フラットのエネルギー、エクセルギー、経済（3E）分析

Scientific Reports volume 13、記事番号: 411 (2023) この記事を引用

1583 アクセス

4 オルトメトリック

メトリクスの詳細

太陽エネルギーの利用は、現在のエネルギー管理の課題に対処するための最も顕著な戦略の 1 つです。太陽エネルギーは、平板型太陽熱集熱器を通じて多くの住宅分野で使用されています。従来の熱伝達流体をナノ流体に置き換えると、平板型太陽熱集熱器の熱効率が向上します。これは、ナノ流体が従来の熱伝達流体よりも優れた熱物理的特性を提供するためです。ナノ流体の従来の合成技術では濃縮された化学物質が利用されており、危険な有毒副産物が生成されます。本研究では、新しい緑色の共有結合官能基化没食子酸処理多層カーボンナノチューブ-水ナノ流体が平板型太陽光集熱器の性能に及ぼす影響を調査する。紫外可視分光法やゼータ電位などの安定性分析技術によると、GAMWCNT はベース流体中で非常に安定しています。実験による評価では、ナノ流体の熱物理的特性がベース流体の脱イオン水の熱物理的特性よりも優れていることが示されています。エネルギー、エクセルギー、および経済分析は、0.010、0.0144、0.0188 kg/s のさまざまな質量流量で、0.025%、0.065%、および 0.1% 重量濃度の GAMWCNT 水を使用して実行されます。 GAMWCNT ナノ流体の導入により、エネルギー効率とエクセルギー効率の点で平板太陽熱集熱器の熱性能が向上しました。熱流束、質量流量、重量濃度が上昇すると効率が向上しますが、入口温度が上昇すると低下が見られます。実験結果によれば、エネルギー効率の最も高い改善は、ベース流体と比較して、重量濃度 0.1% の GAMWCNT ナノ流体の 0.0188 kg/s で 30.88% でした。コレクターのエクセルギー効率は重量濃度の増加とともに増加しますが、流量の増加とともに減少します。最高のエクセルギー効率は、GAMWCNT 濃度 0.1% および質量流量 0.010 kg/s で達成されます。 GAMWCNT ナノ流体は、ベース流体と比較して摩擦係数の値が高くなります。ナノ流体の重量濃度が増加すると、相対的なポンピングパワーがわずかに増加します。すべての GAMWCNT 濃度で 1 を超える性能指数値が達成されます。太陽熱集熱器を 0.0188 kg/s および 0.1% 重量濃度の GAMWCNT ナノ流体で動作させると、熱伝達流体として水を使用した平板型太陽熱集熱器と比較して、27.59% という最高のサイズ縮小が達成されます。

世界の人口とエネルギー消費は急速に拡大しています。現代の人類文化の工業化とグローバル化は、このエネルギー消費の増加の主な原因です。国際エネルギー機関は、2040 年末までに世界のエネルギー消費は約 30% 増加すると予測しています1。化石燃料は世界のエネルギー需要の 86% を満たしています2。世界の化石燃料埋蔵量は急速に減少しており、環境は深刻に汚染されています。現在の時代の課題は、環境をさらに悪化させることなくエネルギー需要を満たすことです。持続可能な開発目標 7 は、すべての国が直面し、すべての人に影響を与える課題となります。持続可能な開発目標 7 の基本的な目的は、経済的、クリーン、効率的、信頼性が高く、すべての人々が利用できるエネルギーを実現することです。従来のエネルギー資源は有限であるため、代替エネルギー源の探索が世界中で激化しています。再生可能エネルギー資源は、クリーンエネルギーの需要を満たすことができることが証明されています3。

太陽エネルギーはその手頃な価格と入手しやすさにより、他の再生可能エネルギー資源よりも需要が高まっています。太陽エネルギーはさまざまな方法で利用できます。太陽熱は、暖房、家庭用温水、冷却、さらにはプロセス加熱など、さまざまな用途に利用できます4,5。太陽エネルギーの収集と変換は、このエネルギー分野の重要な焦点です。太陽のエネルギーは簡単に収集でき、熱エネルギーや電気エネルギーに変換できます。太陽光発電や太陽熱収集器などのさまざまな機器や技術が、このエネルギー変換プロセスを実行できます。ソーラーコレクターは、熱交換流体を使用して太陽エネルギーを熱エネルギーに変換します。コレクターの吸収プレートは太陽エネルギーを捕らえ、吸収流体に伝達し、その内部エネルギーを増加させ、その後さまざまな目的に使用することができます。光学集中のない平板型ソーラーコレクター (FPSC) は、40 ～ 100 °C の温度範囲で使用されます。シンプルでメンテナンスが容易でランニングコストが最小限に抑えられるため、家庭用アプリケーションに適しています。 FPSC は効率と出力温度が比較的低くなります。材料、設計 6、集光板のコーティング 7、傾斜角 8、気候条件 9、および作動流体 10 はすべて、平板型太陽熱集熱器の有効性に影響を与える要因です。純水（作動流体として機能します）の代わりに熱伝導率の高い流体を使用することは、効率を向上させる最も簡単で効果的な方法の 1 つです。

一般的に使用される熱伝達流体（蒸留水、グリコール、オイルなど）は、熱伝導率と熱伝達能力が低いため、太陽熱収集器などの熱伝達システムでは効果が限られています11、12。固体ナノ粒子をベース流体に懸濁させることで、高い熱伝導率を実現できます。ナノ流体は、通常の水よりも高い熱伝導率を持つ水中にナノメートルサイズの粒子が分散したものとして定義されます13,14。 Choi13 は、「ナノ流体」というフレーズを最初に生み出しました。増田ら[15]は、ナノ粒子分散後のベース液の熱物理パラメータの顕著な変化を最初に観察した。これらの「ナノ流体」は、通常の流体の熱伝達性能を大幅に向上させることができます16。

