Flujo de nanofluido híbrido dentro del tubo de enfriamiento de fotovoltaica

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 8202 (2023) Citar este artículo

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En este trabajo se ha combinado la capa del generador termoeléctrico (TEG) con capas convencionales de módulos fotovoltaicos-térmicos (PVT) para aprovechar el calor residual y aumentar la eficiencia. Para reducir la temperatura de la celda, existe un conducto de refrigeración en la parte inferior de la unidad PVT-TEG. El tipo de fluido dentro del conducto y la estructura del conducto pueden cambiar el rendimiento del sistema. Por lo tanto, se reemplazó el nanofluido híbrido (mezcla de Fe3O4 y MWCNT con agua) en lugar de agua pura y se implementaron tres configuraciones diferentes de sección transversal [STR1 (circular), STR2 (rombo), STR3 (elíptica)]. A través del tubo se ha resuelto el flujo laminar incompresible de nanofluido híbrido mientras que en capas sólidas de panel se ha simulado la ecuación de conducción pura involucrando fuentes de calor resultantes del análisis óptico. De acuerdo con las simulaciones, la tercera estructura (elíptica) tiene el mejor rendimiento y el aumento de la velocidad de entrada hace que el rendimiento general mejore alrededor del 6,29 %. Los valores de desempeño térmico y eléctrico para diseño elíptico con fracciones iguales de nanopartículas son 14.56% y 55.42%, respectivamente. Con el mejor diseño, la eficiencia eléctrica mejora un 16,2 % en comparación con un sistema no refrigerado.

La energía tiene una importancia económica significativa para cualquier país, ya que no solo es crucial para las industrias, sino también para satisfacer las necesidades internas de la sociedad. Esta energía puede tomar varias formas, como electricidad, productos químicos, calor y otros. Tradicionalmente, los combustibles fósiles se han utilizado para satisfacer estas demandas de energía, pero son recursos finitos que no se pueden reponer fácilmente. El ritmo al que los seres humanos consumen combustibles fósiles supera con creces el ritmo al que se sustituyen de forma natural1. Por lo tanto, encontrar alternativas sostenibles a los combustibles fósiles es esencial para satisfacer nuestras necesidades energéticas a largo plazo. La energía sostenible es un tema fundamental que tiene el potencial de generar un cambio positivo en la situación actual2. Los combustibles fósiles no solo contribuyen a la contaminación ambiental, sino que también enfrentan el desafío del agotamiento. Entonces, para disminuir el impacto ambiental de tales fuentes, la solicitud de energía renovable está aumentando para satisfacer las crecientes necesidades energéticas. A medida que el costo de la energía solar cae por debajo del de los combustibles fósiles, la demanda de combustibles fósiles tiende a disminuir. La energía solar se puede aprovechar a través de varios sistemas, incluidas las unidades térmicas fotovoltaicas (PVT) para producir calor y electricidad a partir de la energía solar3. Las unidades fotovoltaicas se aplican para convertir la radiación incidente en electricidad y solo el 20 % de la energía total de la luz solar se puede convertir y el resto se desperdicia4. Sin embargo, las temperaturas de funcionamiento elevadas pueden conducir a una reducción en la tasa de conversión y este aumento de temperatura puede resultar en daños a la integridad estructural de los paneles solares5. Los esfuerzos para aumentar el rendimiento eléctrico (ηel) de los paneles fotovoltaicos implican reducir su temperatura de funcionamiento, lo que se puede lograr mediante el empleo de una unidad de absorción térmica. Los investigadores han explorado un método llamado unidad PVT para reducir la temperatura de la celda6. El sistema PVT permite la generación simultánea de electricidad y calor7,8. Elqady et al.9 investigaron una investigación para optimizar las dimensiones de un disipador de calor para mejorar el rendimiento de enfriamiento de los paneles solares. Sus hallazgos identificaron un conducto con puntos de diseño óptimos y luego lo emplearon en un modelo 3D para evaluar la efectividad de un PVT. El mayor rendimiento eléctrico alcanzado fue del 17,45 %, lo que demostró una mejora significativa de casi el 40 % en comparación con un sistema CPV/T típico. Raza et al.10 han presentado una metodología computacional para diseñar un material compuesto de alto rendimiento para ser utilizado como la parte trasera de una unidad fotovoltaica concentrada (CPV). El compuesto propuesto muestra un potencial prometedor y da como resultado una mejora del 4,3 % en la producción eléctrica y una mayor durabilidad del módulo. Li et al.11 presentaron un enfoque novedoso y versátil para enfriar paneles fotovoltaicos. Descubrieron que el rendimiento de la energía fotovoltaica mejora aproximadamente un 19 % con el empleo del sistema propuesto.

