Flujo de nanofluidos híbridos dentro del tubo de enfriamiento de energía fotovoltaica

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

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Se publicó una corrección del autor de este artículo el 10 de julio de 2023.

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En este trabajo, la capa de generador termoeléctrico (TEG) se ha combinado con capas convencionales de módulos fotovoltaico-térmicos (PVT) para aprovechar el calor residual y aumentar la eficiencia. Para reducir la temperatura de la celda, existe un conducto de enfriamiento 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. Así, se reemplazó un 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. Según las simulaciones, la tercera estructura (elíptica) tiene el mejor rendimiento y el aumento de la velocidad de entrada hace que el rendimiento general mejore aproximadamente un 6,29 %. Los valores de rendimiento térmico y eléctrico para el diseño elíptico con fracciones iguales de nanopartículas son 14,56% y 55,42%, respectivamente. Con el mejor diseño, la eficiencia eléctrica mejora aproximadamente un 16,2% en comparación con un sistema no refrigerado.

La energía tiene una importancia económica significativa para cualquier país, ya que no sólo es crucial para las industrias, sino también para satisfacer las necesidades internas de la sociedad. Esta energía puede tomar diversas formas, como electricidad, productos químicos, calor y otras. Tradicionalmente, los combustibles fósiles se han utilizado para satisfacer estas demandas energéticas, pero son recursos finitos que no pueden reponerse fácilmente. El ritmo al que los humanos consumen combustibles fósiles supera con creces el ritmo al que se sustituyen naturalmente1. Por lo tanto, encontrar alternativas sostenibles a los combustibles fósiles es esencial para satisfacer nuestras necesidades energéticas a largo plazo. La energía sostenible es una cuestión fundamental que tiene el potencial de provocar un cambio positivo en la situación actual2. Los combustibles fósiles no sólo contribuyen a la contaminación ambiental, sino que también enfrentan el desafío de su agotamiento. Entonces, para disminuir el impacto ambiental de dichas fuentes, está aumentando la demanda de energía renovable 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 energía solar3. Las unidades fotovoltaicas se utilizan para convertir la radiación incidente en electricidad y sólo el 20% de toda la energía de la luz solar se puede convertir y el resto se desperdicia4. Sin embargo, las temperaturas de funcionamiento elevadas pueden provocar una reducción en la tasa de conversión y este aumento de temperatura puede provocar 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, que se puede alcanzar mediante el empleo de una unidad de absorción térmica. Los investigadores han explorado un método llamado unidad PVT para reducir la temperatura celular6. 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 refrigeración 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 logrado 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 % al emplear el sistema propuesto.

A través de la investigación en curso sobre las propiedades de los fluidos, el agua se puede modificar para mejorar su capacidad 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 atraído una gran atención por parte de los investigadores debido a su rendimiento en diversos usos13. Los nanofluidos han llamado la 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 del 10,8% y el rendimiento térmico máximo de la unidad fue del 83,3%. Madas et al.16 examinaron las condiciones operativas óptimas para un sistema PVT con nanofluido de CuO. Los resultados mostraron que el aumento de la fracción de nanofluido 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 realizaron un experimento en interiores con un sistema fotovoltaico 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 exhibieron un rendimiento térmico un 10,5% mayor en comparación con el óxido de hierro y el agua. Alktranee et al.20 realizaron una investigación para examinar 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 aproximadamente un 21,4%. Tembhare et al.21 informaron de una revisión de nanomateriales y sus propiedades para aplicaciones solares térmicas. 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 aplicaciones solares. Los nanofluidos, con nanopartículas dispersas que exhiben una alta conductividad térmica, tienen la capacidad de transportar calor de manera eficiente. Du et al.22 incorporaron en su sistema PVT un filtro que contenía nanofluidos plasmónicos para aprovechar todo el espectro solar. Además, emplearon vidriado 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 interés creciente en los sistemas híbridos que combinan generadores fotovoltaicos y termoeléctricos (PV-TEG)23. Se han hecho intentos de combinar tecnologías fotovoltaicas y TE. A pesar de los beneficios de los generadores termoeléctricos (TEG) a la hora de convertir el 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 irradiación 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 fotovoltaica/TEG, la temperatura fotovoltaica 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 examinaron una combinación de TEG, fotovoltaica y absorbente solar selectivo (SSA). Su producción mostró un aumento del 9,89% en eficiencia energética. Lekbir et al.30 examinaron una unidad CPVT-TE que utilizaba un canal de enfriamiento de nanofluidos. Los resultados revelaron que ηel de esta unidad fue un 8,4% mayor en comparación con CPVT-TE con refrigeración por agua. Shittu et al.31 examinaron una investigación de simulación en una unidad PVT-TEG en existencia de tubo de calor (HP). Los resultados revelaron que el rendimiento del sistema sugerido era 1,47 veces mayor que el del sistema sin HP. Indira et al.32 evaluaron un prototipo de unidad CPVT/TE en condiciones exteriores. Descubrieron que se logró el rendimiento eléctrico más alto del 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 utilizar TEG para aprovechar el calor residual resultante de las longitudes de onda de la luz solar que no pueden convertirse en electricidad a través de la capa de silicio. En el artículo actual, se unió un módulo fotovoltaico con una capa de TEG y se aplicó un conducto de enfriamiento con varias configuraciones para controlar la temperatura de la celda. Las nanopartículas híbridas (Fe3O4—MWCNT) se dispersaron en agua. Las influencias de la proporción de fracciones 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 buscar el mejor diseño. Además, se ha analizado la influencia de la cantidad de irradiación solar. Las ecuaciones rectoras y las suposiciones utilizadas se han resumido en la sección "Descripción del sistema PVT-TEG y ecuaciones rectoras". Los resultados de las simulaciones se han clasificado en el apartado "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 seleccionó 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 que los de la Ref.18. En la Fig. 1 se muestran diferentes capas y se puede ver que la capa de TEG existe encima de la capa absorbente. En la primera figura se mencionan los espesores de cada capa y sus propiedades. Agregar una capa TEG aumenta la salida del sistema. Para preparar el equipo de refrigeración, el conducto de refrigeración se ha situado en el fondo del absorbente. 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 mononanofluidos, los nanofluidos híbridos pueden conducir a una mejor conductividad térmica, viscosidad y estabilidad. Además, los nanofluidos híbridos ofrecen una mayor flexibilidad de diseño y pueden personalizarse para satisfacer las necesidades de aplicaciones específicas. Por lo tanto, en el trabajo actual se ha utilizado la utilización de nanofluidos híbridos (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 obtener más explicaciones se encuentran 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 aplicaron simulaciones tridimensionales y se utilizaron condiciones simétricas y se simuló un conducto para reducir el coste informático. El flujo de nanofluido híbrido debe simularse basándose en las siguientes ecuaciones34:

