Наножидкости в солнечных коллекторах

Прямые солнечные коллекторы на основе наножидкостей представляют собой солнечные тепловые коллекторы , в которых наночастицы в жидкой среде могут рассеивать и поглощать солнечное излучение . Недавно они проявили интерес к эффективному распределению солнечной энергии . Солнечные коллекторы на основе наножидкостей могут более эффективно использовать солнечную энергию по сравнению с обычными солнечными коллекторами . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Наножидкости недавно нашли применение в приложениях, требующих быстрой и эффективной теплопередачи, таких как промышленное применение, охлаждение микрочипов, микроскопические жидкостные приложения и т. д. соли, наножидкости не прозрачны для солнечной лучистой энергии; вместо этого они значительно поглощают и рассеивают солнечное излучение , проходящее через них. ^{[ 8 ]} В типичных солнечных коллекторах используется поглотитель с черной поверхностью для сбора солнечной тепловой энергии, которая затем передается жидкости, текущей по встроенным внутри трубкам. В этой конфигурации были обнаружены различные ограничения и рассмотрены альтернативные концепции. Среди них предметом исследования является использование наночастиц, суспендированных в жидкости. Материалы наночастиц, включая алюминий , ^{[ 9 ]} медь , ^{[ 10 ]} углеродные нанотрубки ^{[ 11 ]} и углеродные нанорога были добавлены в различные базовые жидкости и охарактеризованы с точки зрения их эффективности по повышению эффективности теплопередачи. ^{[ 12 ]}

Фон

Дисперсия следовых количеств наночастиц в обычных базовых жидкостях оказывает значительное влияние на оптические характеристики. ^{[ 13 ]} а также теплофизические свойства базовой жидкости , главным образом увеличивающие теплопроводность. Эту характеристику можно использовать для эффективного улавливания и транспортировки солнечной радиации . Увеличение способности поглощать солнечное излучение приводит к более высокой теплоотдаче, что приводит к более эффективной теплопередаче , как показано на рисунке 2. Эффективность , которые, в свою очередь , солнечной тепловой системы зависит от нескольких этапов преобразования энергии определяются эффективностью процессов теплопередачи . преобразования Хотя более высокая эффективность солнечной энергии в тепловую возможна, ключевыми компонентами, которые необходимо улучшить, являются солнечные коллекторы . Идеальный солнечный коллектор будет поглощать концентрированную солнечную радиацию, частично преобразовывать падающую солнечную радиацию в тепло и передавать тепло теплоносителю. Более высокая скорость передачи тепла жидкости приводит к более высокой температуре на выходе, а более высокие температуры приводят к повышению эффективности преобразования в энергетическом цикле . наночастицы имеют на несколько порядков большую величину коэффициент теплоотдачи при передаче тепла непосредственно окружающей жидкости. Это происходит просто из-за небольшого размера наночастиц .

Механизм повышения теплопроводности наножидкостей

Кеблински и др. ^{[ 14 ]} назвал четыре основных возможных механизма аномального увеличения теплоотдачи наножидкостей:

Броуновское движение наночастиц

Благодаря броуновскому движению частицы беспорядочно движутся в жидкости. И, следовательно, лучшая передача тепла. Хотя первоначально считалось, что движение жидкости, возникающее в результате броуновского движения наночастиц, может объяснить улучшение свойств теплопередачи, позже эта гипотеза была отвергнута.

Слои жидкости на границе раздела жидкость/частица

Молекулы жидкости могут образовывать слой вокруг твердых частиц и тем самым усиливать локальное упорядочение атомной структуры в области интерфейса. Следовательно, атомная структура такого жидкого слоя более упорядочена, чем структура объемной жидкости.

Эффект кластеризации наночастиц

Эффективный объем кластера считается намного большим, чем объем частиц из-за меньшей доли упаковки кластера. Поскольку внутри таких кластеров тепло может быстро передаваться, объемная доля высокопроводящей . фазы превышает объем твердого тела, что увеличивает его теплопроводность

Сравнение

За последние десять лет было проведено множество численных и аналитических экспериментов для подтверждения важности наножидкостей.

Таблица 1. Сравнение обычных и наножидкостей.

