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Apr 11, 2023

水を利用したソーラーパラボラコレクターの実験研究

Rapporti scientifici Volume 13,

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7398 (2023) この記事を引用

404 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

限られた実験研究は、多層カーボンナノチューブ (MWCNT)、つまり低体積濃度の太陽放物面コレクター内の界面活性剤を含む水ナノ流体に関するものでした。 大量の濃縮されたナノ流体では、作動流体の粘度の増加とナノ粒子のコストの増加により、圧力損失がさらに大きくなりました。 したがって経済的ではありません。 この報告書は、太陽放物面集光器用途における効果的な熱伝達を確立するために、低体積濃縮 MWCNT 水ナノ流体にドデシル ベンゼン スルホン酸ナトリウム (SDBS) 界面活性剤を使用することを試みました。 安定した MWCNT-水ナノ流体は、0.0158、0.0238、および 0.0317 の体積濃度で調製されました。 実験は、ASHRAE 規格に従って 6、6.5、7 L/min の流量で 10:00 から 16:00 まで実施されました。 作動流体の流量が 7 L/min の場合、作動流体と吸収管の間の温度差が最小限に抑えられると、熱伝達が向上します。 水中の MWCNT の体積濃度が増加すると、水と MWCNT ナノ粒子の間の表面積の相互作用が強化されます。 これにより、流量 7 L/min で太陽放物線集光器の最大効率が 0.0317 vol% となり、蒸留水よりも 10 ～ 11% 高くなります。

エネルギー需要の増加と、地球温暖化や化石燃料の有害排出などの問題により、再生可能エネルギー源への移行が進んでいます。 太陽エネルギーは、現在のエネルギー需要を満たす有望な選択肢の 1 つでした。 太陽エネルギーは、太陽集熱器と太陽電池から得ることができます。 太陽電池は太陽エネルギーを電気エネルギーに直接変換し、太陽熱集熱器は高温用途に使用されます。パラボラ集光器は、150 ～ 400 °C1 で動作する線形集光器タイプの太陽熱集熱器です。 パラボラコレクタは、太陽放射を反射して放物線の形状を有するミラーまたはコレクタと、ミラーからの放射を受け取り、ミラーの焦点位置に配置される吸収管または受光管とから構成される。 吸収管は熱を作動媒体に伝達します。 この加熱された流体は産業用途や発電用途に利用されます。 レシーバーチューブと作動媒体を変更すると、パラボラコレクター内の熱伝達が強化されます。 レシーバーチューブの変更とは、レシーバーチューブの材質の変更、レシーバーチューブへの熱コーティングの適用、レシーバーチューブの設計の変更、レシーバーチューブの内面の変更、レシーバーチューブの外面への効果的なガラスカバーの追加を意味します。 レシーバーチューブには、より高い熱伝導率の材料が選択されました。 作動流体の前進は、ベース流体にナノ粒子を導入することによって達成でき、そのような流体はナノ流体として知られている。 ナノ流体におけるナノ粒子の役割は、作動流体の熱伝導率を高めることで熱伝達を高めることです。 したがって、ナノ流体ではより高い熱伝導率のナノ粒子が使用されます。 多くの研究者が、ナノ流体の体積濃度、体積流量、および吸収管の材料が太陽放物面集光器の性能に及ぼす影響について研究してきました。 気象条件や日射量の影響も考慮されます。 上記のパラメーターについて詳細な文献レビューが実行されました。これについては以下で説明します。 実験は、機能流体として体積分率 0.2 および 0.3 vol% の CNT オイルを使用して、レシーバーチューブのさまざまなコーティングと材料について実行されました。 実験は、吸収管の光学的および熱的性能をチェックするために、パラボラコレクタを使用して実施されました。 彼らは、黒色クロムメッキを施した真空銅管が良好な結果をもたらすことを発見しました2。 実験作業は、銅の吸収管上に 20 ～ 40 nm の CNT ナノ粒子をコーティングすることによって実行されました。

結果は、吸収管上のコーティングされた CNT ナノ粒子を 0.05 vol% の Al2O3 ナノ流体で 2 L/min で修飾すると、蒸留水と比較して 8.6% の捕集効率向上が得られたことを示しています3。 数値解析は、ハイブリッド ナノ流体と体積分率が 1 ～ 4% の範囲で変化するパラボラ コレクターの U 字型レシーバー チューブで実行されました。 シミュレーションは、表面多相ナノ流体の流れをシミュレートするためのオイラー・オイラー法、放射線のシミュレーションのための対面相互作用、および乱流の計算に使用される典型的な k 乱流モデルに基づいていました。 結果は、U 字型レシーバーチューブが同じ水力直径を持つ標準パイプよりも良い結果をもたらすことを示しました4。 Al2O3-サーマルオイルナノ流体を用いた収束-発散レシーバーチューブについて数値研究が実施されました。 収束/発散正弦波形状のレシーバーチューブにより、円筒形の吸収チューブと比較して熱伝達の表面積が増加しました。 これにより、流れの乱流がさらに大きくなります。 この乱流により、熱伝達とコレクターの効率が向上します5。 吸収管を覆うガラス管が光学性能に及ぼす影響について実験が行われた。 レシーバーチューブは外側のガラスチューブで構成されており、裸のレシーバーチューブと比較して長波放射の透過率が向上し、コレクターの光学性能が向上します。 この調査は、エチレングリコール中の 0.1、0.2、0.3 vol% MWCNT の体積濃度を変化させることによって行われました6。 ツイストネイルテープを挿入して吸収チューブの実験的検討を行った。 Al2O3-H2O ナノ流体は、太陽放物線集光器内で 0.1 および 0.3% の体積濃度で作動流体として使用されました。 研究中に層流条件が考慮され、熱伝達と摩擦係数が分析されました。 その結果、ナノ流体を含む吸収チューブ内にねじれたネイルテープが存在すると、顕著な熱伝達が行われ、同時に摩擦係数が増加すると結論付けられました7。 吸収管の改造の効果は調査研究で説明されています。