コレクター効率を向上させるために FPSC でナノ流体を利用することが数多くの研究で検討されています。 Said et al.17 によれば、ナノ流体の 0.1% wt.% 画分に対して 0.00833 kg/s の流量で TiO2 ナノ流体を使用することにより、コレクタ効率が 76.6% まで向上しました。ベース流体と比較して、圧力損失およびポンピングパワー値に大きな差はありませんでした。 He et al.18 は、さまざまなナノ流体の質量分率に対して 140 L/h の質量流量を維持しながら、FPSC の熱性能に対する銅-水 (Cu-H2O) ナノ流体の影響を決定する実験調査を実施しました。ナノ流体の調製には 2 段階の方法が使用されました。実験結果によると、熱効率が大幅に向上し、質量濃度 0.1%、サイズ 25 nm で 23.83% となりました。コレクターの効率は、ナノ粒子サイズの増加とともに低下しました。 Hajabdollahi et al.19 は、平板コレクタを使用したソーラーネットワークヒーターのモデリングと最適化に関する研究を実施しました。エネルギー効率とコスト率は両方とも 2 つの目的関数とみなされます。調査結果によれば、コレクタ効率が高い場合には経済的に実現不可能である。燃料価格が 10% 上昇するごとに、原価率は 4.75% 低下します。 Saidらによる研究20では、平板太陽熱集熱器と組み合わせた小規模太陽光駆動有機ランキンサイクルの熱効率が、MWCNT + WO3/水ハイブリッドナノ流体およびMWCNT/R141bナノ冷媒について調査された。 ORC システムの熱効率とエクセルギー効率は、さまざまなナノ流体流量と濃度で実験的に調査されました。コレクター内のナノ流体濃度が 0.5 vol%、ナノ流体流量が 3 lpm であると、エネルギー効率が 8.52%、エクセルギー効率が 6.30% と大幅に増加することが報告されました。

FP ソーラーコレクターの熱効率は、Ahmadi et al.21 によって、熱伝達流体としてグラフェンナノプレートレット (GNP) ベースのナノ流体を使用して検査されました。実験結果では、グラフェンナノ流体を使用することでコレクターの効率が 18.87% 向上したことが示されました。新しいイオン液体-MXene ハイブリッドナノ流体の熱物理的特性は、Said et al.22 によって調査されました。 0.5% 重量の MXene ナノマテリアルを使用すると、0.82 W/mK の熱伝導率が達成されました。別の研究では、水/銅とアルミニウムのハイブリッドナノ流体を使用したソーラーフラットプレートコレクターのエネルギー効率、可視化されたエネルギー、および汚染の生成を調査しました23。ハイブリッドナノ流体のコレクターのエネルギー効率は他の作動流体よりも高いことが判明しました。 MWCNT/水ベースのナノ流体を使用した太陽光発電シェルアンドチューブ熱交換器の性能を分析するための実験的研究が、Said et al.24 によって実施されました。 0.3% vol. では、熱伝達係数は 31.08% 改善されました。ベース流体と比較して、0.3% MWCNT/水システムでは面積が 5.4% 減少しました。 Jouybari ら 25 は、SiO2/脱イオン水ナノ流体を使用して FPSC の熱効率を実験的に調べました。彼らは、熱効率が 8.1% 増加したことを発見しました。効率曲線の傾きパラメータは、ナノ粒子サイズが小さくなるにつれて小さくなります。 Kiliç ら 26 は、TiO2/水ナノ流体を作動流体として使用した場合の FPSC の熱性能への影響を確認するための実験研究を実施しました。ナノ流体の安定性を高めるために、ナノ流体の調製中に Triton X-100 界面活性剤も添加されました。 48.67% の最大瞬間効率が達成されることがわかりました。 Stalin et al.22 は、CeO2 ベースのナノ流体を利用した液体平板コレクターの有効性を分析するための実験的および理論的研究を実施しました。ベース流体である水と比較して、二酸化セリウム (CeO2/H2O) ナノ流体を使用したソーラーコレクターは、水より 21.5% 高い 78.2% の熱効率を達成しました。しかし、いくつかの研究では、アルミナベースのナノ流体を使用するとコレクタ効率が低下することも示されています27。ナノ粒子の堆積壁の形成により、効率が 5.5% 低下することがわかりました。この堆積層により熱伝達に余分な熱抵抗が生じ、最終的には熱効率が低下しました。 Arora et al.28 は、革新的な吸収管、つまりマーキス型と Al2O3/水ナノ流体を使用して、平板型太陽熱集熱器の性能を研究しました。実験結果は、質量流量 3lpm で、ナノ流体を使用した場合と使用しない場合のコレクタ効率がそれぞれ 83.17% と 59.72% であることを示しました。 FPSC のパフォーマンスを調査するために、Akram et al.29 によって別の研究が実施されました。緑色のグラフェンベースのナノ流体を合成するために、共有結合官能化法が採用されました。ナノ流体のコロイド安定性は大幅に増加しました。実験の結果、ナノ流体を利用することにより、水に比べて熱効率が18.2%向上することがわかりました。 Choudhary ら 30 は、ZnO/水ナノ流体を使用してコレクタの熱挙動を確認する実験研究を実施しました。ナノ流体の調製には非共有結合性官能化法が採用されました。時間の経過とともに、粒子サイズが大きくなることでナノ流体が沈降し、効率が低下することが判明しました。ベース流体と比較した場合、効率の向上率は 19.9% でした。 Moravej et al.31 は、対称 FPSC の性能調査にルチル型 TiO2/水ナノ流体を利用しました。ナノ流体は、界面活性剤を使用せずに非共有結合修飾法によって合成されました。 TiO2-水ナノ流体の使用により、熱効率が大幅に向上しました。 Sarsam et al.32 は、GNP ベースのナノ流体を使用してコレクタの熱挙動を分析する別の研究を実施しました。彼らは、従来の共有結合官能化法を使用して、トリエタノールアミン (TEA) で GNP を官能化しました。コレクター効率の大幅な向上が認められましたが、共有結合官能基化には強力な化学物質が使用されており、有害な有毒副産物が生成されます。 Akram et al.33 は、FPSC の熱効率を分析するために、作動流体としてカーボンおよび金属ベースのナノ流体を使用しました。この研究では、カーボンナノプレートは共有結合的に官能化され、金属酸化物は界面活性剤を使用して非共有結合的に官能化されました。結果は、カーボンベースのナノ流体では 60 日間、金属ベースのナノ流体では 30 日間の安定性を示しました。効率の向上率は、水と比較してカーボンベースのナノ流体で 17.45% でした。 Kumar ら 34 は、0.1 wt% および 1.5 lpm の流量の GGNP により、蒸留水と比較して LFPSC 効率が 24.09% 増加したと報告しました。没食子酸によるグラフェンナノプレートレットの共有結合官能化が行われました。相対ポンピングパワーは、GGNP 濃度の増加とともにわずかに増加しました。