Из таблицы 1 ^{[ 15 ]} Очевидно, что коллектор на основе наножидкостей имеет более высокую эффективность, чем обычный коллектор. Итак, очевидно, что мы можем улучшить обычный коллектор, просто добавив следовые количества наночастиц. моделирования также было обнаружено С помощью численного , что средняя температура на выходе увеличивается при увеличении объемной доли наночастиц, длины трубки и уменьшается при уменьшении скорости. ^{[ 15 ]}

Преимущества использования наножидкостей в солнечных коллекторах

Наножидкости имеют следующие преимущества по сравнению с обычными жидкостями, что делает их пригодными для использования в солнечных коллекторах:

Поглощение солнечной энергии будет максимизировано за счет изменения размера, формы, материала и объемной доли наночастиц.
Взвешенные наночастицы увеличивают площадь поверхности , но уменьшают теплоемкость жидкости из-за очень малого размера частиц.
Взвешенные наночастицы повышают теплопроводность, что приводит к повышению эффективности систем теплопередачи.
Свойства жидкости можно менять, варьируя концентрацию наночастиц.
Чрезвычайно малый размер наночастиц идеально позволяет им проходить через насосы.
Наножидкость может быть оптически селективной (высокое поглощение в солнечном диапазоне и низкое излучение в инфракрасном диапазоне) . ^{[ 1 ]}

Принципиальная разница между обычным коллектором и коллектором на основе наножидкости заключается в режиме нагрева рабочей жидкости. В первом случае солнечный свет поглощается поверхностью, тогда как во втором случае солнечный свет поглощается непосредственно рабочей жидкостью (путем переноса излучения ). Достигнув приемника, солнечное излучение энергию наножидкости передает путем рассеяния и поглощения .

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Шрикумар, С.; Шах, Н.; Мондол, Дж.; Хьюитт, Н.; Чакрабарти, С. (февраль 2022 г.). «Широкополосные поглощающие моно, смешанные и гибридные наножидкости для солнечных коллекторов прямого поглощения: всесторонний обзор» . Нано-фьючерсы . 103 (2): 504–515. Бибкод : 2022NanoF...6b2002S . дои : 10.1088/2399-1984/ac57f7 . S2CID 247095942 .
^ Тейлор, Роберт А.; Отаникар, Тодд; Розенгартен, Гэри (2012). «Оптимизация оптических фильтров на основе наножидкостей для фотоэлектрических/T-систем» . Свет: наука и приложения . 1 (10): е34. Бибкод : 2012LSA.....1E..34T . дои : 10.1038/lsa.2012.34 .
^ Отаникар, Тодд П.; Фелан, Патрик Э.; Прашер, Рави С.; Розенгартен, Гэри; Тейлор, Роберт А. (1 мая 2010 г.). «Солнечный коллектор прямого поглощения на основе наножидкостей» . Журнал возобновляемой и устойчивой энергетики . 2 (3): 033102. дои : 10.1063/1.3429737 . Проверено 2 декабря 2022 г.
^ Тейлор, Роберт А.; Фелан, Патрик Э.; Отаникар, Тодд П.; Уокер, Чад А.; Нгуен, Моника; Тримбл, Стивен; Прашер, Рави (1 марта 2011 г.). «Применимость наножидкостей в солнечных коллекторах с высоким потоком» . Журнал возобновляемой и устойчивой энергетики . 3 (2): 023104. дои : 10.1063/1.3571565 . Проверено 2 декабря 2022 г.
^ «Журнал прикладной физики» .
^ Хуллар, Викрант; Тьяги, Химаншу; Хорди, Натан; Отаникар, Тодд П.; и др. (2014). «Сбор солнечной тепловой энергии с помощью систем объемной абсорбции на основе наножидкостей». Международный журнал тепломассообмена . 77 : 377–384. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.05.023 .
^ Амир Моради; Элиза Сани; Марко Симонетти; Франко Франчини; Элиодоро Кьяваццо и Пьетро Азинари (2015). «Наножидкости на основе углеродных нанорогов для солнечного коллектора прямого поглощения гражданского назначения (Carbon-nanohorn Nanofluids)». Журнал нанонауки и нанотехнологий . 15 (5): 3488–3495. дои : 10.1166/jnn.2015.9837 . ПМИД 26504968 .
^ Фелан, Патрик; Отаникар, Тодд; Тейлор, Роберт; Тьяги, Химаншу (2013). «Тенденции и возможности в области солнечных тепловых коллекторов прямого поглощения». Журнал тепловых наук и инженерных приложений . 5 (2): 021003. дои : 10.1115/1.4023930 .
^ Дуншэн Вэнь; Юлун Дин (2005). «Экспериментальное исследование теплопередачи при кипении в бассейне наножидкостей γ-оксида алюминия на водной основе». Журнал исследований наночастиц . 7 (2–3): 265–274. Бибкод : 2005JNR.....7..265W . дои : 10.1007/s11051-005-3478-9 . S2CID 98076428 .
^ Минь-Шэн Лю; Марк Чинг-Ченг Линь; Цай Цай; Чи-Чуан Ван (август 2006 г.). «Повышение теплопроводности наножидкостей с помощью Cu методом химического восстановления». Международный журнал тепломассообмена . 49 (17–18): 3028–3033. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2006.02.012 .
^ Дуншэн Вэнь и Юлун Дин (2004). «Эффективная теплопроводность водных суспензий углеродных нанотрубок (углеродных нанотрубок наножидкостей)». Журнал теплофизики и теплопередачи . 18 (4): 481–485. дои : 10.2514/1.9934 .
^ Тейлор, Роберт А.; Фелан, Патрик Э. (ноябрь 2009 г.). «Кипение наножидкостей в бассейне: комплексный обзор существующих данных и ограниченное количество новых данных». Международный журнал тепломассообмена . 52 (23–24): 5339–5347. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.06.040 .
^ Тейлор Р.А., Фелан П.Е., Отаникар Т.П., Адриан Р., Прашер Р. (2011). «Характеристика оптических свойств наножидкостей: на пути к эффективным солнечным коллекторам прямого поглощения» . Письма о наномасштабных исследованиях . 6 (1): 225. Бибкод : 2011НРЛ.....6..225Т . дои : 10.1186/1556-276X-6-225 . ПМК 3211283 . ПМИД 21711750 .
^ Муршед, СМС; Леонг, КК; Ян, К. (май 2008 г.). «Исследование теплопроводности и вязкости наножидкостей». Международный журнал тепловых наук . 47 (5): 560–568. doi : 10.1016/j.ijthermalsci.2007.05.004 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Викрант Хуллар и Химаншу Тьяги. «Применение наножидкостей в качестве рабочих жидкостей в концентрирующем параболическом коллекторе, Материалы 37-й национальной конференции «Механика жидкости и гидроэнергетика», 16–18 декабря, ИИТ Мадрас». {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