実験研究は、太陽放物面コレクター内の Al2O3 -水ナノ流体を使用して、体積分率を 0.05 ～ 0.5%、質量流量を 0.0083 ～ 0.05 kg/s に変化させて実施されました。 最高の太陽光集熱器効率は、0.5 vol% の Al2O3 を使用した場合に 0.05 kg/s で達成されました。 ベース流体にナノ粒子を固定することにより、水に関する捕集効率が 3.4% から 8.54% に向上します8。 さまざまな場所にある太陽放物線コレクター内の MWCNT-水ナノ流体について実験的および数値的調査が行われました。 その結果、流量が 0.2 L/s 未満の場合、低体積濃度の方がより優れた熱水力学的性能が得られると結論付けられました9。 実験研究は、水ベースのナノ流体中の 0.2 wt% の酸化グラフェンとアルミナのナノ粒子に対して行われました。 太陽放物線システムの流量は 1 ～ 5 L/min で変化しました。 純水と比較して、酸化グラフェンと水のナノ流体を使用した場合、1 L/min で最高のコレクター効率 63.2% が得られました。 この結果は、酸化グラフェンのナノ粒子がアルミナよりも長く、熱伝導を良くするために気泡の形成を避けるために吸収管の内面に薄い層を形成するためでした10。 数値解析は、太陽放物面集光器用の水中 3% 量分率の CuO および Al2O3 ナノ粒子に対して実行されました。 明確な暖かさ入力に対する k-ε RNG 乱流モデルを使用した評価には、有限体積アプローチが採用されました。 数値試験により、3 vol% の温度で、Al2O3-水の場合は 28%、CuO-水のナノ流体では 35% 増加する温かさスイッチが確認されました 11。 上記の研究成果は、太陽集熱器の性能に対するさまざまなナノ粒子とその濃度の影響に関する情報を提供します。

太陽放物線コレクター上で MWCNT-水ナノ流体を使用した実験研究が行われました。 実験中、MWCNTの体積分率は0.01%と0.02%に変化し、水流量は100L/hと160L/hに変化し、MWCNTの安定性を高めるために界面活性剤Triton Xa 100が使用されました。 最大のコレクタ性能は、160 L/h で 0.02 vol% で達成されました 12。 実験および CFD 解析は、太陽放物線コレクター内の SiO2-水および CuO-水のナノ流体に対して行われました。 体積流量は、0.01 vol% の SiO2 および CuO ナノ粒子で 40 L/h と 80 L/h に変化しました。 ナノ粒子の安定性は、ヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド界面活性剤によって強化されました。 実験と CFD の結果は、CuO-水ナノ流体が両方の流量でより優れたパフォーマンスを発揮すると結論付けました13。 ナノ粒子の安定性に対する界面活性剤の影響は、上記の研究論文で取り上げられています。

数学モデルは、太陽放物線コレクター内のハイブリッド ナノ流体を使用して開発されました。 ハイブリッド ナノ流体では、ベース流体に複数の種類のナノ粒子が使用されます。 この数値研究では、レイノルズ数 10,000 ～ 80,000 の間で、Syltherm 800 ベース流体に 1 ～ 4 vol% の Ag-ZnO、Ag-TiO2、および Ag-MgO ハイブリッド ナノ粒子の組み合わせを使用しました。 この研究では、ハイブリッド ナノ流体がベース流体よりも効果的であり、すべてのハイブリッドの組み合わせの中で、4 vol% Ag-MgO-Syltherm 800 ナノ流体が最も高い熱効率を示すことが明らかになりました 14。 CuO-MWCNT-水ハイブリッドナノ流体について実験研究が行われ、結果が個々のナノ流体と比較されました。 直接太陽エネルギー収集システムでは、CuO の濃度は 0.15 wt%、MWCNT は 0.005 wt% で使用されます。 ナノ流体の性能は光熱吸収によって分析されました。 その結果、ハイブリッドナノ流体は熱伝達において個々のナノ流体よりも優れた性能を発揮すると結論付けられました15。 Al2O3 (3 vol%)-Syltherm 800、Al2O3 (3 vol%)-Syltherm 800、および Al2O3 (1.5 vol%)-TiO2 (1.5 vol%)-Syltherm 800 ハイブリッド ナノ流体を使用したパラボラコレクタで数値研究を実施しました。 。 流量は 150 L/min、入口温度は 300 ～ 650 K でした。数値結果により、ハイブリッド ナノ流体が個々のナノ流体よりも優れた性能を発揮することが確認されました 16。 上記の研究では、ハイブリッド ナノ流体がソーラー パラボラ コレクターの効率に与える影響について説明しています。

