Hybrider Nanofluidfluss im Kühlrohr der Photovoltaik

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 8202 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Arbeit wurde die Schicht des thermoelektrischen Generators (TEG) mit herkömmlichen Schichten photovoltaisch-thermischer (PVT) Module kombiniert, um die Abwärme zu nutzen und den Wirkungsgrad zu steigern. Um die Zelltemperatur zu senken, gibt es im Boden der PVT-TEG-Einheit einen Kühlkanal. Die Art der Flüssigkeit im Kanal und die Struktur des Kanals können die Leistung des Systems verändern. Daher wurde Hybrid-Nanofluid (Mischung aus Fe3O4 und MWCNT mit Wasser) anstelle von reinem Wasser ersetzt und drei verschiedene Querschnittskonfigurationen [STR1 (kreisförmig), STR2 (raute), STR3 (elliptisch)] implementiert. Durch das Rohr wurde die inkompressible laminare Strömung von Hybrid-Nanofluiden gelöst, während in festen Plattenschichten die reine Leitungsgleichung unter Einbeziehung von Wärmequellen simuliert wurde, die aus der optischen Analyse resultierten. Simulationen zufolge hat die dritte Struktur (elliptisch) die beste Leistung und ein Anstieg der Einlassgeschwindigkeit führt zu einer Steigerung der Gesamtleistung um etwa 6,29 %. Die Werte der thermischen und elektrischen Leistung für elliptisches Design mit gleichen Anteilen an Nanopartikeln betragen 14,56 % bzw. 55,42 %. Bei bester Auslegung verbessert sich der elektrische Wirkungsgrad im Vergleich zu einem ungekühlten System um etwa 16,2 %.

Energie ist für jedes Land von großer wirtschaftlicher Bedeutung, da sie nicht nur für die Industrie von entscheidender Bedeutung ist, sondern auch für die Befriedigung der heimischen Bedürfnisse der Gesellschaft. Diese Energie kann verschiedene Formen annehmen, beispielsweise Elektrizität, Chemikalien, Wärme und andere. Traditionell wurden zur Deckung dieses Energiebedarfs fossile Brennstoffe eingesetzt, doch handelt es sich dabei um endliche Ressourcen, die nicht einfach wieder aufgefüllt werden können. Die Rate, mit der Menschen fossile Brennstoffe verbrauchen, übersteigt bei weitem die Rate, mit der sie auf natürliche Weise ersetzt werden1. Daher ist die Suche nach nachhaltigen Alternativen zu fossilen Brennstoffen für die Deckung unseres langfristigen Energiebedarfs von entscheidender Bedeutung. Nachhaltige Energie ist ein zentrales Thema, das das Potenzial hat, die gegenwärtige Situation positiv zu verändern2. Fossile Brennstoffe tragen nicht nur zur Umweltverschmutzung bei, sondern stehen auch vor der Herausforderung der Erschöpfung. Um die Umweltauswirkungen solcher Quellen zu verringern, steigt die Nachfrage nach erneuerbaren Energien, um den wachsenden Energiebedarf zu decken. Da die Kosten für Solarenergie unter die Kosten für fossile Brennstoffe sinken, sinkt tendenziell die Nachfrage nach fossilen Brennstoffen. Solarenergie kann durch verschiedene Systeme genutzt werden, einschließlich Photovoltaik-Thermalanlagen (PVT) zur Erzeugung von Wärme und Strom aus Solarenergie3. PV-Anlagen werden eingesetzt, um einfallende Strahlung in Strom umzuwandeln, und nur 20 % der gesamten Energie des Sonnenlichts können umgewandelt werden und der Rest wird verschwendet4. Allerdings können erhöhte Betriebstemperaturen zu einer Verringerung der Umwandlungsrate führen und dieser Temperaturanstieg kann zu Schäden an der strukturellen Integrität der Solarmodule führen5. Bemühungen zur Steigerung der elektrischen Leistung (ηel) von PV-Modulen umfassen die Reduzierung ihrer Betriebstemperatur, die durch den Einsatz einer thermischen Absorbereinheit erreicht werden kann. Forscher haben eine Methode namens PVT-Einheit erforscht, um die Zelltemperatur zu senken6. Das PVT-System ermöglicht die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme7,8. Elqady et al.9 untersuchten eine Forschung zur Optimierung der Abmessungen eines Kühlkörpers zur Verbesserung der Kühlleistung von Solarmodulen. Ihre Ergebnisse identifizierten einen Kanal mit optimalen Designpunkten und nutzten ihn dann in einem 3D-Modell, um die Wirksamkeit eines PVT zu bewerten. Die höchste erzielte Stromleistung betrug 17,45 %, was eine deutliche Verbesserung von fast 40 % im Vergleich zu einem typischen CPV/T-System darstellt. Raza et al.10 haben eine rechnerische Methodik zum Entwurf eines Hochleistungsverbundmaterials vorgestellt, das als Rückseite einer konzentrierten PV-Einheit (CPV) verwendet werden soll. Der vorgeschlagene Verbundstoff zeigt vielversprechendes Potenzial und führt zu einer Steigerung der elektrischen Leistung um 4,3 % und einer verbesserten Modulhaltbarkeit. Li et al.11 präsentierten einen neuartigen und vielseitigen Ansatz zur Kühlung von Photovoltaikmodulen. Sie fanden heraus, dass die Leistung von PV durch den Einsatz des vorgeschlagenen Systems um etwa 19 % steigt.