カーボンナノ粒子をベースとしたナノ流体は高い熱伝達率を提供しますが、カーボンベースのナノ材料は疎水性であるため、ベース流体中でのコロイド安定性が低くなります。したがって、炭素ベースのナノ粒子の表面を修飾してコロイドの安定性を高めることが重要です。表面修飾は、共有結合または非共有結合のいずれかの官能化方法を使用して行うことができます。界面活性剤は非共有結合による官能基化に必要ですが、これにより泡の発生や腐食などの望ましくない結果が生じます。したがって、長期の分散安定性を達成するには、共有結合による官能基化方法が好ましい。作動流体の熱物理特性も共有結合官能基化によって強化されます 32,35。

さらに、濃縮化学物質は共有結合官能基化に利用され、有害な有毒副産物が生成されます 35,36。必然的に、ナノ粒子、特に炭素ベースのナノ粒子を合成するには、環境に許容される成分を使用することが不可欠です。

ポリフェノール抗酸化物質である没食子酸 (GA) は、ブドウや茶を含む多くの果物や野菜に含まれています 37。製薬分野では没食子酸が広く使用されています。環境に優しい特性により、GA を使用して多層カーボンナノチューブを共有結合的に官能基化し、その疎水性表面を親水性に変換し、ベース流体中での安定性を高めることができます。

入手可能な文献によると、FPSC の熱性能を評価するために環境に優しく、安定した共有結合で官能化されたナノ流体の使用に焦点を当てた研究は発見されていません。本研究では、緑色で長期安定な共有結合官能基化没食子酸処理多層カーボンナノチューブ-水ナノ流体を伝熱流体として使用し、平板型太陽光集熱器のエネルギー効率とエクセルギー効率を評価した。グリーン合成 GAMWCNT-水ナノ流体を利用した FPSC の経済分析も行われます。コレクタ効率、摩擦係数 (f)、ポンプ出力、コレクタサイズの縮小、およびコスト削減に対する出口温度の影響が評価されます。実験は、3 つの異なる重量濃度の GAMWCNT-H2O ナノ流体、0.025%、0.065%、0.1% を使用し、質量流量を 0.010、0.0144、0.0188 kg/s と変化させ、熱流束強度を 600 に維持しながら実行されます。 800、1000 W/m2、入口温度は 303 ～ 323 K。

このセクションでは、次の 3 つのトピックについて詳しく説明します。

環境に優しい共有結合官能基化 GAMWCNT ナノ流体合成技術

FPSC 実験用テスト装置。熱性能のテスト用

環境に優しいナノ流体を利用した実験を行うための試験方法

没食子酸 (GA) としても知られる天然フェノール抽出物 3,4,5 トリヒドロキシ安息香酸を使用して、多層カーボンナノチューブ (直径: < 8 nm、純度: > 95%、SSA: > 500 m2/g) を共有結合で官能化しました。。 Akram et al.38 によって提案されている 2 段階の方法が、緑色没食子酸処理多層カーボンナノチューブナノ流体の調製に導入されました。 5 g の完全な多層カーボンナノチューブ (Nano Structured & Amorphous Materials Inc.) と 15 g の没食子酸を、1000 ml の蒸留水で満たされたビーカーに浸し、混合物が均一になるまでほぼ 0.5 時間撹拌しました。超音波処理時間中、２５ｍｌのＨ２Ｏ２（Ｂｒａｎｄ−ｓｉｇｍａ−Ａｌｄｒｉｃｈ）を混合物に滴下注入した。得られた混合物を1/3時間超音波処理した。次いで、混合物を80℃で14時間還流した。 GAMWCN コロイドの遠心分離は 14,000 rpm で実行され、pH が 7 に達するまで蒸留水で複数回洗浄され、残留粒子が除去されました。その後、合成された標本は 60 °C のオーブンで 1 日乾燥されました。最後に、0.025、0.065、0.1 wt.% の共有結合官能化 MWCNT ナノ粒子を超音波処理によって水に 10 分間分散させることにより、没食子酸処理多層カーボンナノチューブ - 水ナノ流体を合成しました。 GAMWCNT はベース流体中によく分散していることがわかりました。 GAMWCNTの合成の概略図を図1に示します。

合成プロセスのグラフィック表示。

平板型太陽熱集熱器の熱性能を分析するため、マレーシアのマラヤ大学機械工学部の研究室で実験が行われました（屋内試験）。表 1 に、今回の調査で使用した FPSC の詳細仕様を示します。図 2a は試験装置の配置の概略図を示し、図 2b は実験装置の絵画図を示します。テスト装置には、フローループ、制御装置、データロガー、冷蔵水浴サーキュレーター (冷却媒体)、FPSC などのいくつかの重要な部品が含まれています。 FPSC の内部図とライザーチューブへの熱電対の取り付けの詳細を図 3 に示します。強制対流システム内の作動流体を循環させるために遠心電動ポンプが使用されました。粘着性の T 型熱電対で周囲温度を測定し、コレクタ表面に固定された柔軟な粘着性ヒーターを太陽放射に近い一定の熱流束源として使用しました。コレクターの入口でのナノ流体の温度を制御するために、断熱ジャケット付きタンクを備えた冷蔵水浴循環装置が使用されました。作動流体（ナノ流体）の貯蔵には容量8リットルのステンレス製貯蔵タンクを利用し、質量流量を測定するためにデジタル流量計を設置した。テスト中に質量流量を制御するために流量計の十分前にニードルバルブが挿入され、校正済みの PT-100 測温抵抗体 (RTD) を使用してソーラーコレクターの吸気口と排気口の温度を監視しました。

