Энергетический, эксергетический и экономический (3E) анализ флэта

Научные отчеты, том 13, номер статьи: 411 (2023) Цитировать эту статью

1583 Доступа

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Использование солнечной энергии является одной из наиболее известных стратегий решения нынешних проблем управления энергией. Солнечная энергия используется во многих жилых секторах посредством плоских солнечных коллекторов. Термический КПД плоских солнечных коллекторов повышается, когда обычные теплоносители заменяются наножидкостями, поскольку они обладают превосходными теплофизическими свойствами по сравнению с обычными теплоносителями. Концентрированные химические вещества используются в традиционных методах синтеза наножидкостей, которые производят опасные токсичные побочные продукты. Настоящее исследование исследует влияние новой зеленой ковалентно функционализированной галловой кислоты, обработанной многостенными углеродными нанотрубками и водной наножидкостью, на производительность плоских пластинчатых солнечных коллекторов. Согласно методам анализа стабильности, включая ультрафиолетово-видимую спектроскопию и дзета-потенциал, GAMWCNT обладают высокой стабильностью в базовой жидкости. Экспериментальная оценка показывает, что теплофизические свойства наножидкости лучше, чем у базовой жидкости, деионизированной воды. Энергетический, эксергетический и экономический анализ выполнен с использованием 0,025%, 0,065% и 0,1% массовых концентраций ГАМУНТ-воды при различных массовых расходах 0,010, 0,0144, 0,0188 кг/с. Внедрение наножидкости GAMWCNT улучшило тепловые характеристики плоских солнечных коллекторов с точки зрения энергетической и эксергетической эффективности. Эффективность повышается с увеличением теплового потока, массового расхода и весовой концентрации, но наблюдается снижение эффективности при увеличении температуры на входе. Согласно экспериментальным данным, наибольшее улучшение энергоэффективности составляет 30,88% для массовой концентрации наножидкости GAMWCNT 0,1% при скорости 0,0188 кг/с по сравнению с базовой жидкостью. Эксергетический КПД коллектора увеличивается с ростом весовой концентрации и снижается с увеличением расхода. Наибольший эксергетический КПД достигается при концентрации GAMWCNT 0,1% и массовом расходе 0,010 кг/с. Наножидкости GAMWCNT имеют более высокие значения коэффициента трения по сравнению с базовой жидкостью. С увеличением массовой концентрации наножидкости наблюдается небольшой прирост относительной мощности накачки. Значения индекса эффективности более 1 достигаются для всех концентраций GAMWCNT. При работе солнечного теплового коллектора при скорости 0,0188 кг/с и массовой концентрации наножидкости GAMWCNT 0,1% достигается наибольшее уменьшение размеров - 27,59% по сравнению с плоским солнечным коллектором с водой в качестве теплоносителя.

Население мира и потребление энергии быстро растут. Индустриализация и глобализация современной человеческой культуры являются основными причинами такого увеличения потребления энергии. Международное энергетическое агентство прогнозирует, что к концу 2040 года мировое потребление энергии вырастет примерно на 30%1. Ископаемое топливо удовлетворяет 86% мирового спроса на энергию2. Мировые запасы ископаемого топлива быстро истощаются, а окружающая среда сильно загрязнена. Задача нынешней эпохи состоит в том, чтобы удовлетворить потребности в энергии без дальнейшего ухудшения состояния окружающей среды. Цель устойчивого развития 7 становится проблемой, которая стоит перед каждой страной и затрагивает каждого. Основная цель Цели устойчивого развития 7 — обеспечить экономичную, чистую, эффективную, надежную и доступную для всех людей энергию. Поскольку традиционные энергетические ресурсы ограничены, поиск альтернативных источников энергии активизировался во всем мире. Ресурсы возобновляемой энергии доказали, что они могут удовлетворить потребность в чистой энергии3.

Благодаря своей доступности и доступности солнечная энергия пользуется большим спросом, чем другие возобновляемые источники энергии. Солнечную энергию можно использовать по-разному. Солнечное тепло может использоваться для различных целей, включая отопление помещений, горячее водоснабжение, охлаждение и даже технологическое отопление4,5. Сбор и преобразование солнечной энергии является ключевым направлением в этом энергетическом секторе. Энергию Солнца можно легко собрать и преобразовать в тепловую или электрическую энергию. Этот процесс преобразования энергии может осуществляться различным оборудованием и технологиями, такими как фотоэлектрические и солнечные тепловые коллекторы. В солнечных коллекторах используется теплообменная жидкость для преобразования солнечной энергии в тепловую. Поглотительная пластина коллектора улавливает солнечную энергию и передает ее поглотительной жидкости, увеличивая ее внутреннюю энергию, которую впоследствии можно использовать для различных целей. Плоские солнечные коллекторы (FPSC) без оптической концентрации используются в диапазоне температур 40–100 °C. Они подходят для домашнего применения из-за своей простоты, легкости обслуживания и минимальных эксплуатационных расходов. FPSC имеет относительно низкую эффективность и температуру на выходе. Материалы, конструкция6, покрытие пластины коллектора7, угол наклона8, климатические условия9 и рабочая жидкость10 — все это факторы, влияющие на эффективность плоских солнечных коллекторов. Замена чистой воды (которая служит рабочей жидкостью) жидкостью с большей теплопроводностью — один из самых простых и эффективных способов повышения эффективности.