A través de la investigación en curso sobre las propiedades de los fluidos, el agua se puede modificar para mejorar sus capacidades de eliminación de calor para las células fotovoltaicas (PV). Esto se puede lograr incorporando nanopartículas al agua para aumentar su conductividad térmica12. El nanofluido, que es un tipo de medio de transferencia de calor compuesto por materiales de ingeniería de tamaño nanométrico mezclados con un fluido base, ha llamado mucho la atención de los investigadores debido a su desempeño en varios usos13. Los nanofluidos han ganado atención como técnicas de enfriamiento prometedoras para PVT. Los investigadores han experimentado con diferentes nanofluidos en diferentes estructuras de sistemas PVT para optimizar su eficiencia y establecer un sistema eficaz con un rendimiento general mejorado14. Una investigación dirigida por Bassam et al.15 examinó la eficiencia de un PVT híbrido en presencia de microaletas y turbulador. El ηel informado de la unidad fue de 10,8% y el rendimiento térmico máximo de la unidad fue de 83,3%. Las condiciones operativas óptimas para un sistema PVT con nanofluido de CuO fueron analizadas por Madas et al.16. Los resultados mostraron que el aumento de la fracción de nanofluidos dio como resultado un aumento del 1,11 % y del 3,3 % en el rendimiento eléctrico y térmico. Abadeh et al.17 estudiaron el análisis económico del sistema solar en la existencia de varios tipos de nanofluidos como refrigerantes. Sus hallazgos revelaron que la adición de nanofluidos mejoró significativamente el período de recuperación. Además, desde una perspectiva ambiental, los resultados demostraron que la unidad propuesta redujo la producción de emisiones en aproximadamente un 17 % en comparación con una unidad fotovoltaica. Nasrin et al.18 probaron un experimento interior en un PV y aplicaron agua MWCNT como fluido de prueba. Informaron que la eficiencia general puede alcanzar el 87,65%. Khan et al.19 evaluaron el comportamiento del sistema PVT utilizando una tubería serpentina. Su estudio reveló que los sistemas PVT que utilizan nanofluidos híbridos mostraron un rendimiento térmico un 10,5 % más alto en comparación con el óxido de hierro y el agua. Alktranee et al.20 emplearon una investigación para analizar el impacto del uso de nanofluidos en la eficiencia del sistema PVT. Utilizaron trióxido de tungsteno y demostraron que la temperatura de la celda se reduce en un 21,4 %. Tembhare et al.21 informaron sobre una revisión de nanomateriales y sus propiedades para aplicaciones de energía solar térmica. Analizaron varios estudios sobre sistemas solares térmicos que utilizan nanofluidos. Los investigadores descubrieron que los nanofluidos, debido a sus propiedades superiores de transferencia de calor, ofrecen un potencial significativo para las aplicaciones solares. Los nanofluidos, con nanopartículas dispersas que exhiben una alta conductividad térmica, tienen la capacidad de transportar el calor de manera eficiente. Du et al.22 incorporaron un filtro que contenía nanofluidos plasmónicos en su sistema PVT para hacer uso de todo el espectro solar. Además, emplearon acristalamiento de aerogel y observaron un aumento del 13,3 % en el rendimiento exergético en comparación con el sistema anterior.