Дальнейшее чтение

Сарит К. Дас; Стивен США Чой; Вэньхуа Юй; Т. Прадип (1 января 1980 г.), Наножидкости: наука и технологии , Wiley, ISBN 9780891165224
Буонджорно, Дж. (март 2006 г.). «Конвективный транспорт в наножидкостях». Журнал теплопередачи . 128 (3): 240. дои : 10.1115/1.2150834 .
Какач, Садик; Анчаса Прамуанджароенкий (2009). «Обзор усиления конвективной теплопередачи с помощью наножидкостей». Международный журнал тепломассообмена . 52 (13–14): 3187–3196. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.02.006 .

[Sreekumar2022-1] Перейти обратно: ^а ^б Шрикумар, С.; Шах, Н.; Мондол, Дж.; Хьюитт, Н.; Чакрабарти, С. (февраль 2022 г.). «Широкополосные поглощающие моно, смешанные и гибридные наножидкости для солнечных коллекторов прямого поглощения: всесторонний обзор» . Нано-фьючерсы . 103 (2): 504–515. Бибкод : 2022NanoF...6b2002S . дои : 10.1088/2399-1984/ac57f7 . S2CID 247095942 .

[2] Тейлор, Роберт А.; Отаникар, Тодд; Розенгартен, Гэри (2012). «Оптимизация оптических фильтров на основе наножидкостей для фотоэлектрических/T-систем» . Свет: наука и приложения . 1 (10): е34. Бибкод : 2012LSA.....1E..34T . дои : 10.1038/lsa.2012.34 .

