Etude expérimentale sur un capteur solaire parabolique utilisant de l'eau

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7398 (2023) Citer cet article

421 accès

1 Altmétrique

Détails des métriques

Un travail expérimental limité a porté sur les nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNT) - un nanofluide d'eau avec un tensioactif dans le collecteur solaire parabolique à de faibles concentrations volumiques. Dans le cas d'un nanofluide concentré à volume élevé, la chute de pression était davantage due à une augmentation de la viscosité du fluide de travail et à une augmentation du coût des nanoparticules ; donc ce n'est pas économique. Ce rapport a tenté d'utiliser le tensioactif Sodium Dodecyl Benzene Sulfonate (SDBS) dans le nanofluide MWCNT-eau concentré à faible volume pour établir un transfert de chaleur efficace dans les applications de capteurs solaires paraboliques. Le nanofluide MWCNT-eau stable a été préparé à des concentrations volumiques de 0,0158, 0,0238 et 0,0317. Les expériences ont été menées de 10h00 à 16h00 à des débits de 6, 6,5 et 7 L/min selon les normes ASHRAE. Au débit de 7 L/min du fluide de travail, avoir une différence de température minimale entre le fluide de travail et le tube absorbant conduit à un meilleur transfert de chaleur. La concentration volumique accrue de MWCNT dans l'eau améliore l'interaction de surface entre l'eau et les nanoparticules de MWCNT. Cela se traduit par une efficacité maximale du capteur solaire parabolique à 0,0317 vol% avec un débit de 7 L / min et 10 à 11% supérieur à celui de l'eau distillée.

L'augmentation de la demande d'énergie et des problèmes tels que le réchauffement climatique et les émissions dangereuses de combustibles fossiles ont entraîné une transition vers des sources d'énergie renouvelables. L'énergie solaire était l'une des options prometteuses pour répondre aux besoins énergétiques actuels. L'énergie solaire peut être dérivée de capteurs solaires et de cellules photovoltaïques. Les cellules photovoltaïques convertissent directement l'énergie solaire en énergie électrique et les capteurs solaires sont utilisés pour les applications à haute température. Le capteur parabolique est un capteur solaire de type concentrateur linéaire qui fonctionne à 150–400 °C1. Le collecteur parabolique se compose d'un miroir ou collecteur, qui réfléchit le rayonnement solaire et a la forme d'une parabole, et d'un tube absorbant ou tube récepteur, qui reçoit le rayonnement du miroir et est situé à une position focale du miroir. Le tube absorbeur transfère la chaleur au fluide de travail. Ce fluide chauffé est utilisé pour des applications industrielles et de production d'énergie. La modification du tube récepteur et du milieu de travail améliore le transfert de chaleur dans un collecteur parabolique. Modifier le tube récepteur signifie changer le matériau du tube récepteur, appliquer un revêtement thermique sur le tube récepteur, modifier la conception du tube récepteur, changer la face interne du tube récepteur et ajouter un couvercle en verre efficace sur la face externe d'un tube récepteur. Les matériaux à conductivité thermique plus élevée ont été choisis pour le tube récepteur. L'avancement du fluide de travail peut être accompli par l'introduction de nanoparticules dans le fluide de base, et un tel fluide est connu sous le nom de nanofluides. Dans les nanofluides, le rôle de la nanoparticule est d'améliorer le transfert de chaleur en augmentant la conductivité thermique d'un fluide de travail. Par conséquent, des nanoparticules à conductivité thermique plus élevée sont utilisées dans les nanofluides. De nombreux chercheurs ont travaillé sur l'effet de la concentration volumique du nanofluide, du débit volumique et du matériau du tube absorbant sur les performances des capteurs solaires paraboliques. L'influence des conditions météorologiques et l'intensité du rayonnement solaire sont également prises en compte. Une revue détaillée de la littérature a été effectuée sur les paramètres énumérés ci-dessus, qui sont discutés ci-dessous. Les expériences ont été réalisées pour différents revêtements et matériaux du tube récepteur en utilisant des fractions volumiques de 0,2 et 0,3 vol% d'huile CNT comme fluide de fonctionnement. Les expériences ont été menées avec un collecteur parabolique pour vérifier les performances optiques et thermiques du tube absorbeur. Ils ont constaté que le tube de cuivre sous vide chromé noir produisait de bons résultats2. Le travail expérimental a été réalisé en enduisant des nanoparticules de CNT de 20 à 40 nm sur le tube absorbant en cuivre.