Para mejorar el rendimiento de la utilización de la energía solar, existen importantes investigaciones sobre PVT, que son tecnologías eficientes y rentables. Además, ha habido un creciente interés en los sistemas híbridos que combinan generadores fotovoltaicos con termoeléctricos (PV-TEG)23. Se han hecho intentos para combinar las tecnologías PV y TE. A pesar de los beneficios de los generadores termoeléctricos (TEG) en la conversión de calor residual en electricidad. Los módulos TE ofrecen varias ventajas, como ser respetuosos con el medio ambiente, sencillos, silenciosos y duraderos. Sin embargo, su eficiencia es relativamente baja. Mientras que las células fotovoltaicas cubren los rangos visible y ultravioleta de la radiación solar, los módulos TEG pueden utilizar la parte infrarroja, lo que da como resultado una recolección de energía más completa de toda la luz solar24. Al utilizar el efecto Seebeck, un módulo generador termoeléctrico (TEG) puede generar energía eléctrica aprovechando las diferencias de temperatura. En una unidad híbrida PV/TEG, la temperatura PV aumenta a medida que se intensifica la radiación solar. Posteriormente, el TEG convierte el gradiente de temperatura en energía eléctrica, siguiendo los principios del impacto de Seebeck25,26,27. En una simulación realizada por Rejeb et al.28, se realizó una comparación entre una unidad CPVT y una unidad CPVT/TE. Demostraron que el sistema CPVT/TE con nanofluido generó un 11,15 % más de energía eléctrica total en verano en comparación con la unidad CPVT. Chen et al.29 analizaron una combinación de TEG, PV y absorbente solar selectivo (SSA). Su producción exhibió un aumento del 9,89% en la eficiencia energética. Lekbir et al.30 analizaron una unidad CPVT-TE que utilizaba un canal de enfriamiento de nanofluidos. Los resultados revelaron que el ηel de esta unidad fue un 8,4 % mayor en comparación con el CPVT-TE con refrigeración por agua. Shittu et al.31 analizaron un estudio de simulación en una unidad PVT-TEG en existencia de tubería de calor (HP). Los resultados revelaron que el rendimiento del sistema sugerido fue 1,47 veces mayor que el del sistema sin HP. Indira et al.32 evaluaron un prototipo de una unidad CPVT/TE en condiciones exteriores. Descubrieron que se logró el rendimiento eléctrico más alto de 4,86%.

Según un estudio anterior, cambiar las capas de los módulos fotovoltaicos y utilizar sistemas de refrigeración puede cambiar la eficiencia. Algunos investigadores sugirieron usar TEG para emplear el calor residual resultante de las longitudes de onda de la luz solar que no pueden convertirse en electricidad a través de una capa de silicio. En el documento actual, se unió un módulo fotovoltaico con una capa de TEG y se aplicó un conducto de enfriamiento con varias configuraciones para administrar la temperatura de la celda. Las nanopartículas híbridas (Fe3O4—MWCNT) se dispersaron en agua. Las influencias de la relación de fracción de los componentes del nanofluido híbrido, así como la velocidad de entrada del fluido de prueba, se han examinado mediante modelos numéricos. Se han incorporado tres geometrías de conductos de refrigeración para encontrar el mejor diseño. También se ha analizado la influencia de la cantidad de radiación solar. Las ecuaciones de gobierno y los supuestos utilizados se han resumido en la sección "La descripción del sistema PVT-TEG y las ecuaciones de gobierno". Las salidas de las simulaciones se han clasificado en la sección "Resultados y discusión" para encontrar el caso con mejor rendimiento. La sección de conclusiones se ha presentado como la última parte de este artículo.

En este estudio se ha seleccionado el panel de silicio policristalino con 72 celdas y una temperatura crítica de 85 °C y los datos asociados para las dimensiones y propiedades de las capas son los mismos de la Ref.18. Se han mostrado diferentes capas en la Fig. 1 y se puede ver que la capa de TEG existe por encima de la capa absorbente. Los espesores de cada capa y sus propiedades se han mencionado en la primera figura. Agregar una capa de TEG hace que aumente la salida del sistema. Para preparar el equipo de refrigeración se ha situado el conducto de refrigeración en la parte inferior del absorbedor. Como se menciona en la Fig. 2, se han implementado tres configuraciones (STR1 (circular), STR2 (rombo) y STR3 (elíptica)).

(a) PVT combinado con TEG, y (b) especificaciones geométricas y termofísicas de las regiones sólidas.

Las estructuras propuestas para la sección transversal del conducto de refrigeración.

Los nanofluidos híbridos son cada vez más populares debido a su potencial para aumentar el calor útil. A diferencia de los mono-nanofluidos, los nanofluidos híbridos pueden conducir a una mejor conductividad térmica, viscosidad y estabilidad. Además, los nanofluidos híbridos ofrecen una mayor flexibilidad de diseño y se pueden personalizar para satisfacer necesidades de aplicaciones específicas. Por lo tanto, la utilización de nanofluidos híbridos se ha utilizado en el trabajo actual (ver Fig. 3). Las nanopartículas híbridas son una mezcla de Fe3O4-SWCNT y se ha aplicado agua como fluido base. Las propiedades de los componentes y las fórmulas para calcular las características de los nanofluidos híbridos se muestran en la Fig. 3 y para más explicaciones existen en la Ref.33.

(a) Especificaciones termofísicas del H2O y los nanopolvos, y (b) las ecuaciones que rigen las propiedades termofísicas del nanofluido híbrido Fe3O4-SWCNT/agua.

