太陽光発電の冷却管内のハイブリッドナノ流体の流れ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8202 (2023) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

この研究では、廃熱を利用して効率を高めるために、熱電発電機 (TEG) 層を従来の太陽光発電 (PVT) モジュールの層と組み合わせました。セル温度を下げるために、PVT-TEG ユニットの底部に冷却ダクトがあります。ダクト内の流体の種類とダクトの構造により、システムの性能が変化する可能性があります。そこで、純水の代わりにハイブリッドナノ流体（Fe3O4 と MWCNT を水と混合したもの）を使用し、3 つのさまざまな断面形状 [STR1 (円形)、STR2 (ひし形)、STR3 (楕円形)] を実装しました。チューブを通じてハイブリッドナノ流体の非圧縮性層流が解明され、一方パネルの固体層では、光学分析から得られる熱源を含む純粋な伝導方程式がシミュレートされました。シミュレーションによれば、3 番目の構造 (楕円形) が最高の性能を持ち、入口速度の上昇により全体の性能が約 6.29% 向上します。ナノ粒子の割合が等しい楕円設計の熱的性能と電気的性能の値は、それぞれ 14.56% と 55.42% です。最適な設計により、非冷却システムと比較して電力効率が約16.2%向上します。

エネルギーは産業にとって重要であるだけでなく、社会の国内ニーズを満たすためにも重要であるため、どの国にとっても経済的に重要な意味を持っています。このエネルギーは、電気、化学物質、熱など、さまざまな形をとることができます。従来、これらのエネルギー需要を満たすために化石燃料が使用されてきましたが、それらは有限な資源であり、簡単に補充することはできません。人間が化石燃料を消費する速度は、自然に代替される速度をはるかに上回っています1。したがって、化石燃料に代わる持続可能な代替燃料を見つけることは、長期的なエネルギー需要を満たすために不可欠です。持続可能なエネルギーは、現在の状況に前向きな変化をもたらす可能性を秘めた極めて重要な問題です2。化石燃料は環境汚染の一因となるだけでなく、枯渇という課題にも直面しています。そのため、そのような資源による環境への影響を軽減するために、増大するエネルギー需要を満たすために再生可能エネルギーへの要求が高まっています。太陽エネルギーのコストが化石燃料のコストを下回るにつれて、化石燃料の需要は減少する傾向にあります。太陽エネルギーは、太陽エネルギーから熱と電気の両方を生成する太陽光発電 (PVT) ユニットなど、さまざまなシステムを通じて利用できます3。 PV ユニットは入射放射線を電気に変換するために使用されますが、太陽光の全エネルギーの 20% のみが変換でき、残りは無駄になります4。ただし、動作温度が上昇すると変換率が低下する可能性があり、この温度上昇によりソーラーパネルの構造的完全性が損傷する可能性があります5。 PV パネルの電気的性能 (ηel) を向上させる取り組みには、動作温度を下げることが含まれますが、この温度には熱吸収ユニットを使用することで到達できます。研究者らは、セル温度を下げるために PVT ユニットと呼ばれる方法を研究しました6。 PVT システムにより、電気と熱の同時生成が可能になります7,8。 Elqady ら 9 は、ソーラーパネルの冷却性能を向上させるためにヒートシンクの寸法を最適化する研究を調査しました。彼らの調査結果により、最適な設計ポイントを持つダクトが特定され、PVT の有効性を評価するために 3D モデルに採用されました。達成された最大の電力性能は 17.45% で、一般的な CPV/T システムと比較して 40% 近くの大幅な改善が実証されました。 Raza et al.10 は、集光型 PV (CPV) ユニットの背面として使用される高性能複合材料を設計するための計算手法を発表しました。提案された複合材料は有望な可能性を示しており、電気出力が 4.3% 向上し、モジュールの耐久性が向上します。 Li et al.11 は、太陽光発電パネルを冷却するための斬新で多用途なアプローチを発表しました。彼らは、提案したシステムを採用すると、PV の性能が約 19% 向上することを発見しました。