太陽熱集熱器に適切な相変化材料を採用することで、蓄電容量を強化します。 この調査では、太陽熱温水器と空気加熱器に相変化材料 (PCM) を使用する単一ユニットの太陽熱集熱器を分析し、PCM ベースのシステムのさまざまな設計を調査しました。 アプリケーションに基づいて、ストレージのための効果的なシステムが提案されました17。 ある研究では、タンクレス太陽熱温水器で形状安定化相変化材料をテストし、熱効率を 66% から 82% に改善しました。 流量の変化による影響は最小限でした。 コスト分析の結果、回収期間は 6 年であり、年間 5.4 トンの CO2 排出量が削減されることが示されました18。 ある研究では、真空管ソーラーコレクターのバックパイプを使用して、停滞領域を除去し、熱性能を向上させることが調査されました。 結果は、熱損失が 42% 減少し、熱伝達率が 10% 向上したことを示しました。 システムのパフォーマンスをモデル化するために回帰手法が使用され、実験データと合理的に一致しました19。 これらの論文は、太陽熱集熱器で使用される相変化貯蔵タンクの効果を提供しました。

上記の考察は、MWCNT ナノ粒子が他のナノ粒子と比較してより高い熱伝導率を有することを示しています。 太陽放物面集光器の性能を向上させるために MWCNT と界面活性剤を使用する試みはほとんど行われていません。 現在の研究では、MWCNT-水ナノ流体を使用してパラボラコレクターの性能を向上させる試みが行われ、蒸留水中でMWCNTを安定させるためにSDBS界面活性剤が使用されました。 MWCNT の体積分率は 0.0158、0.0238、0.0317 vol% と変化し、体積流量は 6、6.5、7 L/min と変化しました。

このセクションでは、実験中に使用された材料と方法について報告します。

ベース流体: 蒸留水およびナノ粒子: MWCNT は、インドのカルナータカ州シモガにある Ad-nano technology private Limited によって供給されます。 調達した MWCNT は、化学気相成長法を使用して合成されました。 MWCNT サンプルは、脱イオン水で複数回洗浄され、その後濾過され、その後 80 °C で 2 時間乾燥されて、水分が精製および除去されました 20。 次に、MWCNT サンプルを標準に従って TEM 分析用に準備しました。 TEM は、ナノ流体中のナノ粒子の特性評価と分析のための強力なツールであり、ナノ粒子のサイズ、形態、分散、結晶構造、化学組成、界面相互作用、およびさまざまな条件下での挙動に関する貴重な情報を提供します。 この情報は、ナノ流体の特性と挙動を理解し、さまざまな用途でのパフォーマンスを最適化するために重要です。

界面活性剤: 蒸留水中で MWCNT を安定化させるために、Lob Chemie Pvt. から提供される SDBS を使用します。 Ltd. インド、マハラシュトラ州ムンバイを使用しました。

調達したMWCNTは、物理的特性を検証するために高解像度透過型電子顕微鏡で特性評価され、図1aに示されています。 蒸留水中での MWCNT の拡散は、周波数 40 ± 3 kHz の超音波浴 (Labman Scientific Instruments Pvt. Ltd.) を使用して操作され、図 1b に示されています。 温度の測定には熱電対が使用され、動作範囲は 0 ～ 199 °C です。 作動流体の体積流量は、動作範囲 1 ～ 30 L/min のロータリー式流量計によって測定されました。 風速を測定するには、0 ～ 45 m/s の範囲で風速計を使用しました。 一日の日射量は太陽光発電計を使用して測定され、図1cに示されています。 動作範囲は 0 ～ 1999 W/m2 です。

特性評価、ナノ流体の調製および太陽放射の測定に使用した機器 (a) MWCNT TEM 画像 (b) ナノ流体用の超音波槽 (c) 太陽光発電メーター。

CNT ナノ流体の調製には 2 段階の方法が検討されました。 まず、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム (SBBS) を使用して界面活性剤溶液を調製し、次に MWCNT ナノ粒子を溶液と混合し、界面活性剤/MWCNT の 1:1 比を維持しました 21、22、23。 調製した溶液を500 rpmで最大10分間磁気ステアに適用し、その後40分間超音波処理して溶液中にMWCNTを分散させた。 ナノ流体表 1 の形成中に、MWCNT 体積分率 0.0158、0.0238、および 0.0317 vol% が使用されました。計算中に、MWCNT と水の熱物理的特性が考慮されました。 MWCNT の安定性については、「水中のさまざまな濃度の MWCNT ナノ粒子の影響」セクションでさらに説明しました。