Durch laufende Forschung zu Flüssigkeitseigenschaften kann Wasser modifiziert werden, um seine Wärmeableitungsfähigkeiten für Photovoltaikzellen (PV) zu verbessern. Dies kann durch die Einarbeitung von Nanopartikeln in Wasser erreicht werden, um dessen Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen12. Nanofluid, eine Art Wärmeübertragungsmedium, das aus nanometergroßen technischen Materialien gemischt mit einer Grundflüssigkeit besteht, hat aufgrund seiner Leistung in verschiedenen Anwendungen große Aufmerksamkeit bei Forschern auf sich gezogen13. Nanoflüssigkeiten haben als vielversprechende Kühltechniken für PVT Aufmerksamkeit erregt. Forscher haben mit verschiedenen Nanoflüssigkeiten in unterschiedlichen Strukturen von PVT-Systemen experimentiert, um deren Effizienz zu optimieren und ein effektives System mit verbesserter Gesamtleistung zu etablieren14. Eine von Bassam et al.15 durchgeführte Studie untersuchte die Effizienz eines Hybrid-PVT mit Mikrorippen und Turbulator. Der gemeldete ηel-Wert des Geräts betrug 10,8 % und die maximale thermische Leistung des Geräts betrug 83,3 %. Die optimalen Betriebsbedingungen für ein PVT-System mit CuO-Nanofluid wurden von Madas et al.16 untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Erhöhung des Nanofluidanteils zu einer Steigerung der elektrischen und thermischen Leistungen um 1,11 % bzw. 3,3 % führte. Abadeh et al.17 untersuchten die wirtschaftliche Analyse des Sonnensystems anhand der Existenz verschiedener Arten von Nanoflüssigkeiten als Kühlmittel. Ihre Ergebnisse zeigten, dass die Zugabe von Nanoflüssigkeiten die Amortisationszeit deutlich verkürzte. Darüber hinaus zeigten die Ergebnisse aus ökologischer Sicht, dass die vorgeschlagene Einheit die Emissionsproduktion im Vergleich zu einer PV-Einheit um etwa 17 % verringerte. Nasrin et al.18 testeten ein Indoor-Experiment auf einer PV und verwendeten MWCNT-Wasser als Testflüssigkeit. Sie berichteten, dass der Gesamtwirkungsgrad 87,65 % erreichen kann. Khan et al.19 untersuchten das Verhalten eines PVT-Systems unter Verwendung eines Serpentinenrohrs. Ihre Studie ergab, dass PVT-Systeme, die hybride Nanofluide verwenden, im Vergleich zu Eisenoxid-Wasser eine um 10,5 % höhere thermische Leistung aufwiesen. Alktranee et al.20 führten eine Studie durch, um die Auswirkungen der Verwendung von Nanoflüssigkeit auf die Effizienz des PVT-Systems zu untersuchen. Sie verwendeten Wolframtrioxid und zeigten, dass die Zelltemperatur um etwa 21,4 % sinkt. Tembhare et al.21 berichteten über eine Übersicht über Nanomaterialien und ihre Eigenschaften für solarthermische Anwendungen. Sie analysierten verschiedene Studien zu solarthermischen Systemen, die Nanoflüssigkeiten nutzen. Die Forscher fanden heraus, dass Nanoflüssigkeiten aufgrund ihrer überlegenen Wärmeübertragungseigenschaften ein erhebliches Potenzial für Solaranwendungen bieten. Nanoflüssigkeiten mit dispergierten Nanopartikeln, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, haben die Fähigkeit, Wärme effizient zu transportieren. Du et al.22 haben einen Filter mit plasmonischen Nanoflüssigkeiten in ihr PVT-System integriert, um das gesamte Sonnenspektrum zu nutzen. Darüber hinaus verwendeten sie eine Aerogel-Verglasung und beobachteten eine Steigerung der Exergieleistung um 13,3 % im Vergleich zum Vorgängersystem.

