermal Energy Production in Arid Conditions of El Oued

Abstract

The research gap addressed in this study is the limited site-specific CFD assessment of parabolic trough collectors under the harsh arid conditions of El Oued, where high DNI, wind, temperature, and geometric constraints jointly affect thermal performance. This work aims to evaluate the thermal and hydraulic behavior of a parabolic trough receiver and identify the most influential operating and design parameters. A steady two-dimensional axisymmetric CFD-based numerical model was developed in MATLAB using finite-volume/finite-difference discretization, axial marching, nonlinear heat-loss boundary conditions, and validation through pressure-drop and Nusselt-number comparisons. Under baseline conditions of DNI = 900 W/m², ambient temperature = 42 °C, wind speed = 2 m/s, mass flow rate = 0.04 kg/s, aperture width = 1.5 m, receiver length = 2 m, and inner diameter = 0.025 m, the model predicted about 61.9% thermal efficiency, 1671.73 W useful heat gain, and 45 °C outlet temperature. Increasing aperture width from 1 to 3 m raised useful heat from 1121 to 3312 W, while increasing DNI from 500 to 1100 W/m² increased it from 937.38 to 2037.71 W. Wind speed from 0.5 to 6 m/s increased heat losses from 89.67 to 189.22 W, and increasing mass flow rate from 0.01 to 0.10 kg/s reduced outlet temperature from 69.99 to 39.21 °C but increased pressure drop from 1.47 to 57.16 Pa تتناول هذه الدراسة محدودية التقييم العددي المحلي باستخدام ديناميكا الموائع الحسابية للمجمعات الشمسية ذات القطع المكافئ تحت الظروف القاسية الجافة لمنطقة الوادي، حيث تؤثر شدة الإشعاع الشمسي المباشر، والرياح، ودرجة الحرارة، والقيود الهندسية معًا في الأداء الحراري. يهدف هذا العمل إلى تقييم السلوك الحراري والهيدروليكي لمستقبل المجمع الشمسي وتحديد أهم معاملات التشغيل والتصميم تأثيرًا. تم تطوير نموذج عددي ثنائي الأبعاد متناظر محوريًا ومستقر في برنامج MATLAB باستخدام طريقة الحجم/الفروق المحدودة، والتقدم المحوري، وشروط حدّية غير خطية للفواقد الحرارية، مع التحقق من النموذج من خلال مقارنة هبوط الضغط وعدد نسلت. عند الشروط المرجعية: DNI = 900 W/m²؛ ودرجة حرارة محيطة = 42°C، وسرعة رياح = 2 m/s، ومعدل تدفق كتلي = 0.04 kg/s، وعرض فتحة = 1.5 m، وطول مستقبل = 2 m، وقطر داخلي = 0.025 m، تبنّا النموذج بكفاءة حرارية تقارب 61.9%، وبحرارة مفيدة قدرها W1671.73، ودرجة حرارة خروج قدرها 45°C. كما أدى رفع عرض الفتحة من 1 إلى 3 m إلى زيادة الحرارة المفيدة من 1121 إلى W3312، كما أدى رفع DNI من 500 إلى 1100 W/m² إلى زيادتها من 937.38 إلى 2037.71 W. وزادت الفواقد الحرارية من 89.67 إلى 189.22 W عند رفع سرعة الرياح من 0.5 إلى 6 m/s، بينما أدى رفع معدل التدفق من 0.01 إلى 0.10 kg/s إلى خفض درجة حرارة الخروج من 69.99 إلى 39.21°C، مع زيادة هبوط الضغط من 1.47 إلى 57.16 Pa.