Se han aplicado simulaciones tridimensionales y se han utilizado condiciones simétricas y se ha simulado un conducto para reducir el precio de cálculo. El flujo de nanofluido híbrido debe simularse en base a las siguientes ecuaciones34:

Para simular las diversas capas que se han mostrado en la Fig. 1, se debe resolver la siguiente ecuación34:

El índice (R) denota el nombre de las capas. El segundo término se puede calcular de la siguiente manera35,36:

El rendimiento térmico de la unidad se puede lograr de acuerdo con la siguiente fórmula37:

Para calcular el rendimiento eléctrico fotovoltaico (ηPV), se debe utilizar la siguiente ecuación37:

Para calcular el consumo de energía de la bomba, se puede usar la siguiente ecuación38:

La capa de TEG puede convertir parte del calor residual en electricidad; la eficiencia de TEG se puede calcular como39:

Para evaluar el sistema en vista de la eficiencia eléctrica general, se puede aplicar la siguiente ecuación38,39:

En este estudio numérico, se utilizó ANSYS FLUENT 18.2 para simular el sistema PVT-TE. El método elegido para el acoplamiento presión-velocidad fue el método SIMPLE. La discretización espacial del gradiente se logró utilizando el método basado en celdas de mínimos cuadrados. Se seleccionó el método de segundo orden para resolver la ecuación de presión. Las cantidades residuales de la continuidad tocaron 10−5 y las cantidades residuales de la ecuación de energía llegaron a 10−6.

La combinación de una unidad de PVT, una capa de TEG y un enfriamiento de nanofluidos híbridos en el conducto de enfriamiento inferior ofrece varios beneficios. En primer lugar, dicha unidad puede proporcionar calor y electricidad mientras convierte el calor residual en electricidad adicional a través de TEG, lo que resulta en una mayor eficiencia y producción de energía. En segundo lugar, la incorporación de enfriamiento de nanofluidos híbridos en el conducto de enfriamiento inferior mejora la gestión térmica, disipa el calor de manera efectiva y reduce el estrés térmico en el sistema. Esto da como resultado una mayor confiabilidad y vida útil del sistema. Además, el enfriamiento de nanofluidos mejora los coeficientes de transferencia de calor y proporciona mayores ganancias de eficiencia. En resumen, la combinación de PVT, TEG y enfriamiento de nanofluidos mejora significativamente la eficiencia energética, la gestión térmica y la confiabilidad del sistema. El fluido de trabajo consta de H2O y una combinación de Fe3O4 y MWCNT como nanopolvos híbridos. La geometría del conducto en la parte inferior de un sistema fotovoltaico es esencial para una refrigeración y una disipación del calor efectivas. La geometría del conducto correctamente diseñada puede mejorar el flujo del fluido refrigerante y mejorar la transferencia de calor, lo que resulta en temperaturas de funcionamiento más bajas y un mejor rendimiento del sistema. La forma y el tamaño del conducto también pueden afectar la caída de presión y el caudal, que son factores críticos para mantener el rendimiento óptimo del sistema. Además, la forma del conducto puede influir en la distribución del fluido, lo que en última instancia determina el rendimiento de refrigeración del sistema. Por lo tanto, la consideración adecuada de la geometría del conducto en la parte inferior de un sistema fotovoltaico es crucial para garantizar un funcionamiento eficiente y maximizar la vida útil del sistema. De acuerdo con este hecho, en el presente trabajo se han sugerido tres geometrías diferentes para el conducto de refrigeración considerando el mismo diámetro hidráulico (STR1 (circular), STR2 (rombo), STR3 (elíptica)). Se analizaron las influencias de varias fracciones de componentes de nanofluidos híbridos y la velocidad de entrada (Vin = 0,065 a 0,17 m/s).

Lograr la independencia de la malla es un paso crítico en las simulaciones numéricas, ya que garantiza resultados precisos y confiables. El proceso implica modificar la densidad de la malla para determinar la resolución mínima necesaria para la precisión. La precisión de la salida de la simulación está muy influenciada por la densidad de la malla, y el uso de una malla que sea demasiado gruesa o fina puede dar lugar a resultados poco fiables. Por lo tanto, obtener la independencia de la malla es crucial para producir simulaciones precisas, lo que ayuda a los ingenieros a tomar decisiones de diseño informadas, mejorar el rendimiento del sistema y garantizar la confiabilidad. Una cuadrícula estructurada es un sistema de malla donde las celdas están dispuestas en un patrón regular y pueden identificarse por sus índices. Tiene ventajas como una mejor precisión y estabilidad en simulaciones numéricas, tasas de convergencia más rápidas y facilidad de implementación para geometrías estructuradas. Por lo tanto, la malla estructurada se ha aplicado en el modelado actual, como se ilustra en la Fig. 4. Al seleccionar el número óptimo de celdas de cuadrícula, se tomaron en consideración dos criterios: Tout y TPV. Se evaluaron cinco resoluciones de cuadrícula diferentes y se determinó que la cuadrícula con 3,3 millones de celdas era la mejor opción para la primera geometría (ver Fig. 5).