Para simular las distintas capas que se muestran en la Fig. 1, se debe resolver la siguiente ecuación34:

El índice (R) indica 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 según 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 utilizar la siguiente ecuación38:

La capa de TEG puede convertir parte del calor residual en electricidad; la eficiencia del 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 alcanzaron 10-6.

La combinación de una unidad PVT, una capa de TEG y refrigeración híbrida con nanofluidos en el conducto de refrigeración 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 refrigeración híbrida con nanofluidos en el conducto de refrigeración inferior mejora la gestión térmica, disipa el calor de forma eficaz y reduce el estrés térmico en el sistema. Esto da como resultado una mayor confiabilidad y vida útil del sistema. Además, el enfriamiento con nanofluidos mejora los coeficientes de transferencia de calor y proporciona mayores ganancias de eficiencia. En resumen, la combinación de PVT, TEG y refrigeración con 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 disipación de calor efectivas. La geometría del conducto diseñada correctamente puede mejorar el flujo del fluido de refrigeración y mejorar la transferencia de calor, lo que da como resultado 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 (elíptico)). Se han examinado las influencias de varias fracciones de componentes del nanofluido híbrido 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 del resultado de la simulación está fuertemente influenciada por la densidad de la malla, y el uso de una malla demasiado gruesa o fina puede generar resultados poco confiables. Por lo tanto, obtener 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 mayor 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 aplicó en el modelado actual como se ilustra en la Fig. 4. Al seleccionar el número óptimo de celdas de la 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 la 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 la influencia del nanofluido y el agua pura en un panel solar y utilizaron un tubo de cobre. Al comparar las temperaturas de los absorbedores, 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 en exteriores 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 implicó comparar el valor de hx con el experimento realizado por Kim et al.42, quienes utilizaron un tubo de 2 m de longitud 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 unida 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 dar como resultado mejoras significativas en el rendimiento, mejorando la eficiencia y confiabilidad del sistema. Las dimensiones de las tres geometrías examinadas para el conducto de refrigeración de sección transversal se mencionan 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 una 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 uniforme del flujo, 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 (ver Figs. 7 y 8). La velocidad de SRT 2 es mayor que la de 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 en la Fig. 9 se muestran los contornos relacionados para varias geometrías. Según los valores de temperatura máxima de la celda, el valor mínimo se puede obtener si se ha aplicado STR3. 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 fotovoltaica 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. Al seleccionar 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 analizadas, el mejor rendimiento pertenece a la tercera estructura (ver Fig. 10). Cuando Vin = 0,065 m/s, al cambiar de STR1 a STR3, ηel y ηth mejoran aproximadamente un 1,39% y un 4,83%, respectivamente. Además, para el mismo Re, cambiando la estructura de 2 a 3, ηel y ηth mejoran aproximadamente un 0,86% y un 5,03%, respectivamente. La suma de estas dos funciones puede denominarse eficiencia general, mejorando 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 estructuras deseadas para el HTT.