Le résultat montre que la modification de nanoparticules de CNT enrobées sur un tube absorbant à 0,05 % en volume de nanofluide Al2O3 avec 2 L/min a obtenu une amélioration de l'efficacité du collecteur de 8,6 % par rapport à l'eau distillée3. L'analyse numérique a été réalisée sur le tube récepteur en U du collecteur parabolique avec un nanofluide hybride et une fraction volumique variant de 1 à 4 %. La simulation était basée sur la méthode Eulérienne-Eulérienne pour simuler l'écoulement nanofluidique multiphase de surface, l'interaction face à face pour la simulation du rayonnement et un modèle de k-turbulence typique utilisé pour les calculs turbulents. Les résultats ont montré que le tube récepteur en forme de U donnait de meilleurs résultats qu'un tube standard de même diamètre hydraulique4. Une étude numérique a été réalisée sur un tube récepteur convergent-divergent avec un nanofluide Al2O3-huile thermique. Le tube récepteur à géométrie sinusoïdale convergente-divergente a augmenté la surface de transfert de chaleur par rapport à un tube absorbant cylindrique. Il en résulte plus de turbulences dans le flux. Cette turbulence améliore le transfert de chaleur et l'efficacité du collecteur5. Les expériences ont porté sur l'influence du tube de verre recouvrant le tube absorbeur sur les performances optiques. Le tube récepteur se compose d'un tube de verre à l'extérieur, ce qui améliore la transmissivité avec le rayonnement à ondes longues et augmente les performances optiques du collecteur par rapport au tube récepteur nu. L'étude a été réalisée en faisant varier la concentration volumique pour 0,1, 0,2 et 0,3 % en volume de MWCNT dans l'éthylène glycol6. Une étude expérimentale a été menée sur le tube absorbant en insérant le ruban à clous torsadé. Le nanofluide Al2O3–H2O a été utilisé comme fluide de travail à des concentrations volumiques de 0,1 et 0,3 % dans un capteur solaire parabolique. Les conditions d'écoulement laminaire ont été prises en compte lors de l'étude et ont analysé les facteurs de transfert de chaleur et de frottement. Le résultat a conclu que la présence de ruban à ongles torsadé dans le tube absorbant avec des nanofluides effectue un transfert de chaleur important et, en même temps, augmente le facteur de friction7. L'effet de la modification du tube absorbant est expliqué dans l'étude de recherche.

Une étude expérimentale a été menée avec un nanofluide Al2O3–eau dans le capteur solaire parabolique en faisant varier la fraction volumique de 0,05 à 0,5 % et le débit massique de 0,0083 à 0,05 kg/s. L'efficacité du capteur solaire la plus élevée a été atteinte à 0,05 kg/s avec 0,5 vol% d'Al2O3. La fixation de nanoparticules dans le fluide de base améliore l'efficacité du collecteur de 3,4 à 8,54% concernant l'eau8. Une étude expérimentale et numérique a été menée sur un nanofluide MWCNT-eau dans un collecteur solaire parabolique à différents endroits. Le résultat a conclu que les concentrations à faible volume forment une meilleure performance thermo-hydraulique pour des débits inférieurs à 0,2 L/s9. L'étude expérimentale a été menée sur des nanoparticules d'oxyde de graphène et d'alumine à 0,2% en poids dans un nanofluide à base d'eau. Le débit du système solaire parabolique variait de 1 à 5 L/min. La meilleure efficacité de collecteur de 63,2 % a été trouvée à 1 L/min en utilisant un nanofluide d'oxyde de graphène et d'eau par rapport à de l'eau pure. Ce résultat était dû au fait que les nanoparticules d'oxyde de graphène étaient plus allongées que l'alumine et formaient une fine couche sur la surface interne du tube absorbant pour éviter la formation de bulles pour un meilleur transfert de chaleur10. Une analyse numérique a été réalisée sur des nanoparticules de CuO et Al2O3 à une fraction quantitative de 3% dans l'eau pour un capteur solaire parabolique. L'approche des volumes finis a été adoptée pour l'évaluation à l'aide du modèle turbulent k–ε RNG pour des apports de chaleur distincts. L'examen numérique confirme que le changement de chaleur a augmenté de 28 % pour les nanofluides Al2O3-eau et de 35 % pour les nanofluides CuO-eau à 3 vol%11. Les travaux de recherche ci-dessus donnent des informations sur l'effet de différentes nanoparticules et de leurs concentrations sur les performances des capteurs solaires.