La malla estructurada para el sistema actual.

Estudio de independencia de red para informes STR1 (a) Tout, (b) TPV.

La validación es un paso crítico en la simulación numérica, ya que garantiza una representación precisa del sistema que se analiza. Los modelos numéricos son simplificaciones de sistemas físicos complejos, con suposiciones y limitaciones inherentes. Por lo tanto, la validación es esencial para garantizar que la simulación capture con precisión el tratamiento físico esencial de la unidad. El código se verificó empleando datos de Khanjari et al.40, quienes examinaron el efecto de los nanofluidos y el agua pura en el panel solar y utilizaron un tubo de cobre. Al comparar las temperaturas del absorbedor, los resultados mostraron una buena concordancia (ver Fig. 6a). Para validar aún más la simulación, se utilizó el estudio empírico de Nahar et al.41. En su estudio, los autores investigaron el rendimiento exterior de un panel fotovoltaico de silicio policristalino. La validación se basó en Tout, que demostró un porcentaje de error inferior al 6,6% (ver Fig. 6b). El tercer paso de validación consistió en comparar el valor hx con el experimento realizado por Kim et al.42, quienes utilizaron un tubo de 2 m de largo y 4,57 mm de diámetro. La comparación reveló un porcentaje de error de menos del 3% para todo el conjunto de datos (ver Fig. 6c). Estos tres pasos de validación confirman que el enfoque elegido es razonablemente preciso para modelar el trabajo actual.

Comparación de los resultados obtenidos con los del trabajo de (a) Khanjari et al.40 para Ag-water, (b) Nahar et al.41, y (c) Kim et al.42.

La eficiencia de una unidad fotovoltaica conectada a un tubo con nanofluido puede verse influenciada por el diseño del tubo. La geometría de la sección transversal puede afectar el caudal y la distribución, lo que afecta la eficiencia del sistema. Si el diámetro hidráulico es fijo, cambiar la forma de la sección transversal puede alterar el régimen de flujo y mejorar el rendimiento térmico. El empleo de nanofluidos híbridos puede mejorar aún más el rendimiento de transferencia de calor del sistema al aumentar knf. Por lo tanto, optimizar la forma de la sección transversal del tubo conectado a un sistema fotovoltaico con nanofluido puede resultar en mejoras significativas en el rendimiento, mejorando la eficiencia y confiabilidad del sistema. Las dimensiones de las tres geometrías examinadas para la sección transversal del conducto de refrigeración se han mencionado en la Fig. 2. Para alcanzar el mismo número de Reynolds, los diámetros hidráulicos (DH) de todas las geometrías son 0,0077 m. El rango de Re para la velocidad de entrada de 0,065 a 0,17 m/s es de 498,1 a 1302,74, lo que significa que la suposición de flujo laminar es una aproximación razonable. La sección transversal circular da como resultado una distribución de flujo uniforme, mientras que otras dos secciones transversales producen un flujo no uniforme, lo que puede mejorar las tasas de transferencia de calor. La sección transversal en Z = 0,992 m se ha presentado para varias geometrías para mostrar la velocidad y la temperatura del nanofluido híbrido (véanse las Figs. 7 y 8). La velocidad de SRT 2 es mayor que otras geometrías mientras que la temperatura máxima de STR3 es la más baja. La distribución de la temperatura sobre la capa de silicio tiene un papel importante en la vida útil del panel y los contornos relacionados para varias geometrías se muestran en la Fig. 9. De acuerdo con los valores de temperatura máxima de la celda, el valor mínimo se puede obtener si STR3 ha sido seleccionado. Para la tercera estructura, la uniformidad de los contornos mejora aproximadamente un 8,9 % y un 3,92 % en comparación con STR1 y STR2, respectivamente.

El contorno de la velocidad en Z = 0,992 m.

El contorno de temperatura en Z = 0,992 m.

El contorno de la temperatura PV en tres estructuras.