El impacto de la velocidad de entrada del nanofluido 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 lleva a un rendimiento reducido y este efecto se ha involucrado en el cálculo de ηel. El comportamiento hidrotermal del nanofluido híbrido se ilustra en las Figs. 11 y 12. La velocidad máxima del nanofluido híbrido en Z = 0,992 m aumenta aproximadamente 2,66 veces 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 general mejora aproximadamente 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 en Z = 0,992 m.

La eficacia de Vin sobre TPV.

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

El rendimiento de la unidad está influenciado por la proporción de fracciones 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 proporción 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 se calcula la fracción total para todos los casos. 0,048 para satisfacer la limitación del enfoque monofásico. Estos tres casos se compararon con el caso del 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 aproximadamente un 70,57% y un 73,87%. respectivamente. Cuando Vin = 0,065, agregar nanopartículas híbridas con fracciones de N1, N2 y N3 al agua hace que la eficiencia general mejore aproximadamente 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) en existencia 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 diversas concentraciones de volumen del nanofluido híbrido Fe3O4-SWCNT/agua.

La cantidad de irradiación solar (“I”) puede aumentar y mejorar el rendimiento general de un sistema PVT-TEG. Al emplear 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 los resultados asociados se ilustraron en la Fig. 16. Con un aumento de "I" de 700 a 900 W/m2, ηel reduce aproximadamente 0,18% mientras que ηth aumenta alrededor del 7,79%. El valor de ηth aumenta del 51,07% al 55,06% cuando la irradiación solar aumenta de 700 a 900 W/m2. Aunque el rendimiento del TEG mejora aproximadamente un 40,17 % con el crecimiento de "I", la eficiencia eléctrica general disminuye debido al rendimiento fotovoltaico reducido debido al incremento de la temperatura de la capa de silicio.

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

Para comparar la mejora de ηel, se compararon 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 la utilización de sistemas de refrigeración. La concentración de nanofluido híbrido para estas salidas es φ1 = φ2 = 0,024. La mejora de ηel, para STR1, STR2 y STR3 es del 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 anteriores 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 de mejora actual. Por lo tanto, la Fig. 18 ha sido preparada 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 las obras de 43,44 y 18 son 0,97%, 0,6% y 0,14%. Para el trabajo actual, ηel mejora aproximadamente un 1,2% en comparación con el caso base (STR1). Además, el aumento de ηth para las obras de 43,44 y 18 es del 3,02%, 5,13% y 3,67%, respectivamente. El incremento de ηth para el trabajo actual es aproximadamente del 6,31%, mayor que el de otros estudios mencionados anteriormente.

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

Para mejorar el rendimiento de las unidades PVT, en el artículo actual se analizan tubos de refrigeración 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 TEG se ha combinado con otras capas de fotovoltaica, lo que aumenta el 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 al cargar nanopartículas y seleccionar el mejor diseño, la tensión térmica sobre el panel disminuye, lo que aumenta la 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 incorporando los términos de generación de calor por capas. Debido al valor insignificante de la fuente de calor en las capas situadas 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 según un enfoque monofásico. Para aumentar la estabilidad en simulaciones numéricas, se ha aplicado una 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 sólo se han evaluado publicaciones numéricas anteriores sino también datos experimentales y se ha logrado una buena precisión. Se examinó el papel de la geometría del conducto de refrigeración y se presentaron los resultados asociados en vista de contornos y gráficos de barras. Debido al cambio en el estilo de flujo para varias geometrías, se ha cambiado la velocidad de enfriamiento y se puede mejorar el rendimiento del sistema 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 una estructura cambiante del primero al tercero, ηel y ηth mejoran 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 aproximadamente un 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 aproximadamente 1,2% y 6,31%, respectivamente. Estos porcentajes son mayores que los artículos analizados anteriormente. La comparación del valor de ηel con un sistema no refrigerado mostró que el rendimiento mejora aproximadamente un 14,82%, 15,22% y 16,2%, para STR1, STR2 y STR3, respectivamente. A medida que aumenta la irradiancia solar, el valor de ηel se reduce aproximadamente 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.

Se ha publicado una corrección a este artículo: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38125-6

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Descargar referencias

Esta investigación está financiada por la Universidad Tecnológica Babol Noshirvani, subvención de investigación n.º P/M/1119.

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

Z. Khalili y M. Sheikholeslami

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

Z. Khalili y M. Sheikholeslami

Departamento de Ingeniería y Ciencias de la Computación, Universidad de Pittsburgh en Johnstown, Johnstown, PA, EE. UU.

Incluyendo a Momáez

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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 reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

La versión original de este artículo contenía un error en la Afiliación 3. “Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, Universidad de Pittsburgh, Pittsburgh, EE. UU.”. ahora dice: “Departamento de Ingeniería y Ciencias de la Computación, Universidad de Pittsburgh en Johnstown, Johnstown, PA, EE. UU.”. El artículo original ha sido corregido.

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Reimpresiones y permisos

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

Descargar cita

Recibido: 27 de enero de 2023

Aceptado: 17 de mayo de 2023

Publicado: 21 de mayo de 2023

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

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