流体特性に関する継続的な研究を通じて、水を改質して太陽電池 (PV) 電池の熱除去能力を強化することができます。これは、ナノ粒子を水に組み込んで熱伝導率を高めることで実現できます12。ナノ流体は、ベース流体と混合されたナノメートルサイズのエンジニアリング材料で構成される熱伝達媒体の一種であり、さまざまな用途でのその性能により研究者から大きな注目を集めています13。ナノ流体は、PVT の有望な冷却技術として注目を集めています。研究者らは、効率を最適化し、全体的な性能が向上した効果的なシステムを確立するために、PVT システムのさまざまな構造でさまざまなナノ流体を実験してきました。 Bassam らによって管理された研究 15 では、マイクロフィンとタービュレーターの存在下でのハイブリッド PVT の効率が調査されました。報告されたユニットのηel は 10.8%、ユニットの最大熱性能は 83.3% でした。 CuO ナノ流体を使用した PVT システムの最適な動作条件は、Madas らによって精査されました 16。出力は、ナノ流体の割合を増やすと、電気的および熱的性能が 1.11% および 3.3% 向上することを示しました。 Abadeh et al.17 は、冷却剤としてさまざまなタイプのナノ流体が存在する太陽系の経済分析を研究しました。彼らの発見により、ナノ流体の添加により投資回収期間が大幅に改善されることが明らかになりました。さらに、環境の観点から、提案されたユニットが太陽光発電ユニットと比較して排出量を約 17% 削減したことが出力によって実証されました。 Nasrin ら 18 は、PV の屋内実験をテストし、テスト流体として MWCNT 水を適用しました。彼らは、全体的な効率が 87.65% に達する可能性があると報告しました。 Khan ら 19 は、蛇行パイプを利用した PVT システムの動作を評価しました。彼らの研究では、ハイブリッドナノ流体を利用した PVT システムは、酸化鉄と水と比較して 10.5% 高い熱性能を示したことが明らかになりました。 Alktranee et al.20 は、PVT システムの効率に対するナノ流体の使用の影響を精査する研究を実施しました。彼らは三酸化タングステンを利用し、電池温度が約 21.4% 低下することを示しました。 Tembhare et al.21 は、太陽熱用途におけるナノマテリアルとその特性のレビューを報告しました。彼らは、ナノ流体を使用する太陽熱システムに関するさまざまな研究を分析しました。研究者らは、ナノ流体がその優れた熱伝達特性により、太陽光発電用途に大きな可能性をもたらすことを発見した。高い熱伝導率を示すナノ粒子が分散したナノ流体は、熱を効率的に輸送する機能を持っています。 Du ら 22 は、太陽スペクトル全体を利用するために、プラズモニックナノ流体を含むフィルターを PVT システムに組み込みました。さらに、エアロゲルグレージングを採用し、以前のシステムと比較してエクセルギー性能が 13.3% 向上したことが観察されました。