Une étude expérimentale a été menée avec un nanofluide MWCNT-eau sur un collecteur solaire parabolique. Au cours de l'expérience, la fraction volumique de MWCNT s'est transformée en 0,01 et 0,02 %, le débit d'eau a varié de 100 et 160 L/h, et le tensioactif Triton Xa 100 a été utilisé pour améliorer la stabilité de MWCNT. La performance la plus élevée du collecteur a été atteinte à 0,02 % en volume à 160 L/h12. Les analyses expérimentales et CFD ont été menées sur des nanofluides SiO2–eau et CuO–eau dans des capteurs solaires paraboliques. Le débit volumique variait entre 40 L/h et 80 L/h à 0,01 vol% de nanoparticules de SiO2 et CuO. La stabilité des nanoparticules a été améliorée par le tensioactif hexa-décyl-triméthyl-ammo-bromure. Les résultats expérimentaux et CFD ont conclu que le nanofluide CuO-eau fonctionnait mieux dans les deux débits13. L'effet du surfactant sur la stabilité des nanoparticules est abordé dans les articles de recherche ci-dessus.

Le modèle mathématique a été développé avec un nanofluide hybride dans un collecteur solaire parabolique. Dans les nanofluides hybrides, plus d'un type de nanoparticule est utilisé dans le fluide de base. Cette étude numérique a utilisé 1 à 4% en volume de combinaisons de nanoparticules hybrides Ag – ZnO, Ag – TiO2 et Ag – MgO dans le fluide de base Syltherm 800 entre les nombres de Reynolds 10 000 et 80 000. L'étude a révélé que les nanofluides hybrides sont plus efficaces que le fluide de base, et parmi toutes les combinaisons hybrides, le nanofluide Ag–MgO–Syltherm 800 à 4 % en volume a l'efficacité thermique la plus élevée14. Une étude expérimentale a été menée sur un nanofluide hybride CuO-MWCNT-eau, et les résultats ont été comparés avec un nanofluide individuel. Les concentrations de CuO sont utilisées à 0,15 % en poids et MWCNT à 0,005 % en poids dans les systèmes de récupération d'énergie solaire directe. Les performances des nanofluides ont été analysées par absorption photo-thermique. Le résultat a conclu que le nanofluide hybride fonctionne mieux que les nanofluides individuels dans le transfert de chaleur15. Une étude numérique a été réalisée sur collecteur parabolique avec le nanofluide hybride Al2O3 (3 vol%)–Syltherm 800, Al2O3 (3 vol%)–Syltherm 800, et Al2O3 (1,5 vol%)–TiO2 (1,5 vol%)–Syltherm 800 . Le débit était de 150 L/min et la température d'entrée était de 300 à 650 K. Les résultats numériques ont confirmé que les nanofluides hybrides étaient plus performants que les nanofluides individuels16. La recherche ci-dessus décrit l'impact des nanofluides hybrides sur l'efficacité du capteur solaire parabolique.