Um die Leistung der Solarenergienutzung zu verbessern, gibt es umfangreiche Forschungen zu PVT, bei denen es sich um effiziente und kostengünstige Technologien handelt. Darüber hinaus besteht ein wachsendes Interesse an Hybridsystemen, die Photovoltaik mit thermoelektrischen Generatoren kombinieren (PV-TEG)23. Es wurden Versuche unternommen, PV- und TE-Technologien zu kombinieren. Trotz der Vorteile thermoelektrischer Generatoren (TEG) bei der Umwandlung von Abwärme in Strom. TE-Module bieten mehrere Vorteile, z. B. sind sie umweltfreundlich, einfach, leise und langlebig. Allerdings ist ihre Effizienz relativ gering. Während PV-Zellen den sichtbaren und ultravioletten Bereich der Sonnenstrahlung abdecken, können TEG-Module den Infrarotanteil nutzen, was zu einer umfassenderen Energiegewinnung aus dem gesamten Sonnenlicht führt24. Durch die Nutzung des Seebeck-Effekts ist ein thermoelektrisches Generatormodul (TEG) in der Lage, durch Ausnutzung von Temperaturunterschieden elektrischen Strom zu erzeugen. In einer PV/TEG-Hybrideinheit steigt die PV-Temperatur mit zunehmender Sonneneinstrahlung. Anschließend wandelt der TEG den Temperaturgradienten in elektrische Energie um und folgt dabei den Prinzipien des Seebeck-Impakts25,26,27. In einer von Rejeb et al.28 durchgeführten Simulation wurde ein Vergleich zwischen einem CPVT-Gerät und einem CPVT/TE-Gerät durchgeführt. Sie bewiesen, dass das CPVT/TE-System mit Nanofluid im Sommer insgesamt 11,15 % mehr elektrische Energie erzeugte als das CPVT-Gerät. Chen et al.29 untersuchten eine Kombination aus TEG, PV und solarselektivem Absorber (SSA). Ihre Produktion zeigte eine Steigerung der Energieeffizienz um 9,89 %. Lekbir et al.30 untersuchten eine CPVT-TE-Einheit, die einen Nanofluid-Kühlkanal nutzte. Die Ergebnisse zeigten, dass ηel dieser Einheit im Vergleich zu CPVT-TE mit Wasserkühlung um 8,4 % höher war. Shittu et al.31 untersuchten eine Simulationsstudie an einer PVT-TEG-Einheit mit Wärmerohr (HP). Die Ergebnisse zeigten, dass die Leistung des vorgeschlagenen Systems 1,47-mal höher war als die des Systems ohne HP. Ein Prototyp einer CPVT/TE-Einheit wurde von Indira et al.32 unter Außenbedingungen evaluiert. Sie fanden heraus, dass die höchste elektrische Leistung von 4,86 ​​% erreicht wurde.

Einer früheren Studie zufolge kann der Wechsel der Schichten von PV-Modulen und der Einsatz von Kühlsystemen die Effizienz verändern. Einige Forscher schlugen vor, TEG zu nutzen, um die Abwärme zu nutzen, die aus Wellenlängen des Sonnenlichts entsteht, die über eine Siliziumschicht nicht in Elektrizität umgewandelt werden können. In der aktuellen Arbeit wurde ein PV-Modul mit einer TEG-Schicht verbunden und Kühlkanäle mit verschiedenen Konfigurationen zur Steuerung der Zellentemperatur eingesetzt. Die Hybridnanopartikel (Fe3O4 – MWCNT) wurden in Wasser dispergiert. Die Einflüsse des Fraktionsverhältnisses der Komponenten des Hybrid-Nanofluids sowie der Einlassgeschwindigkeit des Testfluids wurden mittels numerischer Modellierung untersucht. Um das beste Design zu finden, wurden drei Geometrien für Kühlkanäle berücksichtigt. Außerdem wurde der Einfluss der Menge der Sonneneinstrahlung analysiert. Die maßgeblichen Gleichungen und verwendeten Annahmen wurden im Abschnitt „Die Beschreibung des PVT-TEG-Systems und der maßgeblichen Gleichungen“ zusammengefasst. Die Ergebnisse der Simulationen wurden im Abschnitt „Ergebnisse und Diskussion“ klassifiziert, um den Fall mit der besten Leistung zu finden. Der Abschlussabschnitt wurde als letzter Teil dieses Artikels vorgestellt.

Das polykristalline Siliziumpanel mit 72 Zellen und einer kritischen Temperatur von 85 °C wurde in dieser Studie ausgewählt und die zugehörigen Daten für Abmessungen und Eigenschaften der Schichten sind die gleichen wie in Ref. 18. In Abb. 1 sind verschiedene Schichten dargestellt und es ist zu erkennen, dass sich über der Absorberschicht eine TEG-Schicht befindet. Die Dicke jeder Schicht und ihre Eigenschaften sind in der ersten Abbildung angegeben. Durch das Hinzufügen einer TEG-Schicht erhöht sich die Leistung des Systems. Zur Vorbereitung der Kühlausrüstung wurde der Kühlkanal im Boden des Absorbers angebracht. Wie in Abb. 2 erwähnt, wurden drei Konfigurationen (STR1 (kreisförmig), STR2 (raute) und STR3 (elliptisch)) implementiert.

(a) PVT kombiniert mit TEG und (b) geometrische und thermophysikalische Spezifikationen der Festkörperbereiche.

Die vorgeschlagenen Strukturen für den Querschnitt des Kühlkanals.

Hybride Nanoflüssigkeiten erfreuen sich aufgrund ihres Potenzials zur Steigerung der Nutzwärme zunehmender Beliebtheit. Im Gegensatz zu Mono-Nanofluiden können Hybrid-Nanofluide zu einer besseren Wärmeleitfähigkeit, Viskosität und Stabilität führen. Darüber hinaus bieten hybride Nanofluide eine größere Designflexibilität und können an spezifische Anwendungsanforderungen angepasst werden. Daher wurde in aktuellen Arbeiten die Verwendung hybrider Nanofluide eingesetzt (siehe Abb. 3). Bei den Hybrid-Nanopartikeln handelt es sich um eine Mischung aus Fe3O4-SWCNT und Wasser als Basisflüssigkeit. Die Eigenschaften der Komponenten und Formeln zur Berechnung der Hybrid-Nanofluid-Merkmale sind in Abb. 3 dargestellt und finden weitere Erläuterungen in Ref. 33.

(a) Thermophysikalische Spezifikationen des H2O und der Nanopulver und (b) die maßgeblichen Gleichungen für die thermophysikalischen Eigenschaften des Fe3O4-SWCNT/Wasser-Hybrid-Nanofluids.

