太陽光発電の冷却管内のハイブリッドナノ流体の流れ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 8202 (2023) この記事を引用

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この記事に対する著者の訂正は 2023 年 7 月 10 日に公開されました

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この研究では、廃熱を利用して効率を高めるために、熱電発電機 (TEG) 層を従来の太陽光発電 (PVT) モジュールの層と組み合わせました。 セル温度を下げるために、PVT-TEG ユニットの底部に冷却ダクトがあります。 ダクト内の流体の種類とダクトの構造により、システムの性能が変化する可能性があります。 そこで、純水の代わりにハイブリッドナノ流体（Fe3O4 と MWCNT を水と混合したもの）を使用し、3 つのさまざまな断面形状 [STR1 (円形)、STR2 (ひし形)、STR3 (楕円形)] を実装しました。 チューブを通じてハイブリッドナノ流体の非圧縮性層流が解明され、一方パネルの固体層では、光学分析から得られる熱源を含む純粋な伝導方程式がシミュレートされました。 シミュレーションによれば、3 番目の構造 (楕円形) が最高の性能を持ち、入口速度の上昇により全体の性能が約 6.29% 向上します。 ナノ粒子の割合が等しい楕円設計の熱的性能と電気的性能の値は、それぞれ 14.56% と 55.42% です。 最適な設計により、非冷却システムと比較して電力効率が約16.2%向上します。

エネルギーは産業にとって重要であるだけでなく、社会の国内ニーズを満たすためにも重要であるため、どの国にとっても経済的に重要な意味を持っています。 このエネルギーは、電気、化学物質、熱など、さまざまな形をとることができます。 従来、これらのエネルギー需要を満たすために化石燃料が使用されてきましたが、それらは有限な資源であり、簡単に補充することはできません。 人間が化石燃料を消費する速度は、自然に代替される速度をはるかに上回っています1。 したがって、化石燃料に代わる持続可能な代替燃料を見つけることは、長期的なエネルギー需要を満たすために不可欠です。 持続可能なエネルギーは、現在の状況に前向きな変化をもたらす可能性を秘めた極めて重要な問題です2。 化石燃料は環境汚染の一因となるだけでなく、枯渇という課題にも直面しています。 そのため、そのような資源による環境への影響を軽減するために、増大するエネルギー需要を満たすために再生可能エネルギーへの要求が高まっています。 太陽エネルギーのコストが化石燃料のコストを下回るにつれて、化石燃料の需要は減少する傾向にあります。 太陽エネルギーは、太陽エネルギーから熱と電気の両方を生成する太陽光発電 (PVT) ユニットなど、さまざまなシステムを通じて利用できます3。 PV ユニットは入射放射線を電気に変換するために使用されますが、太陽光の全エネルギーの 20% のみが変換でき、残りは無駄になります4。 ただし、動作温度が上昇すると変換率が低下する可能性があり、この温度上昇によりソーラー パネルの構造的完全性が損傷する可能性があります5。 PV パネルの電気的性能 (ηel) を向上させる取り組みには、動作温度を下げることが含まれますが、この温度には熱吸収ユニットを使用することで到達できます。 研究者らは、セル温度を下げるために PVT ユニットと呼ばれる方法を研究しました6。 PVT システムにより、電気と熱の同時生成が可能になります7,8。 Elqady ら 9 は、ソーラー パネルの冷却性能を向上させるためにヒートシンクの寸法を最適化する研究を調査しました。 彼らの調査結果により、最適な設計ポイントを持つダクトが特定され、PVT の有効性を評価するために 3D モデルに採用されました。 達成された最大の電力性能は 17.45% で、一般的な CPV/T システムと比較して 40% 近くの大幅な改善が実証されました。 Raza et al.10 は、集光型 PV (CPV) ユニットの背面として使用される高性能複合材料を設計するための計算手法を発表しました。 提案された複合材料は有望な可能性を示しており、電気出力が 4.3% 向上し、モジュールの耐久性が向上します。 Li et al.11 は、太陽光発電パネルを冷却するための斬新で多用途なアプローチを発表しました。 彼らは、提案されたシステムを採用すると、PV の性能が約 19% 向上することを発見しました。