(a) 実験装置の概略図。 (b) 実験装置の絵画図。

FPSC と熱電対の位置の詳細な説明。

図 3 に示すように、X 軸に沿った 4 つの異なる位置で、2 つの中間ライザーチューブ (TW) の外壁温度と吸収プレート (AP) の中心線温度が測定されました。熱電対の位置は、吸収板の基準位置から x 軸方向に 11.4、34.29、57.15、80.1 cm です。無次元軸方向距離 (x/d) と呼ぶこともあります。 TW の値は、各位置の 2 つのライザーチューブを平均することによって取得されました。各テスト実行時の出口、吸収プレート (AP)、チューブ壁 (TW)、および周囲温度と圧力損失は、定常状態条件および熱流束強度 600、800、および 1000 W/m2 で記録されました。屋内試験用の ASHRAE 標準 93-200339。

平板ソーラーコレクターの熱性能は、ASHRAE 規格 93-200339 に従って屋内でテストされました。すべてのテストは、FPSC の熱効率を決定するために、太陽放射と同等のさまざまな熱流束率を使用して定常状態条件で実行されました。

定常状態条件下での有用な熱利得は、式 1 を使用して計算されます。 (1)40

FP ソーラーコレクターの熱効率は、式 1 を使用して計算されます。 (2)32,41

式 (3) は、熱除去係数を求めるために使用されます41

エクセルギー損失は次のように計算できます41

吸収エネルギー \({\dot{Q}}_{s}\) は次の式で与えられます34

GAMWCNT ナノ流体のエンタルピー変化は次のように計算されます 34

そして、式に従うエントロピーの変化については、 (9) が使用されます34

式から項の値を代入します。式の (7–9) (6)、

エクセルギー損失率とエクセルギー効率は式(1)で求められます。 (11) と式 (11) (12)34

実験による摩擦係数は、次の式で与えられる圧力降下値から評価されます34,42。

式 (14) と (15) は、レイノルズ数と流体の流速を求めるために使用されます 34

次の相関関係は、理論上の摩擦係数を見つけるために使用できます43,44

ポンプ力は次のように評価されます11

式 (19) は相対ポンピングパワーを求めるために使用されます45

\({Z}_{nf}\) と \({Z}_{bf}\) は、それぞれ CMWCNT ベースナノ流体とベース流体のポンピングパワーです。

性能指数 (PI) は、FPSC における GAMWCNT ナノ流体の実現可能性と有効性を評価するために使用されます。これは次の式で与えられます46。

平板型太陽光集熱器のサイズ縮小は次のように与えられます47,48。

得られたデータには最小限の欠陥や不正確性があります。結果に不確実性をもたらす実験ではエラーを避けることはできません。記録された実験値の精度を評価するために、不確実性分析が実行されました49。 FPSC の効率は、式 1 と 2 で示されるように、このアプローチでは比例して説明されます。 (22) と (23)

R = R (x1, x2, ...xn) の場合、R は独立パラメーター x1、x2、...xn に比例する、提供された関数の出力です。 Moffat61 と Holman62 によって提案された式 (23) を使用して、不確実性 (δR) を測定できます。

この調査の実験データの不確かさは、式 (1) を使用して計算されます。 (24)。これは式に基づいています。 (23)

2.62%、1.4%、0.70%、2%、2.2%、1.9%、0.45%、0.45%、0.8%は、比熱、密度、電圧、電流、日射量、熱伝導率、入口温度、出口温度の不確かさの値です。と質量流量をそれぞれ示します。コレクタの効率の不確かさの値は 3.90% です。

このセクションでは、FTIR、ラマン分光法、TEM、ゼータ電位、UV/VIS 分光法など、材料の特性評価に使用されるさまざまな手法について説明します。

FTIR 技術では、純粋な MWCNT と比較して、GAMWCNT サンプルはヒドロキシル (O-H) 基の存在を強く示しています。 3446 ～ 3750 cm-1 の鋭くて幅の広いピークは、MWCNT と没食子酸のヒドロキシル (O-H) 基の間の相互作用に起因する、さまざまな強度の MWCNT と GAMWCNT の両方の一次構造における O-H 伸縮振動と関連しています。酸（GA）と過酸化水素（H2O2）。 FTIR スペクトルによると、GA はフリーラジカルグラフト化プロセスによって純粋な MWCNT に効果的に結合しています。ラマン分光法は、炭素系材料の化学的機能化を測定するための優れた方法です。この方法によれば、純白の MWCNT と GAMWCNT はどちらも、それぞれ波数約 1350 および 1590 cm-1 の D バンドと G バンドを特徴とします。 TEM として知られる技術を使用して、MWCNT の共有結合官能基化の成功を検証しました。 TEM によると、図 4 に示すように、MWCNT の表面は要件を満たすように正常に改質されました。別の技術であるゼータ電位は、ベース流体中のナノ粒子の安定性を分析するために使用されます。ゼータ電位試験によると、pH 2.70 ～ 9.56 の範囲では、GAMWCNT は等電点から遠く離れた、-16 ～ -52.4 mV の範囲の強いマイナス値を示します。 GAMWCNT は、pH 3.10 ～ 9.56 の範囲で顕著な静電反発力を示し、非共有結合相互作用による MWCNT の凝集を抑制します。ナノ流体の安定性は、UV/VIS 分光法によっても確認されました。分散した GAMWCNT の量が増加するにつれて吸光度の読み取り値は上昇し、GAMWCNT の相対濃度は 60 日まで安定しています 38。