ナノ粒子がベース流体の水に添加されると、その流体の特性が変化しました。 ナノ粒子の添加は体積濃度の観点から測定され、式(1)によって決定されます。 (1)20．

ナノ流体の密度は、Pak と Xuan のモデル式によって定式化されます。 (2)24．

ナノ流体の比熱は、式 1 を使用して計算されます。 (3)24．

ナノ流体の熱伝導率は、マクスウェル モデル式 (1) によって推定されました。 (4)21．

ナノ流体の動的粘度は、学士モデル式によって決定されました。 (5)25．

ソーラーパラボラコレクターの概略配置を図2aに示します。 インドのデリーにあるEco-senseによって供給されたソーラーパラボラコレクターの性能テストが図2bで行われています。 表 2 に、装置の仕様の詳細を示します。 この実験はインドのバンガロール(北緯13度1分50秒～東経77度33分54秒)で試験的に実施されました。 太陽集熱器は南北に配置され、このセットアップには、20 分ごとに太陽の位置に合わせて放物面集光器の位置を調整する自動追跡機構が備わっています。 パラボラコレクタの集光係数は 20 で、吸収管に集中する太陽放射の量を表し、反射率は 85%、吸収率は 95% です。 集中係数、反射率、吸収率が高くなると、温度が上昇するため作動流体の熱伝達が増加します。 実験は ASHRAE 規格に従って実施されました。 ソーラーコレクターの全体的な熱性能を比較する際、さまざまな放射線事故、周囲温度、および流体消費温度が考慮されます。 定常国実験は、コレクタに入射する太陽放射の電荷と、コレクタを通って流れる作動流体への電気スイッチの電荷を決定するために重要です。 実験データは、単一流量で 1 時間間隔で 10:00 から 16:00 まで取得され、流量は 6、6.5、および 7 L/min と変化しました。

ソーラーパラボラコレクターの実験装置 (a) ソーラーパラボラコレクターの概略セットアップ (b) ソーラーパラボラコレクターの試験装置の正面図と側面図。

作動流体の入口温度は期間によって異なりました。 したがって、有効エネルギー利得の割合は式によって計算されました。 (6)10．

式 (7) は、受信管による獲得エネルギーとエネルギー損失の変化による有効エネルギー利得の割合を決定します10。

ソーラーパラボラコレクタの瞬間効率は、方程式を使用して計算されます。 (8)および(9)10．

校正データとメーカーの仕様から得られる標準不確かさは、機器の制限と校正誤差を考慮して信頼性の高い結果を保証します。 これは標準偏差または拡張不確実性として表され、通常はカバレッジ係数を使用します。 測定の精度と精度を評価し、さらなる分析のために信頼できる結果を保証するために重要です。 測定装置の標準不確かさは次の式で与えられます。 (10)。

太陽熱集熱器の瞬間効率の不確実性は、式 1 で与えられます。 (11)17,26,27

瞬間的な太陽光発電効率は、全体的な不確実性を 4.5% として決定されました。 この不確かさは、流量計 ± 4.1%、熱電対 ± 0.5 °C、風速計 ± 3%、日射計 (± 5.5%) の個々の不確かさを考慮して計算されました。

実験は、太陽熱システムの性能に関するデータを収集するために、2022年3月から4月、具体的には10時から16時まで綿密に実施されました。 図 3a は、ベース流体として蒸留水を 6 L/min の一定体積流量で使用した場合の、周囲温度、流体入口温度、出口温度を含む、日射強度と温度の時間的変化をグラフで示しています。 日射強度と温度も、システムの動作に対する影響を包括的に評価するために、異なる体積流量、つまり 6、6.5、および 7 L/min ごとに熱心に記録されました。 収集されたデータは、ASHRAE 基準に従って厳密に評価されました。 分析の結果、各テスト期間における周囲温度、入口温度、出口温度の最高温度変動はそれぞれ 0.7 °C、0.5 °C、0.6 °C であることが判明しました。 さらに、日射強度は 12:00 ～ 13:00 まで増加し、その後減少しました。 これらの発見は、さまざまな動作条件下でのシステムのパフォーマンスに関する貴重な洞察を提供し、より効率的な太陽熱システムの開発に貢献できます。

温度、日射量、時間帯に応じた瞬間効率の測定 (a) 作動流体として水流量 6 L/min での、時間帯に応じた Ta、Ti、To、S の実験測定 (b) 瞬間日射量異なる体積流量における T* に関するコレクタ効率。

図 3b は、温度パラメーターを低減した場合の太陽光集熱器効率の瞬間効率を表しています。\({\text{T}}^{*}=\frac{\left({\text{T}}_{\text{i}}) -{\text{T}}_{\text{a}}\right)}{\text{S}}\) を異なる体積流量で使用します。 読み取り値は線形方程式としてプロットされ、FRU1 および FR(τα) の値は、データをさまざまな体積流量の線形方程式に当てはめることによって得られました。 各体積流量における効率パラメータ FRU1 および FR(\({\uptau \upalpha }\)) を表 3 に示します。FRU1 の低い値 = 22.38、高い値の FR(τα) = 0.7959 7 L/minで得られます。 これは摩擦係数が低いことを示しており、これにより吸収管全体の圧力降下が減少し、吸収管内の透過率が向上します。 これにより、太陽熱集熱器の瞬間効率が向上します。 ７Ｌ／分では、ＦＲＵ１＝２２．３８という低い値と、ＦＲ（τα）＝０．７９５９という高い値が得られる。 これは摩擦係数が低いことを示しており、これにより吸収管全体の圧力降下が減少し、吸収管内の透過率が向上します。 これにより、太陽熱集熱器の瞬間効率が向上しました。 さらに、より高い体積流量が太陽熱集熱器の効率にプラスの影響を与えることが観察されました。