Es wurden dreidimensionale Simulationen angewendet, symmetrische Bedingungen genutzt und ein Kanal simuliert, um den Rechenaufwand zu senken. Der Fluss des Hybrid-Nanofluids muss anhand der folgenden Gleichungen34 simuliert werden:

Zur Simulation der verschiedenen Schichten, die in Abb. 1 dargestellt sind, sollte die folgende Gleichung gelöst werden34:

Der Index (R) bezeichnet den Namen der Ebenen. Der zweite Term kann wie folgt berechnet werden35,36:

Die thermische Leistung des Geräts kann gemäß der folgenden Formel37 erreicht werden:

Zur Berechnung der elektrischen PV-Leistung (ηPV) muss die folgende Gleichung verwendet werden37:

Um den Energieverbrauch der Pumpe zu berechnen, kann die folgende Gleichung verwendet werden38:

Die TEG-Schicht kann einen Teil der Abwärme in Strom umwandeln; Die Effizienz von TEG kann wie folgt berechnet werden39:

Um das System im Hinblick auf die elektrische Gesamteffizienz zu bewerten, kann die folgende Gleichung angewendet werden38,39:

In dieser numerischen Studie wurde ANSYS FLUENT 18.2 zur Simulation des PVT-TE-Systems verwendet. Als Methode zur Druck-Geschwindigkeits-Kopplung wurde die SIMPLE-Methode gewählt. Die räumliche Diskretisierung des Gradienten wurde mithilfe der auf Zellen basierenden Methode der kleinsten Quadrate erreicht. Zur Lösung der Druckgleichung wurde die Methode 2. Ordnung gewählt. Die Restbeträge der Kontinuität erreichten 10−5 und die Restbeträge der Energiegleichung erreichten 10−6.

Die Kombination aus PVT-Einheit, TEG-Schicht und Hybrid-Nanofluidkühlung im unteren Kühlkanal bietet verschiedene Vorteile. Erstens kann eine solche Einheit sowohl Wärme als auch Strom liefern und gleichzeitig Abwärme über TEG in zusätzlichen Strom umwandeln, was zu einer höheren Effizienz und Energieausbeute führt. Zweitens verbessert die Integration der Hybrid-Nanofluidkühlung in den unteren Kühlkanal das Wärmemanagement, leitet die Wärme effektiv ab und reduziert die thermische Belastung des Systems. Dies führt zu einer verbesserten Systemzuverlässigkeit und Lebensdauer. Darüber hinaus verbessert die Nanofluidkühlung die Wärmeübertragungskoeffizienten und sorgt für weitere Effizienzsteigerungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kombination von PVT, TEG und Nanofluidkühlung die Energieeffizienz, das Wärmemanagement und die Systemzuverlässigkeit erheblich verbessert. Das Arbeitsmedium besteht aus H2O und einer Kombination aus Fe3O4 und MWCNT als Hybrid-Nanopulver. Die Geometrie des Kanals am Boden einer PV-Anlage ist für eine effektive Kühlung und Wärmeableitung von entscheidender Bedeutung. Eine richtig gestaltete Kanalgeometrie kann den Fluss der Kühlflüssigkeit verbessern und die Wärmeübertragung verbessern, was zu niedrigeren Betriebstemperaturen und einer besseren Systemleistung führt. Die Form und Größe des Kanals kann sich auch auf den Druckabfall und die Durchflussrate auswirken, die entscheidende Faktoren für die Aufrechterhaltung der optimalen Leistung des Systems sind. Darüber hinaus kann die Form des Kanals die Verteilung der Flüssigkeit beeinflussen, was letztendlich die Kühlleistung des Systems bestimmt. Daher ist die richtige Berücksichtigung der Kanalgeometrie am Boden einer PV-Anlage von entscheidender Bedeutung, um einen effizienten Betrieb sicherzustellen und die Lebensdauer der Anlage zu maximieren. Aufgrund dieser Tatsache wurden in der vorliegenden Arbeit drei verschiedene Geometrien für Kühlkanäle unter Berücksichtigung des gleichen hydraulischen Durchmessers vorgeschlagen (STR1 (kreisförmig), STR2 (rautenförmig), STR3 (elliptisch)). Die Einflüsse verschiedener Fraktionen von Komponenten des Hybrid-Nanofluids und der Einlassgeschwindigkeit (Vin = 0,065 bis 0,17 m/s) wurden untersucht.

Das Erreichen der Netzunabhängigkeit ist ein entscheidender Schritt bei numerischen Simulationen, da es präzise und zuverlässige Ergebnisse gewährleistet. Der Prozess beinhaltet die Änderung der Netzdichte, um die für die Genauigkeit erforderliche Mindestauflösung zu bestimmen. Die Genauigkeit der Simulationsausgabe wird stark von der Netzdichte beeinflusst, und die Verwendung eines zu groben oder feinen Netzes kann zu unzuverlässigen Ergebnissen führen. Daher ist die Erlangung der Netzunabhängigkeit für die Erstellung präziser Simulationen von entscheidender Bedeutung. Dies hilft Ingenieuren, fundierte Entwurfsentscheidungen zu treffen, die Systemleistung zu verbessern und die Zuverlässigkeit sicherzustellen. Ein strukturiertes Gitter ist ein Maschensystem, bei dem die Zellen in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind und anhand ihrer Indizes identifiziert werden können. Es bietet Vorteile wie eine bessere Genauigkeit und Stabilität bei numerischen Simulationen, schnellere Konvergenzraten und eine einfache Implementierung für strukturierte Geometrien. Daher wurde in der vorliegenden Modellierung ein strukturiertes Netz angewendet, wie in Abb. 4 dargestellt. Bei der Auswahl der optimalen Anzahl von Gitterzellen wurden zwei Kriterien berücksichtigt: Tout und TPV. Fünf verschiedene Rasterauflösungen wurden bewertet und das Raster mit 3,3 Millionen Zellen wurde als beste Option für die erste Geometrie ermittelt (siehe Abb. 5).