太陽エネルギー利用のパフォーマンスを向上させるために、効率的でコスト効率の高い技術である PVT に関する重要な研究が行われています。さらに、太陽光発電と熱電発電機（PV-TEG）を組み合わせたハイブリッドシステムへの関心が高まっています23。 PV 技術と TE 技術を組み合わせる試みが行われてきました。廃熱を電気に変換するという熱電発電機 (TEG) の利点にもかかわらず。 TE モジュールには、環境に優しく、シンプルで、静かで、耐久性があるなど、いくつかの利点があります。ただし、その効率は比較的低いです。 PV セルは太陽光照射の可視光域と紫外域をカバーしますが、TEG モジュールは赤外線部分を利用できるため、太陽光全体からより包括的なエネルギー収集が可能になります24。ゼーベック効果を利用することにより、熱電発電機 (TEG) モジュールは温度差を利用して電力を生成できます。 PV/TEG ハイブリッドユニットでは、日射が強まると PV 温度が上昇します。その後、TEG はゼーベック衝撃の原理に従って温度勾配を電気エネルギーに変換します25、26、27。 Rejeb et al.28 が実施したシミュレーションでは、CPVT ユニットと CPVT/TE ユニットの間で比較が行われました。彼らは、ナノ流体を備えた CPVT/TE システムは、CPVT ユニットと比較して夏に全体の電力を 11.15% 多く生成することを証明しました。 Chen ら 29 は、TEG、PV、および太陽光選択的吸収体 (SSA) の組み合わせを精査しました。その出力では、エネルギー効率が 9.89% 向上しました。 Lekbir ら 30 は、ナノ流体冷却チャネルを利用した CPVT-TE ユニットを精査しました。その結果、このユニットの ηel は、水冷の CPVT-TE と比較して 8.4% 大きいことが明らかになりました。 Shittu et al.31 は、ヒートパイプ (HP) の存在下での PVT-TEG ユニットに関するシミュレーション研究を精査しました。その結果、提案されたシステムのパフォーマンスは、HP なしのシステムのパフォーマンスよりも 1.47 倍優れていることが明らかになりました。 CPVT/TE ユニットのプロトタイプは、屋外条件下で Indira らによって評価されました 32。彼らは、4.86% という最高の電気的性能が達成されることを発見しました。

以前の研究によると、PV モジュールの層を変更し、冷却システムを利用すると効率が変わる可能性があります。一部の研究者は、シリコン層を介して電気に変換できない太陽光の波長から生じる廃熱を利用するためにTEGを使用することを提案しました。現在の論文では、PV モジュールが TEG 層と結合され、セル温度を管理するためにさまざまな構成の冷却ダクトが適用されています。ハイブリッドナノ粒子 (Fe3O4-MWCNT) は水中に分散されました。ハイブリッドナノ流体の成分の分率比および試験流体の入口速度の影響が、数値モデリングによって検査されています。最適な設計を見つけるために、冷却ダクトの 3 つの形状が組み込まれています。また、日射量の影響も解析されています。支配方程式と利用される仮定は、「PVT-TEG システムと支配方程式の説明」セクションにまとめられています。シミュレーションの出力は、最高のパフォーマンスが得られるケースを見つけるために「結果と考察」セクションに分類されています。結論セクションは、この記事の最後の部分として提供されています。

この研究では、72 セルと臨界温度 85 °C の多結晶シリコンパネルが選択されており、層の寸法と特性に関する関連データは参考文献 18 と同じです。図1にはさまざまな層が示されており、TEG層が吸収層の上に存在していることがわかります。各層の厚さとその特性は最初の図に記載されています。 TEG 層を追加すると、システムの出力が増加します。冷却設備を整えるため、吸収器の底部に冷却ダクトを設置しました。図 2 で述べたように、3 つの構成 (STR1 (円形)、STR2 (ひし形)、および STR3 (楕円形)) が実装されています。

(a) TEG と組み合わせた PVT、および (b) 固体領域の幾何学的および熱物理的仕様。

冷却ダクト断面の提案構造。

ハイブリッドナノ流体は、有用な熱を増大させる可能性があるため、ますます人気が高まっています。モノナノ流体とは異なり、ハイブリッドナノ流体は熱伝導率、粘度、安定性を向上させることができます。さらに、ハイブリッドナノ流体は設計の柔軟性が高く、特定のアプリケーションのニーズに合わせてカスタマイズできます。したがって、ハイブリッドナノ流体の利用が現在の研究に利用されています（図3を参照）。ハイブリッドナノ粒子はFe3O4-SWCNTの混合物であり、ベース流体として水が適用されています。コンポーネントの特性とハイブリッドナノ流体の特徴を計算するための式は図 3 に示されており、詳細な説明は参考文献 33 にあります。