ナノ流体は界面活性剤を使用せずに調製された。 この場合、MWCNT ナノ粒子は数分後に沈降しました。 MWCNT ナノ粒子は疎水性挙動に起因し、粒子間に強いヴァンダー ワールス力を形成しました。 MWCNT に界面活性剤を添加すると安定性が高まります。 CNT ナノ流体の調製には、アラビアゴム、トリトン X-100、デオキシコール酸ナトリウム、フミン酸、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム (SDBS) などが界面活性剤として使用されました28。 これらの界面活性剤の中で、SDBS が最も有望な結果をもたらします。 したがって、ナノ流体は、有効濃度の SDBS 界面活性剤を添加することによって調製されました。 これにより、MWCNT の表面が改質され、親水性で動作します。 界面活性剤の効果により、MWCNT 粒子間の反発力が強化され、凝集が回避され、安定性が維持されます 29。 MWCNT の安定性は写真法によって測定され、1 か月以上安定でした。 MWCNT の長期安定性は、3000 rpm で 30 分間の遠心分離法によって再度特性評価されました。 写真法でも結果は同じでした。 この安定したナノ流体はより効果的に実行され、その結果、太陽放物線状の集光器効率が得られました。

ナノ流体は、0.0158、0.0238、0.0317% などのさまざまな体積濃度で調製され、安定性を向上させるために SDBS 界面活性剤がベース流体と混合されます。 体積濃度の変化が、さまざまな還元温度での瞬間効率に及ぼす影響 \(\frac{\left({\text{T}}_{\text{i}}-{\text{T}}_{\text{ a}}\right)}{\text{S}}\) 流量 6、6.5、7 L/min での結果を図 4a ～ c​​ に示します。 ソーラーパラボラコレクターの瞬間効率は、すべての体積流量の体積​​分率に応じて増加しました。 体積分率 0.0158% で流量 6 L/min の場合、コレクターの瞬間効率はベース流体と比較して 2% 増加します。 体積分率が 0.0238% の場合は効率が 3%、体積分率が 0.0317% の場合は 4% 増加します。 6.5 L/min の流量では、体積分率が 0.0158% の場合、コレクターの瞬間効率は蒸留水と比較して 3% 増加しました。 同様に、同じ流量では、体積分率 0.0238% と 0.0317% で効率がそれぞれ 4% と 7% 向上しました。 7 L/min の流量では、6% の瞬間効率が 0.0158% の体積分率で拡大されました。 効率はさらに、体積分率 0.0238% および 0.0317% で 8% および 11% とプラスの優位性を示しました。 ベース流体中のナノ粒子の拡散により、ナノ流体の熱伝導率が大幅に向上し、その結果、熱伝達特性が向上します30。 この増加した熱伝導率により、より効率的な熱放散が可能になり、ソーラーパラボラコレクターの性能向上につながります。

水中の異なる濃度の MWCNT ナノ粒子の影響 (a)、(b)、および (c) それぞれ 6、6.5、および 7 L/min でのコレクターの瞬間効率 ηi 対 T*、および (d) 水と水の FTIR 分光法ナノ流体。

カーボン ナノチューブ (CNT) は、他のナノ粒子を上回る優れた熱伝導率で知られています。 直径が 5 ～ 15 nm のこれらのナノチューブは、効率的な熱伝達のためのより大きな表面積をもたらす独特の円筒形を誇り、さまざまな用途に非常に望ましいものとなっています 24。 さらに、CNT がベース流体中でより低い体積分率で使用される場合、CNT はニュートン流体挙動を示し、粘度に大きな変化がなくスムーズに流れます。 この特性は、最適な熱伝達が最大の性能を得るために重要であるソーラーパラボラコレクターなどの用途で特に有利です。 さらに、CNT が熱変動によりランダムな運動を示すブラウン運動メカニズムは、ナノ流体に使用すると太陽放物線集光器の効率を高めることができます。

ただし、体積分率が高くなるとナノ流体の密度が高くなり、非線形挙動が生じます。 CNT の体積分率が増加すると、ナノ粒子間のヴァンダーワールス引力がブラウン運動よりも強くなり、その結果、太陽放物面集光器の安定性が低下し、性能が低下します。 したがって、本研究では、低コストで最良の結果を達成するために、CNT の体積濃度を意図的に低い範囲に維持し、ソーラーパラボラコレクターの最適な性能と安定性を確保しています。

図4dでは、FTIR分光法により、ナノ流体内の原子結合に関する重要な情報が明らかになりました。 1450 cm-1付近のピークは、ナノ流体に使用されるSDBS界面活性剤に存在する対称的な炭素-水素結合を示し、吸収エネルギーは界面活性剤の濃度とともに増加した。 ほぼ 1600 および 3300 cm-1 のピークは、それぞれ曲げモードと伸縮モードでの水分子からの酸素結合と水素結合を示しました。 2800 ～ 2900 cm-1 付近の弱い炭素-炭素結合ピークは、MWCNT からの炭素原子の存在を示しており、濃度が高くなると作動流体によるエネルギー吸収が強化されます 31。