Das strukturierte Netz für das aktuelle System.

Netzunabhängigkeitsstudie für STR1-Berichte (a) Tout, (b) TPV.

Die Validierung ist ein entscheidender Schritt in der numerischen Simulation, da sie eine genaue Darstellung des analysierten Systems gewährleistet. Numerische Modelle sind Vereinfachungen komplexer physikalischer Systeme mit inhärenten Annahmen und Einschränkungen. Daher ist eine Validierung unerlässlich, um sicherzustellen, dass die Simulation die wesentliche physikalische Behandlung der Einheit genau erfasst. Der Code wurde anhand von Daten von Khanjari et al.40 verifiziert, die den Einfluss von Nanoflüssigkeit und reinem Wasser auf Solarmodule untersuchten und ein Kupferrohr verwendeten. Beim Vergleich der Absorbertemperaturen zeigten die Ergebnisse eine gute Übereinstimmung (siehe Abb. 6a). Zur weiteren Validierung der Simulation wurde die empirische Studie von Nahar et al.41 herangezogen. In ihrer Studie untersuchten die Autoren die Leistung eines PV-Moduls aus polykristallinem Silizium im Freien. Die Validierung basierte auf Tout, das einen Fehleranteil von weniger als 6,6 % aufwies (siehe Abb. 6b). Der dritte Validierungsschritt umfasste den Vergleich des hx-Werts mit dem Experiment von Kim et al.42, bei dem ein Rohr mit einer Länge von 2 m und einem Durchmesser von 4,57 mm verwendet wurde. Der Vergleich ergab einen Fehleranteil von weniger als 3 % für den gesamten Datensatz (siehe Abb. 6c). Diese drei Validierungsschritte bestätigen, dass der gewählte Ansatz für die Modellierung der aktuellen Arbeit einigermaßen genau ist.

Vergleich der erhaltenen Ergebnisse mit denen der Arbeit von (a) Khanjari et al.40 für Ag-Wasser, (b) Nahar et al.41 und (c) Kim et al.42.

Die Effizienz einer PV-Einheit, die mit Nanoflüssigkeit an einem Rohr befestigt ist, kann durch das Design des Rohrs beeinflusst werden. Die Geometrie des Querschnitts kann Einfluss auf die Durchflussrate und -verteilung haben, was Auswirkungen auf die Effizienz des Systems hat. Wenn der hydraulische Durchmesser festgelegt ist, kann eine Änderung der Querschnittsform das Strömungsregime verändern und die thermische Leistung verbessern. Der Einsatz von Hybrid-Nanofluiden kann die Wärmeübertragungsleistung des Systems durch Erhöhung von knf weiter verbessern. Daher kann die Optimierung der Querschnittsform des Rohrs, das mit Nanofluid an ein PV-System angeschlossen ist, zu erheblichen Leistungsverbesserungen führen und die Effizienz und Zuverlässigkeit des Systems verbessern. Die Abmessungen von drei untersuchten Geometrien für Kühlkanalquerschnitte sind in Abb. 2 aufgeführt. Um die gleiche Reynolds-Zahl zu erreichen, betragen die hydraulischen Durchmesser (DH) aller Geometrien 0,0077 m. Der Bereich von Re für eine Einlassgeschwindigkeit von 0,065 bis 0,17 m/s liegt zwischen 498,1 und 1302,74, was bedeutet, dass die Annahme einer laminaren Strömung eine vernünftige Näherung darstellt. Der kreisförmige Querschnitt führt zu einer gleichmäßigen Strömungsverteilung, während zwei andere Querschnitte eine ungleichmäßige Strömung erzeugen, was die Wärmeübertragungsraten verbessern kann. Der Querschnitt bei Z = 0,992 m wurde für verschiedene Geometrien dargestellt, um die Geschwindigkeit und Temperatur des Hybrid-Nanofluids zu zeigen (siehe Abb. 7 und 8). Die Geschwindigkeit von SRT 2 ist größer als bei anderen Geometrien, während die maximale Temperatur von STR3 am niedrigsten ist. Die Temperaturverteilung über die Siliziumschicht spielt eine wichtige Rolle für die Lebensdauer des Panels und entsprechende Konturen für verschiedene Geometrien sind in Abb. 9 dargestellt. Anhand der Werte der maximalen Zelltemperatur kann der Minimalwert ermittelt werden, wenn STR3 erreicht wurde ausgewählt. Bei der dritten Struktur ist die Gleichmäßigkeit der Konturen im Vergleich zu STR1 bzw. STR2 um etwa 8,9 % bzw. 3,92 % verbessert.