(a、b) 元の MWCNT および GAMWCNT の TEM 画像 (elsevier の許可を得て再利用)。

GAMWCNT の熱物性とさまざまな濃度の値を表 2 に示します。

この研究で合成されたナノ流体の熱伝導率を測定するために、約 5% 精度の KD2 Pro (Decagon Geräte, Inc.、米国) 熱特性分析装置が利用されました。 KS-1 プローブは直径 1.3 mm、長さ 60 mm で針センサーとして使用され、その動作原理は過渡熱線方式に基づいています。不確実性は 1% 未満で、ベース流体 (DW) の記録された熱伝導率は NIST データと良好な互換性を示します50。表 2 に示すように、脱イオン水 (DW) と比較して、GAMWCNT-H2O ナノ流体は熱伝導率が大幅に高く、作動流体の温度とナノ粒子の濃度によって熱伝導率が増加します。流体中のナノ粒子のブラウン運動は、GAMWCNT ナノ流体の熱伝導率の増加を支える主な要因であり、温度の上昇とともに上昇します。温度が上昇すると、流体中のナノ粒子のランダムな移動度が増加します。したがって、熱エネルギーは流体を通して非常に速く輸送されます。表 2 は、熱伝導率の最大増加が 323 K、重量濃度 0.1% で 22.83% であることを示しています。

この調査では、ナノ流体の粘度は、アントンパール社の回転レオメーター (アントンパール社、Physica MCR 301) を使用して測定されました。 20 ～ 200 1/s の範囲のせん断速度をさまざまな温度での試験に使用しました。表 2 に示すように、GAMWCNT ナノ流体の粘度は脱イオン水 (DW) の粘度よりも高くなりますが、その差は顕著ではありません。さらに、GAMWCNT の実効粘度は作動流体の温度が上昇するにつれて低下し、これは脱イオン水 (DW) の粘度とほぼ同等です。ナノ流体の粒子間の分子間力の弱体化が、この現象の原因である可能性があります51、52、53。低濃度のナノ粒子 GAMWCNT を添加すると、粘度値がわずかに増加することがわかります。これは、粘度値が高くなると、熱伝達システムのポンピング力が強化されて流体の熱伝導率が増加する影響が減少するため、有益です。

もう 1 つの重要な熱物理的特性は比熱容量です。示差走査熱量測定 (DSC-Q2000、TA Instruments) を使用して、さまざまな重量濃度および温度で生成されたナノ流体の比熱を測定しました。表 2 は、GAMWCNT ナノ流体のさまざまな重量濃度と流体温度で記録された比熱容量の値を示しています。比較のために、脱イオン水 (DW) の比熱容量の値も示します。 GAMWCNT に基づくナノ流体の比熱容量は、ナノ粒子の重量濃度が増加するにつれて減少します。ベース流体の脱イオン水と比較した場合、Cp 値の低下は 0.33 ～ 1.42% であり、これはわずかな低下にすぎません。一方、ナノ流体の温度が上昇すると、比熱容量が増加します。

さまざまな流体温度およびナノ粒子濃度での GAMWCNT ナノ流体と脱イオン水 (DW) の密度も評価しました。その結果を表 2 に示します。ナノ流体の密度は、密度計 Mettler Toledo (DM40) を使用して測定しました。液体の熱膨張により、温度が上昇するにつれて GAMWCNT ナノ流体と DW の密度が若干減少します。温度が 293 K から 323 K に上昇すると、GAMWCNT の密度は重量分率 0.1 wt% で 0.9% 減少することが観察されます。さらに、ナノ粒子の濃度と密度の間には直線的な相関関係が見られます。つまり、ナノ粒子の添加量とともに密度が増加します。

図 5 は、GAMWCNT ナノ流体の異なる質量流量と重量濃度に対する平板太陽集熱器の熱効率の変化を示しています。質量流量 (\(\dot{m)}\) の増加に対して、除熱係数 (FRUL) の低下と吸熱係数 FR (τα) の上昇が見られます。表 3 に、さまざまな流量および重量濃度における GAMWCNT の吸熱係数と除熱係数の値を示します。これらの値は脱イオン水と比較されています。 FR (τα) の値は質量流量とともに増加し、GAMWCNT ナノ流体の方が脱イオン水よりも大きいことが観察できます。 GAMWCNT ナノ流体の熱吸収値と熱伝導率の増加は、対流係数 (h) 値の向上に貢献します。その結果、各 GAMWCNT 重量分率の質量流量が 0.010 kg/s から 0.0188 kg/s に増加するにつれて、太陽熱集熱器の効率が向上することがわかりました。ベース流体の脱イオン水と比較して、0.1 wt.% GAMWCNT および 0.0188 kg/s の質量流量では、FPSC の熱効率の最大向上は 30.881% であることがわかります。さらに、ＧＡＭＷＣＮＴの重量分率が増加すると、ＬＦＰＳＣ効率の改善が達成されることが判明した。これは主に、システムがより多くのエネルギーを吸収できるためです。

さまざまな流量における \(\frac{\left({T}_{i}-{T}_{a}\right)}{{G}_{T}}\) によるコレクタ効率の変化 (a) 0.010 kg/秒、(b) 0.0144 kg/秒、(c) 0.0188 kg/秒。

図 6 は、FPSC の熱効率と低減温度パラメータの関係を示しています \(\frac{\left({T}_{i}-{T}_{a}\right)}{{G}_{T }}\) ベース流体としての蒸留水と、GAMWCNT ナノ流体の異なる重量分率での GAMWCNT ベースのナノ流体のさまざまな質量流量について。 GAMWCNT ナノ流体の FR (τα) 値がベース流体よりも大きいことが注目されます。最高値は、流量 0.0188 kg/s および 0.1% wt. で達成されました。集中。熱境界層の厚さが薄いため、熱吸収係数の値が増加すると、熱伝達率が向上します。

\(\frac{\left({{\varvec{T}}}}_{{\varvec{i}}}-{{\varvec{T}}}_{{\varvec{a}) によるコレクタ効率の変化}}\right) {{{\varvec{G}}}_{{\varvec{T}}}}\) 異なる重量濃度 (a) 0.025%、(b) 0.065%、(c) 0.1%

対流の熱係数 (h) の値は、使用する流体の熱伝導率 (K) に比例し、FPSC の熱効率を向上させます。対流係数 (h) の大幅な改善は、主に、GAMWCNT ナノ流体の熱伝導率の増加と、伝熱流体とライザー管の内壁表面の間の熱抵抗の減少によるライザー管壁での薄い熱境界層の発達に起因します。。さらに、GNP や MWCNT などの炭素ベースのナノ粒子を使用すると、熱境界層の厚さが減少します。平板型太陽熱集熱器の熱伝達係数 (h) と熱効率の向上は、蒸留水中での GAMWCNT の比表面積 (SSA) とブラウン運動にも起因すると考えられます。