(a) H2O およびナノ粉末の熱物理仕様、および (b) Fe3O4-SWCNT/水ハイブリッドナノ流体の熱物理特性の支配方程式。

計算コストを削減するために、3 次元シミュレーションが適用され、対称条件が利用され、1 つのダクトがシミュレートされています。ハイブリッドナノ流体の流れは、以下の方程式 34 に基づいてシミュレートする必要があります。

図 1 に示されているさまざまな層をシミュレートするには、以下の方程式を解く必要があります 34:

インデックス (R) はレイヤーの名前を示します。第 2 項は以下のように計算できます 35,36:

ユニットの熱性能は、以下の式37に従って達成できます。

PV の電気的性能 (ηPV) を計算するには、次の式を使用する必要があります 37:

ポンプのエネルギー消費量を計算するには、以下の式を使用できます38:

TEG層は廃熱の一部を電気に変換できます。 TEG の効率は次のように計算できます 39:

全体的な電気効率を考慮してシステムを評価するには、以下の方程式を適用できます38,39:

この数値研究では、ANSYS FLUENT 18.2 を利用して PVT-TE システムをシミュレートしました。圧力と速度の結合に選択された方法は SIMPLE 方法です。勾配空間離散化は、最小二乗セルベースの方法を使用して達成されました。圧力方程式を解くために 2 次法が選択されました。連続性の残存量は 10-5 に達し、エネルギー方程式の残存量は 10-6 に達しました。

PVT ユニット、TEG 層、および底部冷却ダクト内のハイブリッドナノ流体冷却の組み合わせにより、さまざまな利点が得られます。第一に、このようなユニットは熱と電気の両方を供給しながら、TEG を通じて廃熱を追加の電気に変換することができ、その結果、効率とエネルギー出力が向上します。次に、底部冷却ダクトにハイブリッドナノ流体冷却を組み込むことで、熱管理が改善され、熱が効果的に放散され、システムへの熱ストレスが軽減されます。これにより、システムの信頼性と寿命が向上します。さらに、ナノ流体冷却により熱伝達係数が向上し、効率がさらに向上します。要約すると、PVT、TEG、およびナノ流体冷却を組み合わせると、エネルギー効率、熱管理、およびシステムの信頼性が大幅に向上します。作動流体は、H2O と、ハイブリッドナノ粉末としての Fe3O4 と MWCNT の組み合わせで構成されます。 PV システムの底部のダクトの形状は、効果的な冷却と熱放散に不可欠です。ダクトの形状を適切に設計すると、冷却液の流れが強化され、熱伝達が向上し、その結果、動作温度が低下し、システムのパフォーマンスが向上します。ダクトの形状とサイズも、システムの最適なパフォーマンスを維持するための重要な要素である圧力降下と流量に影響を与える可能性があります。さらに、ダクトの形状は流体の分布に影響を与える可能性があり、それが最終的にシステムの冷却性能を決定します。したがって、効率的な動作を確保し、システムの寿命を最大限に延ばすためには、PV システムの底部のダクトの形状を適切に考慮することが重要です。この事実に従って、現在の研究では、同じ水力直径を考慮して、冷却ダクトの 3 つのさまざまな形状 (STR1 (円形)、STR2 (菱形)、STR3 (楕円形)) が提案されています。ハイブリッドナノ流体の成分のさまざまな割合と入口速度 (Vin = 0.065 ～ 0.17 m/s) の影響が精査されています。

メッシュの独立性を達成することは、正確で信頼できる結果を保証するため、数値シミュレーションにおいて重要なステップです。このプロセスには、精度に必要な最小解像度を決定するためにメッシュ密度を変更することが含まれます。シミュレーション出力の精度はメッシュ密度に大きく影響され、粗すぎるまたは細かすぎるメッシュを使用すると、信頼性の低い結果が生じる可能性があります。したがって、メッシュの独立性を確保することは、正確なシミュレーションを作成する上で非常に重要であり、エンジニアが情報に基づいて設計上の決定を下し、システムのパフォーマンスを向上させ、信頼性を確保するのに役立ちます。構造化グリッドは、セルが規則的なパターンで配置され、インデックスによって識別できるメッシュシステムです。数値シミュレーションの精度と安定性の向上、収束速度の向上、構造化ジオメトリの実装の容易さなどの利点があります。そこで、図 4 に示すように、現在のモデリングでは構造化メッシュが適用されています。グリッドセルの最適な数を選択する際には、Tout と TPV という 2 つの基準が考慮されました。 5 つの異なるグリッド解像度が評価され、330 万セルのグリッドが最初のジオメトリに最適な選択肢であると判断されました (図 5 を参照)。