Die Geschwindigkeitskontur bei Z = 0,992 m.

Die Temperaturkontur bei Z = 0,992 m.

Die Kontur der PV-Temperatur in drei Strukturen.

Die Auswahl der besten Kanalgeometrie kann zu einer höheren Effizienz führen. Dies liegt daran, dass die Geometrie des Kanals den Flüssigkeitsfluss beeinflusst, was wiederum Auswirkungen auf die Effizienz hat. Durch die Wahl der besten Geometrie kann die Flüssigkeit gleichmäßiger fließen und die Zelltemperatur sinken. Dies führt zu einer verbesserten elektrischen und thermischen Leistung und ermöglicht eine höhere Energieausbeute des PVT-Systems. Unter den untersuchten Geometrien weist die dritte Struktur die beste Leistung auf (siehe Abb. 10). Bei Vin = 0,065 m/s erhöhen sich ηel und ηth beim Wechsel von STR1 zu STR3 um etwa 1,39 % bzw. 4,83 %. Außerdem erhöhen sich ηel und ηth für das gleiche Re und die Strukturänderung von 2 zu 3 um etwa 0,86 % bzw. 5,03 %. Die Summe dieser beiden Funktionen, die als Gesamteffizienz bezeichnet werden kann, verbessert sich um etwa 6,83 % bzw. 4,08 %, wenn STR3 anstelle von STR1 bzw. STR2 ersetzt wird. Die Steigerung des Gesamtwirkungsgrads beim Wechsel von STR1 zu STR3 verringert sich um etwa 31,36 %, wenn die Einlassgeschwindigkeit auf bis zu 0,17 m/s ansteigt.

(a) ηel und (b) ηth in gewünschten Strukturen für den HTT.

Der Einfluss der Nanofluid-Einlassgeschwindigkeit auf die Leistung des PVT-Systems kann durch physikalische Mechanismen erklärt werden. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit führt zu einem größeren Konvektionsströmungskoeffizienten, was die Paneltemperatur senkt und die Nutzwärme erhöht. Dies führt zu einem höheren thermischen und elektrischen Wirkungsgrad. Höhere Geschwindigkeiten verbessern auch die Mischung und Verteilung des Hybrid-Nanofluids im Kanal, was die Effizienz weiter verbessert. Allerdings kann eine zu hohe Geschwindigkeit den Druckabfall und die Pumpleistung erhöhen, was zu einer verringerten Leistung führt. Dieser Effekt wurde bei der Berechnung von ηel berücksichtigt. Das hydrothermale Verhalten von Hybrid-Nanofluiden wurde in den Abbildungen dargestellt. 11 und 12. Die maximale Geschwindigkeit des Hybrid-Nanofluids bei Z = 0,992 m erhöht sich um den etwa 2,66-fachen Wert, während die Temperatur des Hybrid-Nanofluids abnimmt. Wie in Abb. 13 gezeigt, sinkt die Temperatur der Siliziumschicht mit dem Wachstum von Vin und die Gleichmäßigkeit nimmt um etwa 21,1 % zu. Um den Einfluss von Vin auf die Leistung zu zeigen, wurde Abb. 14 demonstriert. Bei einer Änderung von Vin von 0,065 auf 0,1 bzw. 0,135 m/s erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad um etwa 3,34 % bzw. 5,14 %. Wenn die Geschwindigkeit von 0,065 auf die maximale Größe (0,17 m/s) ansteigt, erhöhen sich ηel und ηth um etwa 1,43 % bzw. 7,65 %. Die Maximalwerte von ηel und ηth betragen 14,54 % und 55,06 %, wenn φ1 = φ2 = 0,024 und Vin = 0,17 m/s.

Die Kontur der Fluidgeschwindigkeit bei Z = 0,992 m.

Die Wirksamkeit von Vin auf die Flüssigkeitstemperatur bei Z = 0,992 m.

Die Wirksamkeit von Vin auf TPV.

(a) ηel und (b) ηth bei verschiedenen Fluideintrittsgeschwindigkeiten.

Die Leistung der Einheit wird durch das Anteilsverhältnis der beiden Komponenten der Hybridnanopartikel, Fe3O4 und MWCNT, im Wasser beeinflusst. Das Fraktionsverhältnis kann die Eigenschaften des Hybrid-Nanofluids verändern, was sich wiederum auf die Effizienz der PVT-TEG-Einheit auswirkt. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, das beste Anteilsverhältnis der Hybrid-Nanopartikel im Nanofluid zu erforschen und zu finden, um die beste Leistung der PVT-Einheit zu erzielen. Wie in Tabelle 1 dargestellt, wurden drei Bedingungen [N1 (φ1 = φ2 = 0,024), N2 (φ1 = 0,012, φ2 = 0,036), N3 (φ1 = 0,036, φ2 = 0,012)] getestet und der Gesamtanteil für alle Fälle beträgt 0,048, um die Einschränkung des Einphasenansatzes zu erfüllen. Diese drei Fälle wurden mit dem Fall von reinem Wasser verglichen und die Ergebnisse sind in Abb. 15 dargestellt. Bei Vin = 0,17 und einer Änderung des Fraktionsverhältnisses von N3 zu N2 wachsen die Mengen von ηel und ηth um etwa 70,57 % und 73,87 %. jeweils. Bei Vin = 0,065 führt die Zugabe von Hybrid-Nanopartikeln mit Anteilen von N1, N2 und N3 zu Wasser zu einer Steigerung der Gesamteffizienz um etwa 2,78 %, 3,39 % bzw. 2,01 %. Unter den verschiedenen Fällen hat N2 die größten Werte von ηel und ηth für die Bedingung Vin = 0,17, diese Werte betragen 14,56 % bzw. 55,42 %. Mit dem Wachstum von Vin für N2 erhöht sich die Gesamtleistung um etwa 6,26 %. Die Verbesserung der Gesamteffizienz durch Zugabe von Hybridnanopartikeln (N2) ist bei Vin = 0,065 etwa 13,88 % größer als bei Vin = 0,17 m/s.