表 3 に示すように、ベース流体の脱イオン水と比較して、GAMWCNT ナノ流体のエネルギー損失係数はさまざまな流量で増加します。さらに、表 3 に示すように、質量流量の増加に伴ってエネルギー吸収係数の値も増加します。脱イオン水と比較して GAMWCNT 重量分率が増加すると、質量流量 0.0188 kg/s でエネルギー吸収パラメーターが 16.99%、23.70%、28.07% 増加することが注目されます。エネルギー損失パラメータは 6.17%、6.69%、7.03% です。

平板型ソーラーコレクターの効率には多くの要因が影響しますが、重要な要因の 1 つはコレクター内の作動流体の温度勾配 (ΔT) です。熱効率は式1に示されているように出口と入口の間の温度差に直接比例するため、温度勾配によってFPSCの熱性能が向上します。 (2)。さらに、入口温度は特定のテスト実行用に固定されており、ベース流体と比較してナノ流体を利用することで出口温度の向上が達成されます。この出口温度の値の向上は、FPSC の熱効率にプラスの影響を与えます。図 7a は、一定の GT および入口温度における GAMWCNT ナノ流体のさまざまな質量流量に対する、さまざまな重量分率での出口温度の変化を示しています。特定の重量濃度では、作動流体の流量の増加に伴って出口の温度が低下することがわかります。脱イオン水と重量濃度 0.1% の GAMWCNT ナノ流体では、出口温度がそれぞれ 0.8710% と 0.9292% 低下します。一方、出口温度は、ソーラーコレクター内の GAMWCNT ナノ流体の重量濃度とともに上昇します。ベース流体と比較して、出口温度の値は、GAMWCNT ナノ流体のさまざまな濃度で高かった。ベース流体の脱イオン水の代わりに作動流体として重量濃度 0.1% の GAMWCNT ナノ流体を使用した場合、それぞれ 0.010、0.0144、0.0188 kg/s での温度上昇は 0.6774%、0.6489%、0.6183% でした。ナノ流体の重量濃度の増加により、FPSC の熱利得値と熱性能が向上しました。したがって、ベース流体の水の代わりに GAMWCNT ナノ流体を利用することにより、熱効率が大幅に向上します。作動流体の熱流束と重量濃度を一定に保つことによる、入口温度に対する出口温度の変化も調査され、結果が図7bに示されています。特定の流量で入口温度が上昇すると、出力温度が上昇することが観察されます。出口温度の上昇は、入口温度と比較して、0.010 kg/s で 4.78%、0.0144 kg/s で 4.95%、0.0188 kg/s で 5.02% でした。 GAMWCNT の Cp 値が脱イオン水 (ベース流体) よりも低いにもかかわらず、出口温度の上昇により、脱イオン水と比較して GAMWCNT ナノ流体を使用した場合の温度差がより大きくなり、太陽電池の熱性能が向上します。コレクター55,56。

出口温度と (a) 作動流体のさまざまな質量流量に対する重量濃度、(b) 作動流体の入口温度。

エントロピー生成 (Sgen) とエクセルギー破壊 (Edest) の値は、熱伝達システムのエクセルギー効率に大きく影響します。 Eest と Sgen を最小限に抑えると、これらのシステムのエネルギーパフォーマンスが向上します。熱流束 (GT) と入口温度を一定に保つことによる、0.010、0.0144、0.0188 kg/s の Edest 値と Sgen 値の変化を図 8 に示します。結果によれば、エントロピー値が増加しました。作動流体の同じ重量分率の質量流量が 0.010 kg/s から 0.0188 kg/s に増加すると、生成 (Sgen) とエクセルギー破壊 (Edest) が増加します。 Edest と Sgen の値のこの増加は、質量流量が増加し、熱伝達流体の出口温度が急速に低下するにつれて熱利得が増加したためです。一方、一定の質量流量で GAMWCNT 重量分率が増加すると、摩擦係数 (Fr) の増加を犠牲にして、熱利得係数と出口温度の値が増加しました。その結果、エクセルギー破壊とエントロピー生成の値が減少します。優れた熱吸収能力により、0.1% GAMWCNT ナノ流体は最低値のエクセルギー破壊とエントロピー生成をもたらします。

ベース流体と GAMWCNT ナノ流体のエントロピー生成とエクセルギー破壊。

図 9 は、0.010、0.0144、0.0188 kg/s の質量流量における GAMWCNT ベースのナノ流体のエクセルギー効率 (ηe) の変化を示しています。所定の重量分率では、流量が増加するにつれてエクセルギー効率が低下することがわかっています。 Sgen の値の増加がこの主な原因です。さらに、エクセルギー効率は、一定の質量流量で作動流体の濃度が増加すると瞬時に増加します。ベース流体と比較して、GAMWCNT の重量濃度が高いほど、より大きなエクセルギー効率値が実証されました。０．０１８８ｋｇ／秒の０．０２５、０．０６５および０．１％のＧＡＭＷＣＮＴ濃度では、ベース流体と比較して、エクセルギー効率の改善はそれぞれ２．５７％、４．１８％および５．５３％である。エクセルギー効率の増加は、質量流量 0.0144 kg/s で 2.38%、3.45%、4.16%、重量濃度 0.025%、0.065%、0.10% の場合、0.010 kg/s でそれぞれ 1.62%、2.42%、2.91% です。

ベース流体と GAMWCNT ナノ流体のエクセルギー効率と質量流量の関係。

摩擦係数とポンピングパワーの値が増加すると、太陽熱システムの熱性能に悪影響を及ぼすため、これらのパラメータの値は最小限にする必要があります。図 10a は、Petukhov および Blasius の経験モデルから計算された理論上の摩擦係数と、固定入口温度、熱流束、およびさまざまなレイノルド数 (Re) でのベース流体の脱イオン水の実験から決定された摩擦係数を示しています。多少の差異を含めて、これら 2 種類の摩擦係数 (理論的および実験的) の値の間には公正な一致が見られます。実験による摩擦値 (f) と Blasius モデル間の不一致は 7.23% であるのに対し、観測された摩擦値と Petukhov モデル間の差は 8.26% であることがわかります。