Améliorer la capacité de stockage en utilisant le matériau à changement de phase approprié dans les capteurs solaires. L'enquête a analysé des capteurs solaires à une seule unité qui utilisent des matériaux à changement de phase (PCM) pour les chauffe-eau et les chauffe-air solaires, en examinant différentes conceptions de systèmes à base de PCM. Un système efficace de stockage a été suggéré sur la base des applications17. Une étude a testé un matériau à changement de phase à forme stabilisée dans un chauffe-eau solaire sans réservoir, améliorant l'efficacité thermique de 66 à 82 %. Les changements de débit ont eu un impact minimal. L'analyse des coûts a montré une période de récupération de 6 ans et une réduction annuelle des émissions de CO2 de 5,4 tonnes18. Une étude a porté sur l'utilisation d'un tuyau arrière dans les capteurs solaires à tube sous vide pour éliminer les régions stagnantes et améliorer les performances thermiques. Les résultats ont montré une diminution de 42 % des pertes de chaleur et une amélioration de 10 % du taux de transfert de chaleur. Des techniques de régression ont été utilisées pour modéliser les performances du système, avec un accord raisonnable avec les données expérimentales19. Ces articles ont fourni l'effet du réservoir de stockage à changement de phase utilisé dans les capteurs solaires.

La discussion ci-dessus montre que la nanoparticule de MWCNT possède une conductivité thermique plus élevée par rapport aux autres nanoparticules. Moins de tentatives ont été faites pour utiliser MWCNT et un surfactant pour améliorer les performances des capteurs solaires paraboliques. Dans le présent travail, une tentative est faite pour améliorer les performances du collecteur parabolique en utilisant un nanofluide MWCNT-eau, et un surfactant SDBS a été utilisé pour stabiliser le MWCNT dans l'eau distillée. La fraction volumique de MWCNT variait en 0,0158, 0,0238 et 0,0317 vol%, et le débit volumique variait en 6, 6,5 et 7 L/min.

Cette section rend compte du matériel et des méthodes utilisés au cours de l'expérimentation.

Le fluide de base : Eau distillée et nanoparticule : MWCNT fourni par Ad-nano technologies private limited Shimoga, Karnataka, Inde. Le MWCNT obtenu a été synthétisé en utilisant la technique de dépôt chimique en phase vapeur. L'échantillon de MWCNT a subi plusieurs lavages avec de l'eau déminéralisée, suivis d'une filtration et d'un séchage ultérieur à 80 °C pendant 2 h pour purifier et éliminer l'humidité20. Ensuite, l'échantillon MWCNT a été préparé pour l'analyse TEM conformément aux normes. Le TEM est un outil puissant pour la caractérisation et l'analyse des nanoparticules dans les nanofluides, fournissant des informations précieuses sur leur taille, leur morphologie, leur dispersion, leur structure cristalline, leur composition chimique, leurs interactions interfaciales et leur comportement dans différentes conditions. Ces informations sont cruciales pour comprendre les propriétés et le comportement des nanofluides et optimiser leurs performances dans diverses applications.

Tensioactif : Pour stabiliser le MWCNT dans l'eau distillée, le SDBS fourni par Lob Chemie Pvt. Ltd. Mumbai, Maharashtra, Inde, a été utilisé.

Le MWCNT acheté a été caractérisé par un microscope électronique à transmission haute résolution pour vérifier les caractéristiques physiques et est illustré à la Fig. 1a. La diffusion de MWCNT dans l'eau distillée a été opérée en utilisant un bain à ultrasons (Labman Scientific Instruments Pvt. Ltd.) à une fréquence de 40 ± 3 kHz et illustré à la Fig. 1b. Pour mesurer les températures, des thermocouples sont utilisés et une plage de fonctionnement de 0 à 199 °C. Le débit volumique du fluide de travail a été mesuré par un débitmètre de type rotatif avec une plage de fonctionnement de 1 à 30 L/min. Pour mesurer la vitesse du vent, l'anémomètre a été utilisé avec une plage de 0 à 45 m/s. Les radiations solaires de la journée ont été mesurées à l'aide d'un compteur d'énergie solaire et illustrées à la Fig. 1c. La plage de fonctionnement de 0–1999 W/m2.