Seleccionar la mejor geometría del conducto puede conducir a una mayor eficiencia. Esto se debe a que la geometría del conducto afecta el flujo de fluido, lo que a su vez afecta la eficiencia. Seleccionando la mejor geometría, el fluido puede fluir más suavemente, reduciendo la temperatura de la celda. Esto da como resultado un rendimiento eléctrico y térmico mejorado, lo que permite una mayor producción de energía del sistema PVT. Entre las geometrías examinadas, el mejor desempeño pertenece a la tercera estructura (ver Fig. 10). Cuando Vin = 0,065 m/s, con el cambio de STR1 a STR3, ηel y ηth aumentan aproximadamente un 1,39 % y un 4,83 %, respectivamente. Además, para el mismo Re, cambiando la estructura de 2 a 3, ηel y ηth aumentan aproximadamente un 0,86 % y un 5,03 %, respectivamente. La suma de estas dos funciones, que se pueden denominar eficiencia general, mejora aproximadamente un 6,83 % y un 4,08 % al reemplazar STR3 en lugar de STR1 y STR2, respectivamente. El incremento de la eficiencia general al cambiar de STR1 a STR3 disminuye aproximadamente un 31,36 % si la velocidad de entrada aumenta hasta 0,17 m/s.

(a) ηel y (b) ηth en las estructuras deseadas para el HTT.

El impacto de la velocidad de entrada de nanofluidos en el rendimiento del sistema PVT puede explicarse mediante mecanismos físicos. Un aumento en la velocidad da como resultado un mayor coeficiente de flujo convectivo, lo que reduce la temperatura del panel y aumenta el calor útil. Esto conduce a una mayor eficiencia térmica y eléctrica. Las velocidades más altas también mejoran la mezcla y distribución de nanofluidos híbridos dentro del conducto, lo que mejora aún más la eficiencia. Sin embargo, una velocidad excesiva puede aumentar la caída de presión y la potencia de bombeo, lo que reduce el rendimiento y este efecto se ha involucrado en el cálculo de ηel. El comportamiento hidrotermal del nanofluido híbrido se ha ilustrado en las Figs. 11 y 12. La velocidad máxima del nanofluido híbrido en Z = 0,992 m aumenta aproximadamente 2,66 veces el valor mientras que la temperatura del nanofluido híbrido disminuye. Como se demuestra en la Fig. 13, la temperatura de la capa de silicio disminuye con el crecimiento de Vin y la uniformidad aumenta aproximadamente un 21,1 %. Para mostrar la influencia de Vin en el rendimiento, se demostró la Fig. 14. Con un cambio de Vin de 0,065 a 0,1 y 0,135 m/s, la eficiencia global mejora en un 3,34 % y un 5,14 %, respectivamente. A medida que la velocidad aumenta desde 0,065 hasta la magnitud máxima (0,17 m/s), ηel y ηth aumentan aproximadamente un 1,43 % y un 7,65 %, respectivamente. Los valores máximos de ηel y ηth son 14,54% y 55,06% cuando φ1 = φ2 = 0,024 y Vin = 0,17 m/s.

El contorno de la velocidad del fluido en Z = 0,992 m.

La eficacia de Vin sobre la temperatura del fluido a Z = 0,992 m.

La eficacia de Vin en TPV.

(a) ηel y (b) ηth a varias velocidades de entrada de fluido.

El rendimiento de la unidad está influenciado por la relación de fracción de los dos componentes de las nanopartículas híbridas, Fe3O4 y MWCNT, dentro del agua. La relación de fracción puede cambiar las características del nanofluido híbrido, lo que a su vez afecta la eficiencia de la unidad PVT-TEG. Por lo tanto, es crucial explorar y encontrar la mejor relación de fracción de nanopartículas híbridas en el nanofluido para lograr el mejor rendimiento de la unidad PVT. Como se ilustra en la Tabla 1, se han probado tres condiciones [N1 (φ1 = φ2 = 0.024), N2 (φ1 = 0.012, φ2 = 0.036), N3 (φ1 = 0.036, φ2 = 0.012)] y la fracción total para todos los casos es 0,048 para satisfacer la limitación del enfoque monofásico. Estos tres casos se compararon con el caso de agua pura y los resultados se demostraron en la Fig. 15. Cuando Vin = 0,17, con un cambio en la proporción de la fracción de N3 a N2, las cantidades de ηel y ηth crecen alrededor de un 70,57 % y un 73,87 %, respectivamente. Cuando Vin = 0,065, la adición de nanopartículas híbridas con fracciones de N1, N2 y N3 en el agua aumenta la eficiencia general en un 2,78 %, 3,39 % y 2,01 %, respectivamente. Entre varios casos, N2 tiene los mayores valores de ηel y ηth para la condición de Vin = 0.17, estos valores son 14.56% y 55.42%, respectivamente. Con el crecimiento de Vin para N2, el rendimiento general aumenta aproximadamente un 6,26 %. La mejora de la eficiencia general con la adición de nanopartículas híbridas (N2) existentes de Vin = 0,065 es aproximadamente un 13,88 % mayor que la de Vin = 0,17 m/s.