(a) ηel und (b) ηth für Wasser und verschiedene Volumenkonzentrationen des Fe3O4-SWCNT/Wasser-Hybrid-Nanofluids.

Die Menge der Sonneneinstrahlung („I“) kann die Gesamtleistung eines PVT-TEG-Systems erhöhen und verbessern. Durch die Verwendung größerer Werte von „I“ wird die Ausgangsleistung erhöht, aber die Bedeutung besserer Kühltechniken wird deutlicher. Um den Einfluss von „I“ auf die Leistung des Systems zu verdeutlichen, wurden drei Stufen dieses Faktors angewendet und die zugehörigen Leistungen in Abb. 16 dargestellt. Mit einer Erhöhung von „I“ von 700 auf 900 W/m2 verringert sich ηel etwa 0,18 %, während ηth etwa 7,79 % beträgt. Der Wert von ηth erhöht sich von 51,07 % auf 55,06 %, wenn die Sonneneinstrahlung von 700 auf 900 W/m2 steigt. Obwohl die TEG-Leistung mit der Zunahme von „I“ um etwa 40,17 % zunimmt, nimmt der elektrische Gesamtwirkungsgrad aufgrund der verringerten PV-Leistung aufgrund der Erhöhung der Siliziumschichttemperatur ab.

(a) ηel und (b) ηth auf drei Ebenen der Sonneneinstrahlung.

Um die Verbesserung von ηel zu vergleichen, wurden die Leistungen für verschiedene Strukturen der Querschnitte mit dem ungekühlten Modul verglichen. Abbildung 17 zeigt die zugehörigen Ergebnisse, um den vielversprechenden Einfluss des Einsatzes von Kühlsystemen zu verdeutlichen. Die Konzentration des Hybrid-Nanofluids für diese Ausgänge beträgt φ1 = φ2 = 0,024. Die Verstärkung von ηel für STR1, STR2 und STR3 beträgt 14,82 %, 15,22 % bzw. 16,2 %. Dieses Ergebnis zeigt, dass die dritte Geometrie den größten vielversprechenden Effekt von ηel hat.

Die Verbesserung von ηel im Vergleich zu einem ungekühlten PV-Modul.

Die früheren Studien berichteten über die Verbesserungsrate für beide Funktionen von ηel und ηth im Vergleich zu ihrem Basisfall. Diese prozentualen Verbesserungen können mit der aktuellen Verbesserungsrate verglichen werden. Daher wurde Abb. 18 erstellt, um den Vergleich der Leistungssteigerung mit früheren Arbeiten (Yu et al.43, Fayaz et al.44, Nasrin et al.18) zu zeigen. Die Inkremente von ηel für Werke von 43,44 und 18 betragen 0,97 %, 0,6 % und 0,14 %. Für die aktuelle Arbeit erhöht sich ηel im Vergleich zum Basisfall (STR1) um etwa 1,2 %. Darüber hinaus beträgt die Erhöhung von ηth für Werke von 43, 44 und 18 3,02 %, 5,13 % bzw. 3,67 %. Der Anstieg von ηth für die aktuelle Arbeit beträgt etwa 6,31 % und ist damit größer als bei anderen zuvor genannten Studien.

Die Verbesserung von ηel und ηth im Vergleich zu den jüngsten Veröffentlichungen.