La caractérisation, instrument utilisé pour la préparation du nanofluide et la mesure du rayonnement solaire (a) Image TEM MWCNT (b) Bain à ultrasons pour nanofluide (c) Compteur d'énergie solaire.

Une méthode en deux étapes a été envisagée pour la préparation du nanofluide CNT. Tout d'abord, une solution de tensioactif a été préparée à l'aide de sodium-dodécyl-benzène-sulfonate (SBBS), puis des nanoparticules de MWCNT ont été mélangées à la solution, et un rapport 1:1 de tensioactif/MWCNT a été maintenu21,22,23. La solution préparée a été appliquée pour une direction magnétique jusqu'à 10 min à 500 tr/min, puis traitée aux ultra-sons pendant 40 min pour disperser le MWCNT dans la solution. Les fractions volumiques de MWCNT 0,0158, 0,0238 et 0,0317 vol% ont été utilisées lors de la formation du nanofluide Tableau 1. Les propriétés thermophysiques de MWCNT et de l'eau ont été prises en compte lors du calcul. La stabilité du MWCNT a été discutée plus en détail dans la section "Effet de différentes concentrations de nanoparticules de MWCNT dans l'eau".

Lorsque les nanoparticules ont été ajoutées à l'eau du fluide de base, les propriétés de ce fluide ont changé. L'addition des nanoparticules a été mesurée en termes de concentration volumique, qui est déterminée par Eq. (1)20.

La densité du nanofluide a été formulée par le modèle Pak et Xuan Eq. (2)24.

La chaleur spécifique du nanofluide a été calculée à l'aide de l'équation. (3)24.

La conductivité thermique du nanofluide a été estimée à l'aide du modèle Maxwell Eq. (4)21.

La viscosité dynamique du nanofluide a été déterminée par le modèle Bachelor Eq. (5)25.

La disposition schématique du capteur solaire parabolique est illustrée à la Fig. 2a. Le test de performance sur le capteur solaire parabolique fourni par Eco-sense, Delhi, Inde, est réalisé sur la Fig. 2b. Le tableau 2. fournit les détails des spécifications de l'équipement. L'expérience a été pilotée à Bangalore, en Inde (13° 1′ 50″ N–77° 33′ 54″ E). Le capteur solaire a été positionné nord-sud et la configuration dispose d'un mécanisme de suivi automatique pour ajuster la position du capteur parabolique avec la position du soleil toutes les 20 minutes. Le collecteur parabolique a un facteur de concentration de 20, représentant la quantité de rayonnement solaire concentrée sur le tube absorbeur, avec une réflectivité de 85% et une absorptivité de 95%. Le facteur de concentration, la réflectivité et l'absorptivité plus élevés augmentent le transfert de chaleur du fluide de travail en atteignant une température plus élevée. Les expériences ont été menées selon les normes ASHRAE. Différents incidents de rayonnement, température ambiante et température de consommation de fluide sont pris en compte lors de la comparaison des performances thermiques globales du capteur solaire. Une expérience en régime permanent est importante pour décider de la charge du rayonnement solaire incident au niveau du collecteur et de la charge de l'électricité qui passe au fluide de fonctionnement car il circule à travers le collecteur. Les données expérimentales ont été prises de 10h00 à 16h00 à chaque intervalle de 1 h pour un seul débit, et le débit variait de 6, 6,5 et 7 L/min.

La configuration expérimentale du capteur solaire parabolique (a) Configuration schématique du capteur solaire parabolique (b) Banc d'essai du capteur solaire parabolique vue de face et de côté.

La température d'entrée du fluide de travail était différente à différentes périodes; par conséquent, le taux de gain d'énergie utile a été calculé par Eq. (6)10.

L'équation (7) pour déterminer le taux de gain d'énergie utile était une variation de l'énergie gagnée et de la perte d'énergie par le tube récepteur10.

L'efficacité instantanée du capteur solaire parabolique a été calculée à l'aide des équations. (8) et (9)10.