(a) ηel y (b) ηth para agua y varias concentraciones de volumen del nanofluido híbrido Fe3O4-SWCNT/agua.

La cantidad de radiación solar ("I") puede aumentar y mejorar el rendimiento general de un sistema PVT-TEG. Con el empleo de mayores valores de "I", se mejora la potencia de salida, pero la importancia de mejores técnicas de enfriamiento se vuelve más sensible. Para mostrar la influencia de "I" en el rendimiento del sistema, se aplicaron tres niveles de este factor y las salidas asociadas se ilustraron en la Fig. 16. Con un aumento de "I" de 700 a 900 W/m2, ηel se reduce aproximadamente 0.18% mientras que ηth aumenta alrededor de 7.79%. El valor de ηth aumenta de 51,07% a 55,06% cuando la radiación solar aumenta de 700 a 900 W/m2. Aunque el rendimiento de TEG mejora aproximadamente un 40,17 % con el crecimiento de "I", la eficiencia eléctrica general disminuye debido a la reducción del rendimiento de PV debido al incremento de la temperatura de la capa de silicio.

(a) ηel y (b) ηth en tres niveles de radiación solar.

Con el fin de comparar la mejora de ηel, se han comparado las salidas de varias estructuras de las secciones transversales con el módulo no refrigerado. La Figura 17 muestra los resultados relacionados para mostrar la influencia prometedora de utilizar sistemas de enfriamiento. La concentración de nanofluido híbrido para estas salidas es φ1 = φ2 = 0,024. La mejora de ηel, para STR1, STR2 y STR3 es 14,82%, 15,22% y 16,2%, respectivamente. Este resultado indica que la tercera geometría tiene el mayor efecto prometedor de ηel.

La mejora de ηel en comparación con un módulo fotovoltaico no refrigerado.

Los estudios previos informaron la tasa de mejora para ambas funciones de ηel y ηth en comparación con su caso básico. Estos porcentajes de mejora se pueden comparar con la tasa actual de mejora. Por lo tanto, la Fig. 18 se ha preparado para mostrar la comparación de la mejora del rendimiento con trabajos anteriores (Yu et al.43, Fayaz et al.44, Nasrin et al.18). Los incrementos de ηel para obras de 43,44 y 18 son 0,97%, 0,6% y 0,14%. Para el trabajo actual, ηel mejora alrededor de un 1,2 % en comparación con el caso base (STR1). Además, los aumentos de ηth para obras de 43,44 y 18 son del 3,02%, 5,13% y 3,67%, respectivamente. El incremento de ηth para el trabajo actual es de aproximadamente 6,31%, que es mayor que otros estudios mencionados anteriormente.

La mejora de ηel y ηth en comparación con las publicaciones recientes.