現在のシステムの構造化メッシュ。

STR1 レポートのグリッド独立性調査 (a) Tout、(b) TPV。

検証は、解析対象のシステムを正確に表現することを保証するため、数値シミュレーションにおける重要なステップです。数値モデルは、固有の仮定と制限を伴う複雑な物理システムを単純化したものです。したがって、シミュレーションがユニットの重要な物理的処理を正確にキャプチャしていることを確認するには、検証が不可欠です。このコードは、ナノ流体と純水がソーラーパネルに及ぼす影響を精査し、銅管を使用した Khanjari ら 40 のデータを使用して検証されました。吸収体の温度を比較すると、出力は良好な一致を示しました (図 6a を参照)。シミュレーションをさらに検証するために、Nahar et al.41 の実証研究が使用されました。研究の中で、著者らは多結晶シリコン PV パネルの屋外性能を調査しました。検証は Tout に基づいており、エラー率は 6.6% 未満であることが実証されました (図 6b を参照)。 3 番目の検証ステップでは、hx 値を、長さ 2 m、直径 4.57 mm のチューブを使用した Kim ら 42 によって実行された実験と比較することが含まれていました。比較により、データセット全体のエラー率が 3% 未満であることが明らかになりました (図 6c を参照)。これら 3 つの検証ステップでは、選択したアプローチが現在の作業のモデリングに対してかなり正確であることを確認します。

得られた出力と、(a)銀水に関する Khanjari et al.40、(b)Nahar et al.41、(c)Kim et al.42 の研究結果との比較。

ナノ流体を含むチューブに取り付けられた PV ユニットの効率は、チューブの設計によって影響を受ける可能性があります。断面の形状は流量と分布に影響を与える可能性があり、システムの効率に影響します。水力直径が固定されている場合、断面形状を変更すると、流れの状況が変化し、熱性能が向上します。ハイブリッドナノ流体を使用すると、knf が増加するため、システムの熱伝達性能がさらに向上します。したがって、ナノ流体を使用して PV システムに取り付けられたチューブの断面形状を最適化すると、パフォーマンスが大幅に向上し、システムの効率と信頼性が向上します。断面冷却ダクトの 3 つの精査された形状の寸法を図 2 に示します。等しいレイノルズ数に達するために、すべての形状の水力直径 (DH) は 0.0077 m です。入口速度 0.065 ～ 0.17 m/s の Re の範囲は 498.1 ～ 1302.74 であり、層流の仮定が妥当な近似であることを意味します。円形の断面では均一な流れ分布が得られますが、他の 2 つの断面では不均一な流れが生成され、熱伝達率が向上します。ハイブリッドナノ流体の速度と温度を示すために、Z = 0.992 m での断面がさまざまな形状で示されています (図 7 および 8 を参照)。 SRT 2 の速度は他のジオメトリよりも大きく、STR3 の最高温度は最も低くなります。シリコン層上の温度分布はパネルの寿命に重要な役割を果たしており、さまざまな形状の関連する等高線が図 9 に示されています。最大セル温度の値によれば、STR3 が設定されている場合に最小値が得られます。選択されました。 3 番目の構造では、STR1 と STR2 に比べて、輪郭の均一性がそれぞれ約 8.9% と 3.92% 向上しました。