Um die Leistung von PVT-Einheiten zu steigern, wurden im aktuellen Artikel Kühlrohre mit verschiedenen Konfigurationen unter die Lupe genommen. Um die Abkühlgeschwindigkeit zu erhöhen, wurde die Grundflüssigkeit mit Hybrid-Nanopartikeln gemischt und der Einfluss verschiedener Fraktionsverhältnisse verglichen. Um die Abwärme zu nutzen, wurde die TEG-Schicht mit anderen PV-Schichten kombiniert, was zu einer Steigerung der elektrischen Leistung führte. Die negativen Auswirkungen der Pumpleistung wurden bei der Messung der elektrischen Gesamtleistung berücksichtigt. Drei verschiedene Geometrien (STR1 (kreisförmig), STR2 (rautenförmig), STR3 (elliptisch)) wurden getestet, um das beste Design zu finden. Alle Geometrien haben die gleiche Einlass-Reynolds-Zahl und es wurde eine laminare Strömung durch das Rohr berücksichtigt. Durch die Verbesserung der Abkühlgeschwindigkeit und der Temperaturgleichmäßigkeit durch die Beladung mit Nanopartikeln und die Auswahl des besten Designs verringert sich die thermische Belastung des Panels, was zu einer längeren Lebensdauer führt. Die Auswirkungen der Einlassgeschwindigkeit (Vin = 0,065 bis 0,17) und verschiedener Anteile von Fe3O4 und MWCNT wurden untersucht. Die optischen Merkmale wurden in die Modellierung einbezogen, indem die Wärmeerzeugungsterme für Schichten einbezogen wurden. Aufgrund des vernachlässigbaren Werts der Wärmequelle in den Schichten an der Unterseite des zweiten EVA wurde für sie der reine Leitungsmodus ohne Wärmequelle in Betracht gezogen. Die Eigenschaften neuer Arbeitsflüssigkeiten wurden nach dem Einphasenansatz abgeschätzt. Um die Stabilität in numerischen Simulationen zu erhöhen, wurde ein strukturiertes Gitter für alle Geometrien angewendet und eine Technik der Gitterunabhängigkeit vorgestellt. Die beste Zellenzahl für STR1 beträgt 3,3 Millionen. Aufgrund der Vereinfachungen und Annahmen der Simulation ist es wichtig, einen Validierungsschritt darzustellen. Im Ergebnisteil wurden drei Schritte als Validierungsverfahren vorgestellt. Es wurden nicht nur frühere numerische Veröffentlichungen, sondern auch experimentelle Daten ausgewertet und eine gute Genauigkeit erreicht. Die Rolle der Geometrie des Kühlkanals wurde untersucht und die damit verbundenen Ergebnisse anhand von Konturen und Balkendiagrammen dargestellt. Aufgrund der Änderung der Strömungsart für verschiedene Geometrien hat sich die Kühlrate geändert und die Leistung des Systems kann durch Auswahl des besten Designs verbessert werden. Die Gleichmäßigkeit der Siliziumschichttemperatur verbessert sich um etwa 8,9 % bzw. 3,92 %, wenn STR3 anstelle von STR1 und STR2 ersetzt wird. Bei Vin = 0,065 erhöhen sich ηel und ηth bei sich ändernder Struktur vom ersten zum dritten um etwa 1,39 % bzw. 4,83 %. Der Gesamtwirkungsgrad erhöht sich um etwa 6,83 % bzw. 4,08 %, wenn STR3 anstelle von STR1 bzw. STR2 ersetzt wird. Die Geschwindigkeit der Flüssigkeit kann die Leistung des Systems steigern, da die Temperatur der Siliziumschicht mit dem Wachstum von Vin sinken kann. Die Gleichmäßigkeit der Temperatur der Siliziumschicht kann um etwa 21,1 % verbessert werden. Wenn Vin von 0,065 auf 0,17 m/s ansteigt, erhöhen sich ηel und ηth um etwa 1,43 % bzw. 7,65 %. Die größten Werte für ηel und ηth betragen 14,54 % und 55,06 %, wenn φ1 = φ2 = 0,024 und Vin = 0,17 m/s. Um den Einfluss des Fraktionsverhältnisses der Komponenten von Hybridnanopartikeln zu zeigen, wurden drei Fälle mit dem Fall von Wasser verglichen und die Ergebnisse zeigten, dass der Fall N2 (φ1 = 0,012, φ2 = 0,036) die beste Leistung aufweist. Bei Vin = 0,17 erreichten die Werte von ηel und ηth für N2 14,56 % bzw. 55,42 %. Bei Vin = 0,065 führt die Dispergierung von Hybridnanopartikeln mit Anteilen von N1, N2 und N3 in Wasser zu einer Steigerung der Gesamteffizienz um etwa 2,78 %, 3,39 % bzw. 2,01 %. Die Zuwächse von ηel und ηth im Vergleich zum Basisfall (STR1) betragen etwa 1,2 % bzw. 6,31 %. Diese Prozentsätze sind höher als in früheren untersuchten Artikeln. Der Vergleich des ηel-Werts mit einem ungekühlten System ergab, dass die Leistung für STR1, STR2 und STR3 jeweils um etwa 14,82 %, 15,22 % und 16,2 % steigt. Mit zunehmender Sonneneinstrahlung verringert sich der Wert von ηel um etwa 0,18 %, während ηth um etwa 7,79 % zunimmt.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Diese Forschung wird von der Babol Noshirvani University of Technology, Forschungsstipendium Nr. P/M/1119, finanziert.

Fakultät für Maschinenbau, Technische Universität Babol Noshirvani, Babol, Islamische Republik Iran

Z. Khalili & M. Sheikholeslami

Erneuerbare Energiesysteme und Nanofluidanwendungen im Wärmeübertragungslabor, Technische Universität Babol Noshirvani, Babol, Islamische Republik Iran

Z. Khalili & M. Sheikholeslami

Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, University of Pittsburgh, Pittsburgh, USA

Einschließlich Momayez

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ZK und MS simulierten das Problem und verfassten den Hauptmanuskripttext, während LM das Manuskript überprüfte und die Richtigkeit der Ergebnisse überprüfte.

Korrespondenz mit M. Sheikholeslami.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Khalili, Z., Sheikholeslami, M. & Momayez, L. Hybrider Nanofluidfluss im Kühlrohr einer photovoltaisch-thermoelektrischen Solareinheit. Sci Rep 13, 8202 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35428-6

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Eingegangen: 27. Januar 2023

Angenommen: 17. Mai 2023

Veröffentlicht: 21. Mai 2023

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

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