[3] Отаникар, Тодд П.; Фелан, Патрик Э.; Прашер, Рави С.; Розенгартен, Гэри; Тейлор, Роберт А. (1 мая 2010 г.). «Солнечный коллектор прямого поглощения на основе наножидкостей» . Журнал возобновляемой и устойчивой энергетики . 2 (3): 033102. дои : 10.1063/1.3429737 . Проверено 2 декабря 2022 г.

[4] Тейлор, Роберт А.; Фелан, Патрик Э.; Отаникар, Тодд П.; Уокер, Чад А.; Нгуен, Моника; Тримбл, Стивен; Прашер, Рави (1 марта 2011 г.). «Применимость наножидкостей в солнечных коллекторах с высоким потоком» . Журнал возобновляемой и устойчивой энергетики . 3 (2): 023104. дои : 10.1063/1.3571565 . Проверено 2 декабря 2022 г.

[5] «Журнал прикладной физики» .

[6] Хуллар, Викрант; Тьяги, Химаншу; Хорди, Натан; Отаникар, Тодд П.; и др. (2014). «Сбор солнечной тепловой энергии с помощью систем объемной абсорбции на основе наножидкостей». Международный журнал тепломассообмена . 77 : 377–384. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.05.023 .

[7] Амир Моради; Элиза Сани; Марко Симонетти; Франко Франчини; Элиодоро Кьяваццо и Пьетро Азинари (2015). «Наножидкости на основе углеродных нанорогов для солнечного коллектора прямого поглощения гражданского назначения (Carbon-nanohorn Nanofluids)». Журнал нанонауки и нанотехнологий . 15 (5): 3488–3495. дои : 10.1166/jnn.2015.9837 . ПМИД 26504968 .

[8] Фелан, Патрик; Отаникар, Тодд; Тейлор, Роберт; Тьяги, Химаншу (2013). «Тенденции и возможности в области солнечных тепловых коллекторов прямого поглощения». Журнал тепловых наук и инженерных приложений . 5 (2): 021003. дои : 10.1115/1.4023930 .

[9] Дуншэн Вэнь; Юлун Дин (2005). «Экспериментальное исследование теплопередачи при кипении в бассейне наножидкостей γ-оксида алюминия на водной основе». Журнал исследований наночастиц . 7 (2–3): 265–274. Бибкод : 2005JNR.....7..265W . дои : 10.1007/s11051-005-3478-9 . S2CID 98076428 .

[10] Минь-Шэн Лю; Марк Чинг-Ченг Линь; Цай Цай; Чи-Чуан Ван (август 2006 г.). «Повышение теплопроводности наножидкостей с помощью Cu методом химического восстановления». Международный журнал тепломассообмена . 49 (17–18): 3028–3033. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2006.02.012 .

[11] Дуншэн Вэнь и Юлун Дин (2004). «Эффективная теплопроводность водных суспензий углеродных нанотрубок (углеродных нанотрубок наножидкостей)». Журнал теплофизики и теплопередачи . 18 (4): 481–485. дои : 10.2514/1.9934 .

[12] Тейлор, Роберт А.; Фелан, Патрик Э. (ноябрь 2009 г.). «Кипение наножидкостей в бассейне: комплексный обзор существующих данных и ограниченное количество новых данных». Международный журнал тепломассообмена . 52 (23–24): 5339–5347. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.06.040 .

[13] Тейлор Р.А., Фелан П.Е., Отаникар Т.П., Адриан Р., Прашер Р. (2011). «Характеристика оптических свойств наножидкостей: на пути к эффективным солнечным коллекторам прямого поглощения» . Письма о наномасштабных исследованиях . 6 (1): 225. Бибкод : 2011НРЛ.....6..225Т . дои : 10.1186/1556-276X-6-225 . ПМК 3211283 . ПМИД 21711750 .

[14] Муршед, СМС; Леонг, КК; Ян, К. (май 2008 г.). «Исследование теплопроводности и вязкости наножидкостей». Международный журнал тепловых наук . 47 (5): 560–568. doi : 10.1016/j.ijthermalsci.2007.05.004 .

[autogenerated1-15] Перейти обратно: ^а ^б Викрант Хуллар и Химаншу Тьяги. «Применение наножидкостей в качестве рабочих жидкостей в концентрирующем параболическом коллекторе, Материалы 37-й национальной конференции «Механика жидкости и гидроэнергетика», 16–18 декабря, ИИТ Мадрас». {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]