Z = 0.992 m における速度の等高線。

Z = 0.992 m における温度の等高線。

3 つの構造における PV 温度の等高線。

ダクトの最適な形状を選択すると、効率が向上します。これは、ダクトの形状が流体の流れに影響を及ぼし、それが効率に影響を与えるためです。最適な形状を選択すると、流体がよりスムーズに流れ、セルの温度が低下します。これにより、電気的および熱的性能が向上し、PVT システムからのエネルギー出力が増加します。精査された形状の中で、最も優れた性能は 3 番目の構造に属します (図 10 を参照)。 Vin = 0.065 m/s の場合、STR1 から STR3 に切り替えると、ηel と ηth はそれぞれ約 1.39% と 4.83% 増加します。また、同じ Re の場合、構造を 2 から 3 に変えると、ηel と ηth はそれぞれ約 0.86% と 5.03% 増加します。これら 2 つの機能の合計は全体効率と言え、STR1 と STR2 の代わりに STR3 を置き換えることで、それぞれ約 6.83% と 4.08% 向上します。入口速度が 0.17 m/s まで増加すると、STR1 から STR3 に変更することによる全体効率の増加は約 31.36% 減少します。

HTT の望ましい構造における (a) ηel および (b) ηth。

ナノ流体入口速度が PVT システムのパフォーマンスに及ぼす影響は、物理的メカニズムによって説明できます。速度が増加すると対流係数が大きくなり、パネル温度が低下し、有効熱が増加します。これにより、熱効率と電気効率が向上します。速度が速くなるとダクト内でのハイブリッドナノ流体の混合と分配も改善され、効率がさらに向上します。ただし、速度が過剰になると圧力損失とポンプ出力が増加し、性能の低下につながる可能性があり、この影響が ηel の計算に含まれています。ハイブリッドナノ流体の熱水挙動を図１〜３に示した。Ｚ＝０．９９２ｍにおけるハイブリッドナノ流体の最大速度は、ハイブリッドナノ流体の温度が低下するにつれて約２．６６倍の値に増加する。図１３に示すように、シリコン層の温度はＶｉｎの成長とともに低下し、均一性は約２１．１％向上する。性能に対する Vin の影響を示すために、図 14 を示します。 Vin を 0.065 から 0.1 および 0.135 m/s に変化させると、全体の効率はそれぞれ約 3.34% および 5.14% 向上します。速度が 0.065 から最大振幅 (0.17 m/s) まで増加すると、ηel と ηth はそれぞれ約 1.43% と 7.65% 増加します。 φ1 = φ2 = 0.024、Vin = 0.17 m/s のとき、ηel と ηth の最大値は 14.54% と 55.06% になります。

Z = 0.992 m における流体速度の等高線。

Z = 0.992 m での流体温度に対する Vin の効果。

TPV に対する Vin の有効性。

さまざまな流体入口速度における (a) ηel および (b) ηth。

ユニットの性能は、水中のハイブリッドナノ粒子の 2 つの成分、Fe3O4 と MWCNT の分率に影響されます。分画比によってハイブリッドナノ流体の特性が変化する可能性があり、これが PVT-TEG ユニットの効率に影響します。したがって、PVT ユニットの最高のパフォーマンスを達成するには、ナノ流体内のハイブリッドナノ粒子の最適な分率比を調査して見つけることが重要です。表 1 に示すように、3 つの条件 [N1 (φ1 = φ2 = 0.024)、N2 (φ1 = 0.012、φ2 = 0.036)、N3 (φ1 = 0.036、φ2 = 0.012)] がテストされており、すべてのケースの合計割合は次のようになります。単相アプローチの制限を満たすには 0.048。これら 3 つのケースを純水の場合と比較し、出力を図 15 に示します。 Vin = 0.17 の場合、N3 から N2 へのフラクション比率を変化させると、ηel と ηth の量は約 70.57% と 73.87% 増加します。それぞれ。 Vin = 0.065の場合、N1、N2、およびN3の割合を含むハイブリッドナノ粒子を水に添加すると、全体の効率がそれぞれ約2.78%、3.39%、2.01%向上します。さまざまなケースの中で、N2 は Vin = 0.17 の条件で ηel と ηth の値が最も大きく、これらの値はそれぞれ 14.56% と 55.42% です。 N2 の Vin の増加により、全体的なパフォーマンスは約 6.26% 増加します。 Vin = 0.065 の存在下でハイブリッドナノ粒子 (N2) を追加した場合の全体効率の向上は、Vin = 0.17 m/s の場合よりも約 13.88% 大きくなります。