L'incertitude standard, obtenue à partir des données d'étalonnage et des spécifications du fabricant, garantit des résultats fiables en tenant compte des limites de l'instrument et des erreurs d'étalonnage. Elle est exprimée sous la forme d'un écart type ou d'une incertitude élargie, généralement avec un facteur de couverture. Crucial pour évaluer l'exactitude et la précision des mesures, garantissant des résultats fiables pour une analyse plus approfondie. L'incertitude type de l'appareil de mesure est donnée par l'équation suivante. (dix).

L'incertitude de l'efficacité instantanée du capteur solaire est donnée par Eq. (11)17,26,27

L'efficacité solaire instantanée a été déterminée avec une incertitude globale de 4,5 %. Cette incertitude a été calculée en considérant les incertitudes individuelles du débitmètre ± 4,1 %, des thermocouples ± 0,5 °C, de l'anémomètre ± 3 % et du pyranomètre (± 5,5 %).

Les expériences ont été minutieusement menées de mars à avril 2022, plus précisément de 10h00 à 16h00, pour recueillir des données sur les performances d'un système solaire thermique. La figure 3a fournit une représentation graphique des changements temporels de l'intensité et des températures du rayonnement solaire, y compris les températures ambiantes, d'entrée et de sortie du fluide, pour l'eau distillée comme fluide de base à un débit volumique constant de 6 L/min. L'intensité du rayonnement solaire et les températures ont également été enregistrées avec diligence pour différents débits volumiques, à savoir 6, 6,5 et 7 L/min, afin d'évaluer de manière exhaustive leur impact sur le comportement du système. Les données recueillies ont été rigoureusement évaluées conformément à la norme ASHRAE. L'analyse a révélé que les variations de température les plus élevées dans les températures ambiante, d'entrée et de sortie ont été déterminées à 0,7 °C, 0,5 °C et 0,6 °C, respectivement, sur chaque période de test. De plus, le rayonnement solaire a augmenté en intensité jusqu'à 12h00-13h00, suivi d'une diminution. Ces résultats fournissent des informations précieuses sur les performances du système dans différentes conditions de fonctionnement et peuvent contribuer au développement de systèmes solaires thermiques plus efficaces.

La mesure des températures, du rayonnement solaire et de l'efficacité instantanée par rapport à l'heure de la journée (a) Mesures expérimentales de Ta, Ti, To et S concernant l'heure de la journée à un débit d'eau de 6 L/min comme fluide de travail (b) Solaire instantané rendement du capteur concernant T* à un débit volumique différent.

La figure 3b représente l'efficacité instantanée de l'efficacité du capteur solaire avec des paramètres de température réduits, \({\text{T}}^{*}=\frac{\left({\text{T}}_{\text{i}} -{\text{T}}_{\text{a}}\right)}{\text{S}}\) à différents débits volumétriques. Les lectures ont été tracées sous forme d'équations linéaires, et les valeurs de FRUl et FR(τα) ont été obtenues en ajustant les données dans des équations linéaires pour différents débits volumiques. Les paramètres d'efficacité, FRUl et FR(\({\uptau \upalpha }\)), à chaque débit volumique, ont été reportés dans le tableau 3. Une valeur inférieure de FRUl = 22,38 et une valeur supérieure de FR(τα) = 0,7959 est obtenu à 7 L/min. Cela indique un facteur de frottement inférieur, ce qui diminue la chute de pression à travers le tube absorbant et améliore la transmissivité dans le tube absorbant. Cela augmente l'efficacité instantanée des capteurs solaires. Une valeur inférieure de FRUl = 22,38 et une valeur supérieure de FR(τα) = 0,7959 sont obtenues à 7 L/min. Cela indique un facteur de frottement inférieur, ce qui diminue la chute de pression à travers le tube absorbant et améliore la transmissivité dans le tube absorbant. Ceci, à son tour, a entraîné une augmentation de l'efficacité instantanée des capteurs solaires. De plus, il a été observé que des débits volumétriques plus élevés influençaient positivement l'efficacité du capteur solaire.