(a) 異なるレイノルズ数に対するベース流体 (DI 水) の実験、ブラジウスおよびペトゥコフの摩擦値。 (b) さまざまなレイノルズ数における GAMWCNT ナノ流体と脱イオン水の摩擦係数値。

さまざまなレイノルズ数での GAMWCNT ナノ流体の摩擦係数値の変化を図 10b に示します。さまざまなナノ流体濃度に対して得られた値がベース流体と比較されます。レイノルズ数の増加とともに摩擦係数の値が減少することが観察されます。これは、レイノルズ数が増加すると密度勾配が減少し、摩擦抵抗の大きさが減少するためです。一方、GAMWCNT の濃度が上昇すると、脱イオン水と比較して摩擦値がわずかに増加します。 GAMWCNT がベース流体に分散すると、ナノ流体の粘度が増加し、圧力降下が発生し、最終的には摩擦係数が発生します。ベース流体と比較すると、GAMWCNT の重量分率が 0.025、0.65、および 0.1% の場合、摩擦係数 (f) の最大上昇は 2.29、3.66、および 8.63% です。 GAMWCNT の重量濃度が増加すると、粘度および作動流体速度が大きくなると摩擦せん断力が誘発されるため、圧力降下とポンピング力が促進されます。

GAMWCNTとベース流体（DW）の相対ポンピングパワーを図11に示します。ナノ粒子の重量濃度が増加するにつれて、相対ポンピングパワーがわずかに増加することが観察されます。ただし、GAMWCNT ナノ流体とベース流体の脱イオン水のポンピング能力は非常に近いです。

さまざまな重量濃度での相対ポンピングパワー。

性能指数 (PI) は、平板太陽熱集熱器などの熱伝達システムにおける GAMWCNT-H2O ナノ流体の有効性を評価するための重要なパラメーターです。太陽光集熱器で使用されるナノ流体は、1 より大きい性能指数値を持っている必要があることを覚えておくことが重要です。そうしないと、潜在的な利点が無効になり、この特定のナノ流体は許容可能な作動流体ではありません 32,46。図 12 は、さまざまな流量における性能指数の値を示しています。平板コレクターの効率の上昇が圧力降下値の増加を上回るため、GAMWCNT のすべての重量濃度について、2 つ以上の性能指数パラメータが見られることが観察されます。さらに、PI の値は GAMWCNT の重量濃度の増加とともに増加します。したがって、性能指数と効率が向上した高濃度の GAMWCNT ナノ流体は、FPSC における実行可能な代替作動流体となり得ます。

GAMWCNT のさまざまな重量濃度に対するさまざまな質量流量における性能指数。

この研究の主な目的は、熱伝達流体として GAMWCNT ナノ流体を使用した FPSC の開発においてどれだけのエネルギーと材料が節約できるかを評価することです。図 13 は、平板コレクター内の GAMWCNT ナノ流体の異なる重量濃度での可能なサイズ縮小を示しています。ＧＡＭＷＣＮＴナノ流体の一定濃度での流量の増加に伴い、コレクタのサイズ縮小が促進されることが判明した。さらに、一定の流量では、GAMWCNT 濃度が増加すると、平板型ソーラーコレクターのサイズを縮小できる可能性が高まりました。 FPSC を 0.0188 kg/s および 0.1% GAMWCNT ナノ流体濃度で動作させた場合、熱伝達流体として水を使用した FPSC と比較して、27.59% という最高のサイズ縮小が達成されたことが記録されています。したがって、GAMWCNT ナノ流体を使用した FPSC は、水を使用した FPSC よりもコスト効率が高くなります。

GAMWCNT ナノ流体の異なる重量濃度での FPSC のサイズ縮小。

製品またはオブジェクトを構築するために必要なすべてのエネルギーの計算は、具体化されたエネルギーとして知られています。産業技術の継続的な進歩は、体内エネルギーの減少によるものです。さまざまな研究により、ナノ流体を使用すると、水を使用する場合と比較してエネルギー生産コストが削減されることが実証されています。ナノ流体を使用すると、より多くの有用なエネルギーが生成されるため、コレクタのエネルギー生成コストが削減され、その熱性能が向上します57、58、59。経済分析は、平板型太陽熱集熱器に蓄積されたエネルギーの評価に大きく依存しています。平板コレクターの経済的影響の効果的な評価は、ライフサイクル評価アプローチを使用して行われました34、47、60、61。 EE の 70% 以上が FPSC の建設に由来するため、採用された方法論では FPSC の建設および運用段階での体内エネルギー (EE) のみが考慮されています62,63。本研究では、質量と内部エネルギーが平板コレクタのサイズの縮小にどのような影響を与えるかを検討します。 GAMWCNT ナノ流体とベース流体のさまざまな濃度での経済性と体内エネルギーの分析を表 4 に示します。ガラスと銅が太陽熱集熱器の 2 つの主要コンポーネントです。ガラスと銅の体現エネルギー指数は、それぞれ 15.9 MJ/kg と 70.6 MJ/kg です 64,65。本分析では、FPSC のサイズ縮小を質量および内包エネルギーの関数として考慮しています。ベース流体の水の代わりに GAMWCNT ナノ流体を使用すると、FPSC のサイズが小さくなり、321.72 MJ のエネルギーが節約されることがわかりました。

さらに、平板コレクタの面積が減少するため、電力需要が減少し、システムの運用コストが削減されます。 GAMWCNT ナノ流体を 0.1 wt.% 使用した FPSC の投資回収期間は 1.897 年で、これは熱伝達流体として水を使用した場合より 6.228% 短くなりました。したがって、伝熱流体として GAMWCNT ナノ流体を使用した FP ソーラーコレクターは、水を使用した FPSC よりも効率が高く、エネルギーを節約できると結論付けられます。