水および Fe3O4-SWCNT/水ハイブリッドナノ流体のさまざまな体積濃度の (a) ηel および (b) ηth。

太陽光照射量 (「I」) は、PVT-TEG システムの全体的な性能を増加および向上させることができます。より大きな値の「I」を使用すると、出力電力が向上しますが、より優れた冷却技術の重要性がより現実的になります。システムのパフォーマンスに対する「I」の影響を示すために、この係数の 3 つのレベルが適用され、関連する出力が図 16 に示されています。「I」が 700 W/m2 から 900 W/m2 に増加すると、ηel は約減少します。 ηth は約 7.79% 増加しますが、0.18% です。日射量が 700 W/m2 から 900 W/m2 に増加すると、ηth の値は 51.07% から 55.06% に増加します。 TEG の性能は「I」の増加に伴って約 40.17% 向上しますが、シリコン層の温度の上昇により PV 性能が低下するため、全体の電気効率は低下します。

太陽放射照度の 3 つのレベルにおける (a) ηel と (b) ηth。

ηel の改善を比較するために、さまざまな断面構造の出力を非冷却モジュールと比較しました。図 17 は、冷却システムの利用による有望な影響を示す関連する出力を示しています。これらの出力のハイブリッドナノ流体の濃度は、φ1 = φ2 = 0.024 です。 STR1、STR2、STR3 の ηel の強化は、それぞれ 14.82%、15.22%、16.2% です。この結果は、3 番目の形状が ηel の効果が最も期待できることを示しています。

非冷却型 PV モジュールと比較した ηel の改善。

これまでの研究では、ηel と ηth の両関数について、基本的な場合と比較した改善率が報告されていました。これらの改善率は現在の改善率と比較できます。そこで、図 18 は、以前の研究 (Yu et al.43、Fayaz et al.44、Nasrin et al.18) とのパフォーマンスの向上の比較を示すために作成されました。 43、44、18 の作品の ηel の増分は 0.97%、0.6%、0.14% です。現在の研究では、ηel は基本ケース (STR1) と比較して約 1.2% 向上します。さらに、43、44、18 の作品に対する ηth の増加は、それぞれ 3.02%、5.13%、3.67% です。現在の研究における ηth の増分は約 6.31% であり、これは前述の他の研究よりも大きくなっています。