ただし、エネルギー吸収は、太陽光の強さ、吸収体の表面温度、作動流体の入口温度などの環境要因によって変化する可能性があることに注意することが重要です。 吸収管表面と作動流体との間の温度差が減少すると、熱利得が減少する可能性があります。 研究結果に基づくと、ナノ流体は、20 L の貯蔵容量に対して 1 時間あたり 1000 ～ 1220 ジュールの範囲のエネルギー増加を達成する可能性があります。 これらの値は、MWCNT ナノ粒子がベース流体に分散されているときにシステムから得られる潜在的な熱エネルギーを表します。

ナノ流体の体積流量は、調整バルブによって 6、6.5、7 L/min に変化しました。 すべての体積流量におけるコレクタの瞬間効率と換算温度パラメータ \({\text{T}}^{*}=\frac{\left({\text{T}}_{\text{ i}}-{\text{T}}_{\text{a}}\right)}{\text{S}}\) の変更が確立されます。 図 5a ～ c​​ は、それぞれ 6、6.5、および 7 L/min での 0.0158、0.0238、および 0.0317 vol% のナノ流体の変化を示しています。 ナノ流体のすべての体積濃度において、太陽集熱器の効率は体積流量の増加とともに増大します。 作動流体の流量が増加すると温度勾配が減少し、これにより高い熱伝達係数が発生します。 これは、Ti と Ta の間の温度差 (温度勾配) の減少であり、T* パラメーターの値が小さくなるため、太陽熱集熱器の効率が向上します 3,8,32。 研究者 Lyudmila Knysh による数値法に関する以前の研究は、MWCNT-水ナノ流体を使用して実施され、太陽熱集熱器の効率が 10% 近く向上しました 33。

太陽放物線集光器の効率に対する体積流量の影響 (a)、(b)、(c)。 0.0158、0.0238、および 0.0317 vol% ナノ流体の異なる体積流量におけるコレクタの瞬間効率 ηi 対 T*。

実験作業は、ASHRE 規格に従って、さまざまな流量のさまざまな体積分率％のナノ流体のソーラーパラボラコレクターで行われます。 実験結果から、体積流量が増加するとコレクタ効率が増加します。 高流量では、吸収管と作動流体の間の温度差は最小になります。 したがって、より多くの熱が伝達されます。 十分な量の SDBS 界面活性剤をナノ流体に添加すると、MWCNT ナノ粒子のブラウン運動が改善されます。 これにより、ナノ粒子が効果的に安定し、熱伝達が向上します。 ベース流体中の MWCNT の体積濃度が増加すると捕集効率が向上しますが、同じ作動流体の粘度が増加するため、ベース流体へのナノ粒子の付着には一定の制限があります。 本研究では、0.0317 vol% で 7 L/min のナノ流体が最も高い捕集効率を示しました。 今回の実験作業では、太陽光集熱器の効率がわずかに 10 ～ 11% 向上しました。

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

アンビエント

コレクターの面積 (m2)

ベース液

濃縮率

カーボンナノチューブ

比熱 (J/kg K)

直径(m)

赤外線フーリエ変換

液体入口 (°C)

流体出口（℃）

コレクタ熱除去係数

熱伝導率(W/mK)

コレクターの長さ(m)

リットル/時

リットル/分

質量(kg)

質量流量 (kg/s)

分

多層カーボンナノチューブ

ナノ流体

ナノ粒子

有効エネルギー利得 (W)

毎分回転数

全球日射量 (W/m2)

ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム

温度(℃)

低減温度(K-m2/W)

透過型電子顕微鏡

全体の損失係数 (W/m2K)

コレクターの幅 (m)

密度(kg/m3)

体積濃度(vol%)

動粘度(Ns/m2)

瞬間効率

透過吸収率

プライス、H. et al. パラボラトラフ太陽光発電技術の進歩。 J. 太陽エネルギー工学トランス。 ASME 124(2)、109–125。 https://doi.org/10.1115/1.1467922 (2002)。

記事 Google Scholar

Kasaeian, A.、Daviran, S.、Azarian, RD & Rashidi, A. ソーラーパラボラトラフコレクターの性能評価とナノ流体を使用した能力研究。 エネルギー変換管理 89、368–375。 https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.09.056 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

スブラマニ、J.、P. セベル、SA Srinivasan。 今日の資料: Al2O3 ナノ流体を使用した太陽パラボラ トラフ コレクターの効率に対する CNT コーティングの影響の進行 (重回帰アプローチ)。 メーター。 今日はProc. 45(2)、1857 ～ 1861 年。 https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.09.047 (2020)。

ヤン、S.ら。 二相ハイブリッド非ニュートンナノ流体を含む二流体放物面太陽集熱器の熱水力学的性能と効率に対するU字型吸収管の影響。 内部。 J. Mech. 科学。 https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2020.105832 (2020)。

記事 Google Scholar

Bellos, E.、Tzivanidis, C.、Antonopoulos, KA & Gkinis, G. ナノ流体と収束発散吸収管を使用した太陽放物線トラフコレクターの熱強化。 更新します。 エネルギー 94、213–222。 https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.03.062 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

