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Tipo: Dissertação
Título: Modelagem numérica e experimental de uma "parede solar" utilizando nanofluidos de prata e dióxido de titânio
Título em inglês: Numerical and experimental modeling of a "solar wall" using silver nanofluids and titanium dioxide
Autor(es): Amorim Neto, Juarez Pompeu de
Orientador: Rocha, Paulo Alexandre Costa
Palavras-chave: Engenharia mecânica;Aprendizado do computador;Energia renovável;Nanofluid;Solar wall
Data do documento: 2020
Citação: AMORIM NETO, J. P. de. Modelagem numérica e experimental de uma "parede solar" utilizando nanofluidos de prata e dióxido de titânio. 2020. 56 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2020.
Resumo: A população mundial está cada vez mais atenta com as questões ambientais que envolvem nosso planeta. Em busca de soluções que venham contribuir para conservação do meio ambiente está o uso das energias renováveis, que estão em grande expansão. O uso da energia solar é uma solução para a conservação ambiental, onde a mesma é objeto de estudo desse trabalho. O trabalho teve como objetivo avaliar a capacidade de armazenamento de energia dos nanofluidos de prata, dióxido de titânio e o nanofluido híbrido composto pela aglomeração das duas nanopartículas utilizados para absorção solar direta em uma “Parede Solar”. Além disso, esse trabalho propõe a verificação da aplicação dos modelos de aprendizagem de máquina K-vizinhos mais próximos, Regressão de Vetor Suporte e Florestas Aleatórias para predição da temperatura da água na parede solar. Os experimentos realizados foram expostos por um período de 16 horas por vários dias, onde foram testadas diversas concentrações para análise. Uma das análises desse trabalho consistiu no acompanhamento do perfil de temperatura, onde a prata obteve os melhores resultados, conseguindo um ganho de 26% contra 5% do dióxido de titânio. A taxa de energia armazenada (SER) também foi analisada, onde o aumento dessa taxa se dava nas primeiras horas do dia, tanto para a prata como para o titânio. Essa taxa também foi analisada em função da concentração, onde uma maior concentração representava maiores valores de SER. A taxa de absorção específica (SAR) também foi avaliada, onde se obteve para a mesma um comportamento inversamente proporcional ao da SER, sendo necessária uma análise conjunta para se obter a concentração ideal de cada nanofluido. A prata obteve melhorias contínuas com o aumento das concentrações, sendo necessários mais experimentos para se chegar na concentração ideal. Já o titânio mostrou uma estabilidade para SER e SAR em uma concentração de 1,45 ppm, sendo a concentração considerada ideal. O nanofluido híbrido foi analisado de forma semelhante, obtendo uma fração molar ideal de 6%, que corresponde a uma concentração de prata de 0,8125 ppm e 23,2 ppm do titânio. Na modelagem numérica os dados foram separados em conjuntos de treino e teste, onde o objetivo era identificar os menores erros na fase de teste, e assim as Florestas Aleatórias conseguiram os melhores resultados, obtendo um RMSE de 0,562°C. Já os métodos SVR e KNN obtiveram taxas de erros ligeiramente maiores, sendo de 0,818°C e 0,857°C respectivamente. A modelagem numérica conseguiu estabelecer uma abordagem que conseguiu atender ao objetivo de previsão de temperatura da Parede Solar, predizendo valores bem próximos dos medidos, com taxas de erros inferiores a 1°C.
Abstract: The world population is increasingly aware of the environmental issues surrounding our planet. In the search for solutions that will contribute to the preservation of the environment is the use of renewable energies, which are in a great expansion process. The use of solar energy is a solution for environmental preservation, which is the subject of this work. The work aimed to evaluate the energy absorption capacity of silver and titanium dioxide nanofluids and the hybrid nanofluid composed by the agglomeration of the two nanoparticles used for direct solar absorption in a "Solar Wall". In addition, this work proposes the verification of the application of the learning models of the nearest K-neighbor machine, Support Vector Machine and Random Forests to predict the water temperature in the solar wall. The experiments were exposed for a period of 16 hours over several days, where different concentrations were tested for analysis. One of the analyzes of this work consisted of monitoring the temperature profile, where silver obtained the best results, achieving a gain of 26% against 5% of titanium dioxide. The stored energy rate (SER) was also analyzed, where the increase in this rate occurred in the early hours of the day, for both silver and titanium. This rate was also analyzed as a function of concentration, where a higher concentration represented higher SER values. The specific absorption rate (SAR) was also evaluated, where a behavior inversely proportional to that of SER was obtained, requiring a joint analysis to obtain the ideal concentration of each nanofluid. The silver obtained continuous improvements with the increase of the concentrations, being necessary more experiments to reach the ideal concentration. Titanium, on the other hand, showed a stability for SER and SAR at a concentration of 1.45 ppm, the concentration being considered ideal. The hybrid nanofluid was analyzed in a similar way, obtaining an ideal molar fraction of 6%, which corresponds to a silver concentration of 0.8125 ppm and 23.2 ppm of titanium. In numerical modeling the data were separated into training and test sets, where the purpose was to identify the smallest errors in the test phase, and thus the Random Forest achieved the best results, obtaining an RMSE of 0.562°C. The SVR and KNN methods obtained slightly higher error rates, being 0.818°C and 0.857°C respectively. The numerical modeling was able to establish an approach that was able to meet the objective of forecasting the temperature of the Solar Wall, predicting values very close to those measured, with error rates below 1°C
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/52003
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