最近の出版物と比較した ηel と ηth の改善。

今回の記事では、PVT ユニットのパフォーマンスを向上させるために、さまざまな構成の冷却管を精査しました。冷却速度を高めるために、ベース流体にハイブリッドナノ粒子を混合し、さまざまな分画比の影響を比較しました。廃熱を利用するために、TEG 層は他の PV 層と結合され、電気的性能の向上につながります。全体的な電気的性能の測定には、ポンピング電力の悪影響が関係しています。最適な設計を見つけるために、3 つの異なる形状 (STR1 (円形)、STR2 (菱形)、STR3 (楕円形)) がテストされました。すべての形状は同じ入口レイノルズ数を持ち、チューブを通る層流が考慮されています。ナノ粒子を搭載し、最適な設計を選択することで冷却速度と温度均一性が向上し、パネル全体の熱応力が減少し、寿命が長くなります。入口速度 (Vin = 0.065 ～ 0.17) と Fe3O4 および MWCNT のさまざまな割合の影響が調べられました。光学的特徴は、層の発熱項を組み込むことによってモデリングに組み込まれています。 2 番目の EVA の下の層の熱源は無視できる値であるため、熱源のない純粋な伝導モードが考慮されています。新しい作動流体の特性は、単相アプローチに従って推定されています。数値シミュレーションの安定性を高めるために、構造化グリッドがすべてのジオメトリに適用され、グリッド独立性手法が提示されました。 STR1 の最適なセル数は 330 万です。シミュレーションの簡略化と仮定に従って、検証ステップを提示することが不可欠です。検証手順として 3 つのステップが結果セクションに示されています。過去に発表された数値だけでなく実験データも評価されており、良好な精度が得られています。冷却ダクトの形状の役割が検討され、等高線と棒グラフを考慮した関連する出力が表示されます。さまざまな形状に応じて流れのスタイルが変化するため、冷却速度が変化し、最適な設計を選択することでシステムのパフォーマンスを向上させることができます。 STR1 と STR2 の代わりに STR3 を置き換えると、シリコン層温度の均一性が約 8.9% および 3.92% 向上します。 Vin = 0.065 とすると、構造が 1 番目から 3 番目に変化すると、ηel と ηth はそれぞれ約 1.39% と 4.83% 増加します。 STR1 と STR2 の代わりに STR3 を置き換えると、全体の効率がそれぞれ約 6.83% と 4.08% 向上します。 Vin の成長に伴ってシリコン層の温度が低下する可能性があるため、流体の速度によってシステムのパフォーマンスが向上します。シリコン層温度の均一性は約 21.1% 向上します。 Vin が 0.065 m/s から 0.17 m/s に増加すると、ηel と ηth はそれぞれ約 1.43% と 7.65% 増加します。 ηel と ηth の最大値は、φ1 = φ2 = 0.024、Vin = 0.17 m/s の場合、14.54% と 55.06% でした。ハイブリッドナノ粒子の成分の分画比の影響を示すために、3 つのケースが水の場合と比較され、出力はケース N2 (φ1 = 0.012、φ2 = 0.036) が最高のパフォーマンスを示すことを示しました。 Vin = 0.17 の場合、N2 の ηel と ηth の値は、それぞれ 14.56% と 55.42% に達しました。 Vin = 0.065 とすると、N1、N2、および N3 の割合を含むハイブリッドナノ粒子を水に分散すると、全体の効率がそれぞれ約 2.78%、3.39%、および 2.01% 増加します。基本ケース (STR1) と比較した場合の ηel と ηth の増分は、それぞれ約 1.2% と 6.31% です。これらの割合は、精査された以前の記事よりも大きくなっています。非冷却システムと ηel の値を比較すると、STR1、STR2、STR3 の性能がそれぞれ約 14.82%、15.22%、16.2% 向上することがわかりました。太陽放射照度が増加すると、ηel の値は約 0.18% 減少しますが、ηth は約 7.79% 増加します。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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この研究は、バボル・ノシルバニ工科大学、研究助成金番号 P/M/1119 の資金提供を受けています。

イラン・イスラム共和国バボル、バボル・ノシルバニ工科大学機械工学科

Z. カリリ & M. シェイクホレスラミ

イラン・イスラム共和国バボルのバボル・ノシルヴァニ工科大学、伝熱研究室における再生可能エネルギーシステムとナノ流体応用

Z. カリリ & M. シェイクホレスラミ

ピッツバーグ大学機械航空宇宙工学科（米国ピッツバーグ）

モマエスも含めて

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ZK と MS は問題をシミュレーションして主要な原稿テキストを書き、LM は原稿をレビューして結果の正確さをチェックしました。

M. シェイコレスラミへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Khalili, Z.、Sheikholeslami, M. & Momayez, L. 太陽光発電 - 熱電ソーラーユニットの冷却管内のハイブリッドナノ流体の流れ。 Sci Rep 13、8202 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-35428-6

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受信日: 2023 年 1 月 27 日

受理日: 2023 年 5 月 17 日

公開日: 2023 年 5 月 21 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35428-6

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太陽光発電の冷却管内のハイブリッドナノ流体の流れ