実験研究は、非腐食性、無毒で環境に優しい熱伝達流体であるグリーン合成 GAMWCNT ナノ流体が平板型太陽熱集熱器の性能に及ぼす影響を分析するために行われました。

結論の重要な点は次のとおりです。

安定性分析テストでは、ベース液中で 60 日間凝集することなく GAMWCNT の安定性が高いことが示されました。

コレクタの熱効率は、熱流束、質量流量、重量濃度の増加とともに増加しましたが、入口温度が上昇するにつれて低下が見られました。実験結果によると、エネルギー効率の最も高い改善は、ベース流体と比較して、0.0188 kg/s の 0.1% 重量濃度の GAMWCNT ナノ流体で 30.8% でした。

エクセルギー解析により、エクセルギー効率 (\({\eta }_{e})\) は GAMWCNT 重量濃度の増加とともに増加しますが、流量の増加とともに減少することが明らかになりました。最大のエクセルギー効率は、GAMWCNT 濃度 0.1%、質量流量 0.010 kg/s で達成されました。

ベース流体 (DW) と比較して、GAMWCNT ナノ流体の濃度が 0.025、0.065、および 0.1% の場合、摩擦係数の最大上昇はほぼ 2.29、3.66、および 8.63% でした。

GAMWCNT-H2O ナノ流体の各重量濃度で 1 を超える性能指数 (PI) 値が達成されました。 GAMWCNT ナノ流体濃度の上昇により、PI の値が高くなりました。 GAMWCNT ナノ流体を使用した FPSC の投資回収期間は 1.897 年で、熱伝達流体として水を使用する場合よりも 6.228% 短くなりました。したがって、伝熱流体として GAMWCNT ナノ流体を使用した FP ソーラーコレクターは、水を使用した FPSC よりも効果的であり、より多くのエネルギーを節約すると結論付けられます。

現在の研究の結果に応じて、ナノ流体に基づく FPSC に関するその後の研究では、次の特定の側面が考慮される可能性があります。

より大きな比表面積を有するナノ材料を調製するには、FPSC の優れたコロイド安定性、熱物理特性、および熱性能を確保するために、研究者は特別な注意を払う必要があります。

ナノ流体が熱伝達流体として選択されるには、コロイド懸濁液中で安定でなければなりません。準備が不十分なナノ流体は凝集して沈殿する傾向があり、流路が詰まり、熱伝導率が低下する可能性があります。したがって、FSPC やその他の熱伝達システムでの使用を成功させるには、研究者は懸濁液中でコロイドの安定性が長いナノ流体の合成に焦点を当てる必要があります。

現在の研究中に使用および分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

平板コレクターの面積(m2)

コレクタ面積の縮小（m2）

米国国立標準技術研究所

流体の熱容量(J/kg・K)

カーボンナノチューブ

多層カーボンナノチューブ

没食子酸系多層カーボンナノチューブ

没食子酸処理GNP

平板型ソーラーコレクター

透過電子顕微鏡法

没食子酸

グラフェンナノプレートレット

過酸化水素

重量パーセント/質量分率

流体の熱伝導率（W/mK）

ケルビン

チューブの長さ(m)

作動流体流量(kg/s)

紫外可視分光法

内径

熱流束(W/m2)

ベース液

ナノ流体

対流熱伝達率(W/m2・K)

レイノルズ数

実験的摩擦係数

温度、℃

二酸化チタン

酸化セリウム(IV)

酸化アルミニウム

酸化亜鉛

測温抵抗体

フーリエ変換赤外分光法

トリエタノールアミン

米国暖房冷凍空調学会

比表面積

熱流束の強さ（W/m2）

熱吸収率

熱除去係数

エクセルギー破壊

エントロピーの生成

パフォーマンスインデックス

体現されたエネルギー

チューブ壁

周囲温度(K)

入口流体温度(K)

出口流体温度(K)

周囲の温度(K)

流体密度(kg/m3)

圧力差（Pa）

エクセルギー効率

コレクタの熱効率

流体動粘度（mPa・s）

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機械工学部、ミルプール科学技術大学 (MUST)、ミルプール、10250、AJK、パキスタン

ムハマド・アマール、ナヴィード・アクラム、グラム・カダール・チョーダリー

マラヤ大学機械工学部機械工学科、50603、クアラルンプール、マレーシア

ムハマド・アマル & サリム・ネアズ・カジ

機械工学部および大学研究開発センター、チャンディーガル大学、モハリ、パンジャブ、140413、インド

マンズーアエラヒ M. サウダガー

グローカル大学技術学部機械工学科、デリー・ヤムノトリ・マーグ、サハラーンプール、247121、ウッタル・プラデーシュ州、インド

マンズーアエラヒ M. サウダガー

VLSI マイクロエレクトロニクス学科、Saveetha School of Engineering、Saveetha Institute of Medical and Technical Sciences、Chennai、602105、Tamilnadu、India

マンズーアエラヒ M. サウダガー

ブルネイ工科大学工学部石油化学工学、バンダル・スリ・ブガワン、BE1410、ブルネイ・ダルサラーム

ナビサブ・ムジャワル・ムバラク

シドニー工科大学FEIT土木環境工学部、ニューサウスウェールズ州ウルティモ、2007年、オーストラリア

MD アブルカラム

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概念化、MA; 方法論、NA、MA、および GQC。正式な分析、SNK、MA、NA。 MAGQC の調査。そしてNA。執筆 - 原案の準備、MA および NA。執筆—査読と編集、SNK、MA、NAの監修、MES、NMM、MA.Kが原稿の査読と編集を担当。すべての著者は原稿の出版版を読み、同意しました。

ムハンマド・アマルまたはナビサブ・ムジャワル・ムバラクへの通信。

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転載と許可

アマール、M.、アクラム、N.、チョーダリー、GQ 他。環境に優しい新しいナノ流体を使用した平板太陽集熱器のエネルギー、エクセルギー、経済 (3E) 解析。 Sci Rep 13、411 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-27491-w

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受信日: 2022 年 10 月 1 日

受理日: 2023 年 1 月 3 日

公開日: 2023 年 1 月 9 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27491-w

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