Para aumentar el rendimiento de las unidades PVT, en el artículo actual se analizaron los tubos de enfriamiento con varias configuraciones. Para mejorar la velocidad de enfriamiento, el fluido base se mezcló con nanopartículas híbridas y se comparó la influencia de varias proporciones de fracciones. Para utilizar el calor residual, la capa de trietilenglicol se ha combinado con otras capas de energía fotovoltaica, lo que conduce a un incremento del rendimiento eléctrico. El impacto negativo de la potencia de bombeo ha estado involucrado en la medición del rendimiento eléctrico general. Se han probado tres geometrías diferentes (STR1 (circular), STR2 (rombo), STR3 (elíptica)) para encontrar el mejor diseño. Todas las geometrías tienen el mismo número de Reynolds de entrada y se ha considerado flujo laminar a través del tubo. Con la mejora de la velocidad de enfriamiento y la uniformidad de la temperatura con la carga de nanopartículas y la selección del mejor diseño, la tensión térmica sobre el panel disminuye, lo que lleva a una mayor vida útil. Se han examinado los impactos de la velocidad de entrada (Vin = 0,065 a 0,17) y diferentes fracciones de Fe3O4 y MWCNT. Las características ópticas se han involucrado en el modelado al incorporar los términos de generación de calor para las capas. Debido al despreciable valor de la fuente de calor en las capas por debajo del segundo EVA, se ha considerado para ellas el modo de conducción pura sin fuente de calor. Las propiedades del nuevo fluido de trabajo se han estimado de acuerdo con el enfoque de una sola fase. Para aumentar la estabilidad en las simulaciones numéricas, se ha aplicado la cuadrícula estructurada para todas las geometrías y se ha presentado la técnica de independencia de la cuadrícula. El mejor número de celdas para STR1 es 3,3 millones. De acuerdo con las simplificaciones y supuestos de la simulación, es fundamental presentar el paso de validación. Se han presentado tres pasos en la sección de resultados como procedimiento de validación. No solo se han evaluado publicaciones numéricas anteriores, sino también datos experimentales y se ha logrado una buena precisión. Se ha examinado el papel de la geometría del conducto de refrigeración y se han presentado los resultados asociados en vista de los contornos y los gráficos de barras. Debido al cambio del estilo de flujo para varias geometrías, la velocidad de enfriamiento se modificó y el rendimiento del sistema se puede mejorar seleccionando el mejor diseño. La uniformidad de la temperatura de la capa de silicio mejora alrededor de un 8,9 % y un 3,92 % al reemplazar STR3 en lugar de STR1 y STR2. Dado Vin = 0,065, con estructura cambiante de la primera a la tercera, ηel y ηth aumentan aproximadamente un 1,39 % y un 4,83 %, respectivamente. La eficiencia general mejora aproximadamente un 6,83 % y un 4,08 % al reemplazar STR3 en lugar de STR1 y STR2, respectivamente. La velocidad del fluido puede mejorar el rendimiento del sistema porque la temperatura de la capa de silicio puede disminuir con el crecimiento de Vin. La uniformidad de la temperatura de la capa de silicio puede mejorar alrededor del 21,1%. A medida que Vin crece de 0,065 a 0,17 m/s, ηel y ηth aumentan aproximadamente un 1,43 % y un 7,65 %, respectivamente. Las mayores cantidades de ηel y ηth son 14,54% y 55,06% cuando φ1 = φ2 = 0,024 y Vin = 0,17 m/s. Para mostrar la influencia de la proporción de fracciones de los componentes de las nanopartículas híbridas, se compararon tres casos con el caso del agua y los resultados mostraron que el caso N2 (φ1 = 0,012, φ2 = 0,036) tiene el mejor rendimiento. Cuando Vin = 0,17, los valores de ηel y ηth para N2 alcanzaron 14,56% y 55,42%, respectivamente. Dado Vin = 0,065, la dispersión de nanopartículas híbridas con fracciones de N1, N2 y N3 en agua hace que la eficiencia general aumente alrededor de 2,78 %, 3,39 % y 2,01 %, respectivamente. Los incrementos de ηel y ηth en comparación con el caso base (STR1) son de aproximadamente 1,2 % y 6,31 %, respectivamente. Estos porcentajes son superiores a los artículos escrutados anteriormente. La comparación del valor de ηel con un sistema no refrigerado mostró que el rendimiento mejora en un 14,82 %, 15,22 % y 16,2 %, para STR1, STR2 y STR3, respectivamente. A medida que aumenta la radiación solar, el valor de ηel se reduce alrededor de un 0,18 %, mientras que ηth aumenta alrededor de un 7,79 %.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Descargar referencias

Esta investigación está financiada por la Universidad Tecnológica Babol Noshirvani, Beca de investigación No. P/M/1119.

Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica Babol Noshirvani, Babol, República Islámica de Irán

Z. Khalili y M. Sheikholeslami

Sistemas de energía renovable y aplicaciones de nanofluidos en el laboratorio de transferencia de calor, Universidad Tecnológica Babol Noshirvani, Babol, República Islámica de Irán

Z. Khalili y M. Sheikholeslami

Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, Universidad de Pittsburgh, Pittsburgh, EE. UU.

Incluyendo a Momayez

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ZK y MS simularon el problema y escribieron el texto principal del manuscrito y LM revisó el manuscrito y verificó la exactitud de los resultados.

Correspondencia a M. Sheikholeslami.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Khalili, Z., Sheikholeslami, M. & Momayez, L. Flujo de nanofluidos híbridos dentro del tubo de enfriamiento de la unidad solar fotovoltaica-termoeléctrica. Informe científico 13, 8202 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35428-6

Descargar cita

Recibido: 27 enero 2023

Aceptado: 17 de mayo de 2023

Publicado: 21 mayo 2023

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

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