Kasaeian, A.、Daneshazarian, R.、Rezaei, R.、Pourfayaz, F. & Kasaeian, G. トラフコレクターにおけるナノ流体直接吸収の熱挙動に関する実験的研究。 J. クリーン。 製品。 158、276–284。 https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.04.131 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Jafar, KS & Sivaraman, B. ナノ流体を使用したソーラーパラボラトラフコレクターと、ネイルツイストテープインサートを備えた吸収体の熱性能。 内部。 エネルギー J. 14(4)、189–198 (2014)。

Google スカラー

Subramani, J.、Nagarajan, PK、Wongwises, S.、El-Agouz, SA、Sathyamurthy, R. Al2O3 ナノ流体を使用したソーラーパラボラトラフコレクターの熱性能と熱伝達特性に関する実験的研究。 環境。 進歩を持続します。 エネルギー。 37(3)、1149–1159。 https://doi.org/10.1002/ep.12767 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Ahmed, A.、Said, Z.、Rahman, SMA、および Al-sarairah, E. 工業グレードの MWCNT ベースのナノ流体を使用したパラボラ トラフ コレクタ技術の熱および熱力学解析について。 更新します。 エネルギー 161、1303–1317。 https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.07.096 (2020)。

記事 CAS Google Scholar

Hosseini, S.、Mohammad, S. & Dehaj, MS Al2O3/水および GO/水のナノ流体で動作するパラボラトラフ太陽集熱器のエネルギー性能評価に関する実験的研究。 エネルギー https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.121317 (2021)。

記事 Google Scholar

Ghasemi、SE & Ranjbar、AA 作動流体としてナノ流体を使用したソーラーパラボラトラフコレクターの熱性能解析: CFD モデリング研究。 Ｊ．Ｍｏｌ． 液体。 222、159–166。 https://doi.org/10.1016/j.molliq.2016.06.091 (2016)。

記事 CAS Google Scholar

Singh, H. & Singh, P. 太陽放物線トラフコレクターの性能に対する MWCNT-H2O ナノ流体の有効性に関する実験的評価。 J.ファンダム。 更新します。 エネルギーアプリケーション 06(01)、1-6。 https://doi.org/10.4172/2090-4541.1000200 (2015)。

記事 ADS CAS Google Scholar

アジェイ、K.、L. クンダン。 作動流体としてナノ流体 (CuO-H2O および SiO2-H2O ) を利用した放物線形状の太陽集熱器の実験と CFD を組み合わせた研究。 （2016年）。

Ekiciler, R.、Arslan, K.、Turgut, O.、Kurşun, B. パラボラトラフ太陽熱集熱器の熱伝達性能に対するハイブリッドナノ流体の効果。 Ｊ．サーム． アナル。 カロリーム。 143(2)、1637–1654。 https://doi.org/10.1007/s10973-020-09717-5 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Qu, J.、Zhang, R.、Wang, Z. & Wang, Q. 直接太陽熱エネルギー収集用のハイブリッド CuO-MWCNT/H2O ナノ流体の光熱変換特性について。 応用サーム。 工学 https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.10.094 (2018)。

記事 Google Scholar

Bellos, E. & Tzivanidis, C. モノおよびハイブリッド ナノ流体で動作するパラボラ トラフ コレクタの熱解析。 持続する。 エネルギー技術評価。 26（10月）、105–115。 https://doi.org/10.1016/j.seta.2017.10.005 (2018)。

記事 Google Scholar

Sadeghi, G.、Mehrali, M.、Shahi, M.、Brem, G.、Mahmoudi, A. 相変化材料を採用したコンパクトな一体型太陽熱集電器と蓄電器の改修に関する実験研究の進捗。 ソル。 エネルギー 237 (1 月)、62–95。 https://doi.org/10.1016/j.solener.2022.03.070 (2022)。

記事 ADS CAS Google Scholar

Sadeghi, G.、Mehrali, M.、Shahi, M. & Brem, G. 酢酸ナトリウム三水和物とグラファイトを利用した直接吸収真空管ソーラーコレクターに適用された形状安定化 PCM の実験分析。 エネルギー変換管理 269(8 月)、116176。https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.116176 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Sadeghi, G.、Najafzadeh, M.、Ameri, M.、Jowzi, M. 熱工学のケーススタディ、データマイニング技術を伴うバックパイプ真空管ソーラーコレクター内の酸化銅ナノ流体のケーススタディ。 ケーススタッド。 熱工学 32（2 月）、101842。https://doi.org/10.1016/j.csite.2022.101842 (2022)。

記事 Google Scholar

アラヴィンド、S.ら。 官能化カーボンナノチューブベースのナノ流体の構造安定性、分散、粘度、伝導熱伝達特性の研究。 Ｊ．Ｐｈｙｓ． 化学。 C 115(34)、16737–16744。 https://doi.org/10.1021/jp201672p (2011)。

記事 CAS Google Scholar

Shaker, M.、Birgersson, E.、Mujumdar, AS 国際熱科学ジャーナルは、非局所熱伝達を考慮したナノ流体の熱伝導率の拡張マクスウェル モデルを作成しました。 内部。 J.熱科学。 84、260–266。 https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2014.05.010 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

Babita, S.、Sharma, K. & Gupta, SM 工業用熱伝達用途向けに水中での CNT の安定した分散液を調製するための SDBS と GA の相乗効果。 メーター。 解像度急行。 https://doi.org/10.1088/2053-1591/aac579 (2018)。

記事 Google Scholar

Jong, T.、Pil, S. & Kedzierski, MA 多層カーボンナノチューブを含む水ベースのナノ流体の安定性と太陽熱吸収特性に対する界面活性剤の影響。 内部。 J. 熱物質移動。 122、483–490。 https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.01.141 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Ilyas, SU、Pendyala, R.、Narahari, M. MWCNT サーマルオイルベースのナノ流体の安定性と熱分析。 コロイド表面の物理化学。 工学側面。 527、11–22。 https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2017.05.004 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Korres, D.、Bellos, E. & Tzivanidis, C. 層流条件下でのナノ流体ベースの化合物放物線状トラフ太陽集熱器の研究。 応用サーム。 工学 149、366–376。 https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.12.077 (2019)。

記事 CAS Google Scholar

Sadeghi, G. & Nazari, S. 抗菌性と磁性のハイブリッド ナノ流体を利用した真空管コレクタと統合された熱電ベースのソーラー スティルを改造しています。 脱塩 500 (2020 年 10 月)、114871。https://doi.org/10.1016/j.desal.2020.114871 (2021)。

記事 CAS Google Scholar

Khajeh, K.、Sadeghi, G. & Rouhollahi, R. エネルギーおよびエクセルギー解析に関する空気ベースのエジェクターの実験的および数値的熱流体評価。 内部。 共通。 熱物質移動。 116 (2020 年 7 月)、104681。 https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2020.104681 (2021)。

記事 Google Scholar

Vinayak, T.、Nasi, VB & Nagaraj, PB 太陽熱集熱器内の熱伝達を高めるためのベース流体のカーボン ナノチューブ パラメーターの影響に関するレビュー。 内部。 J. 環境エネルギー。 https://doi.org/10.1080/01430750.2022.2102069 (2022)。

記事 Google Scholar

Sharma, B.、Sharma, SK、Gupta, SM & Kumar, A. 熱伝達用途向けに長期安定な CNT ナノ流体を調製するための修正 2 段階法。 アラブ。 J.Sci. 工学 43(11)、6155–6163。 https://doi.org/10.1007/s13369-018-3345-5 (2018)。

記事 CAS Google Scholar

Gupta, M.、Singh, V.、Kumar, R.、Said, Z. ナノ流体の熱物性と熱伝達アプリケーションに関する総説。 更新します。 持続する。 Energy Rev. 74 (2015 年 12 月)、638–670。 https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.02.073 (2017)。

記事 CAS Google Scholar

Liu, Lu.、Zhang, X.、Lin, X. 動的 DSC 法による低温パラフィン/MWCNT/SDBS ナノ複合材料の熱性能と相変化ヒステリシスに関する実験的研究。 更新します。 エネルギー 187、572–585。 https://doi.org/10.1016/j.renene.2022.01.098 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

Yousefi, T.、Veisy, F.、Shojaeizadeh, E. & Zinadini, S. 平板太陽熱集熱器の効率に対する MWCNT-H2O ナノ流体の影響に関する実験的研究。 経験値熱流体科学 39、207–212。 https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2012.01.025 (2012)。

記事 CAS Google Scholar

Knysh, L. 多層カーボン ナノチューブ/水ナノ流体を使用した低温放物線状トラフ システムの熱流体モデリングと熱力学解析。 内部。 J.熱科学。 181(6 月)、107770。https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2022.107770 (2022)。

記事 CAS Google Scholar

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著者らは、サウジアラビア、リヤドのキング・サウド大学の研究者支援プロジェクト番号 (RSP2023R6) に感謝します。

MS ラマイア工科大学機械工学科 (VTU 所属)、バンガロール、560054、インド

ヴィナヤック タルゲリ、ナガラジ バサバラジ パッタナ、ヴィーランナ バサバナッパ ナシ

アダマ科学技術大学機械化学材料工学部機械工学科、1888年、アダマ、エチオピア

キラン・シャープルカー

VLSI マイクロエレクトロニクス学科、サヴィータ工学院、サヴィータ医科技術科学研究所、チェンナイ、タミルナドゥ、602105、インド

マンズーレ・エラヒ・モハマド・ソウダガー

サウジアラビア、リヤドのキング・サウード大学理学部化学科

タンシル・アハマド

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

医学博士。 アブル・カラム

機械工学科、Nitte Meenakshi Institute of Technology、Yelahanka、Bangalore、560064、インド

キラン・マドラハリ・チダナンダムルシー

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

ナビサブ・ムジャワル・ムバラク＆ラマ・ラオ・カリ

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VT、NPB、VBN：調査、可視化、原案作成、レビュー、編集。 KS、MEMS、TA、MAK、KMC、NPB: 概念化、調査、視覚化。 NMM と RRK は原稿をレビューし、編集しました。

ヴィニャヤク・タルゲリ氏またはナビサブ・ムジャワル・ムバラク氏への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

タルゲリ、V.、パッタナ、NB、ナシ、VB 他。 低体積濃度の水系多層カーボンナノチューブを用いたソーラーパラボラコレクターの実験研究。 Sci Rep 13、7398 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-34529-6

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受信日: 2023 年 3 月 8 日

受理日: 2023 年 5 月 3 日

公開日: 2023 年 5 月 6 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34529-6

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