Le nanofluide a été préparé sans utiliser de tensioactif. Dans ce cas, les nanoparticules de MWCNT ont été déposées après quelques minutes. Les nanoparticules de MWCNT ont été attribuées à un comportement hydrophobe et ont formé de fortes forces de Vander Waals entre elles. L'ajout de surfactant au MWCNT augmentera la stabilité. Pour la préparation du nanofluide de CNT, la gomme arabique, le Triton X-100, le désoxycholate de sodium, l'acide humique, le dodécylbenzènesulfonate de sodium (SDBS), etc. ont été utilisés comme surfactant28. Parmi ces tensioactifs, le SDBS donne les résultats les plus prometteurs. Par conséquent, des nanofluides ont été préparés en ajoutant une concentration efficace de tensioactif SDBS. Cela conduit à une modification à la surface des MWCNT et se comporte de manière hydrophile. Les effets du tensioactif renforcent les forces répulsives entre les particules de MWCNT pour éviter les agglomérats et rester stables29. La stabilité des MWCNT a été mesurée par la méthode photographique et est restée stable pendant plus d'un mois. La stabilité à long terme des MWCNT a de nouveau été caractérisée par des méthodes de centrifugation pendant 30 min à 3000 tr/min. Les résultats sont restés les mêmes avec la méthode photographique. Ce nanofluide stable a été exécuté plus efficacement, ce qui a entraîné une efficacité du capteur solaire parabolique.

Le nanofluide est préparé avec différents pourcentages de concentrations volumiques telles que 0,0158, 0,0238 et 0,0317 % et le surfactant SDBS est mélangé avec un fluide de base pour améliorer la stabilité. L'impact de la variation des concentrations volumiques sur l'efficacité instantanée pour différentes températures réduites \(\frac{\left({\text{T}}_{\text{i}}-{\text{T}}_{\text{ a}}\right)}{\text{S}}\) à des débits de 6, 6,5 et 7 L/min est illustré à la Fig. 4a–c. L'efficacité instantanée du capteur solaire parabolique a augmenté avec la fraction volumique pour tous les débits volumiques. Pour un débit de 6 L/min à une fraction volumique de 0,0158 %, le rendement instantané du collecteur augmente de 2 % par rapport au fluide de base. L'efficacité augmente de 3 % et 4 % pour des fractions volumiques de 0,0238 % et 0,0317 %, respectivement. A un débit de 6,5 L/min, l'efficacité instantanée du collecteur augmente de 3% par rapport à l'eau distillée, quand une fraction volumique de 0,0158%. De même, au même débit, l'efficacité s'est améliorée de 4 % et 7 % pour des fractions volumiques de 0,0238 % et 0,0317 %, respectivement. À un débit de 7 L/min, efficacité instantanée de 6 % amplifiée avec une fraction volumique de 0,0158 %. L'efficacité a en outre dominé positivement 8 % et 11 % à une fraction volumique de 0,0238 % et 0,0317 %. La diffusion des nanoparticules dans le fluide de base améliore considérablement la conductivité thermique du nanofluide, ce qui améliore les caractéristiques de transfert de chaleur30. Cette conductivité thermique accrue permet une dissipation thermique plus efficace, ce qui améliore les performances du capteur solaire parabolique.

Effet de différentes concentrations de nanoparticules de MWCNT dans l'eau (a), (b) & (c) Efficacité instantanée du collecteur ηi vs. T* à 6, 6,5 et 7 L/min, respectivement et (d) Spectroscopie FTIR de l'eau et nanofluides.

Les nanotubes de carbone (NTC) sont réputés pour leur conductivité thermique exceptionnelle, qui surpasse celle des autres nanoparticules. Ces nanotubes, avec des diamètres allant de 5 à 15 nm, présentent une forme cylindrique unique qui se traduit par une plus grande surface pour un transfert de chaleur efficace, ce qui les rend hautement souhaitables pour diverses applications24. De plus, lorsque les NTC sont utilisés dans des fractions de volume inférieures dans un fluide de base, ils présentent un comportement de fluide newtonien, s'écoulant en douceur sans changements significatifs de viscosité. Cette caractéristique est particulièrement avantageuse dans des applications telles que les capteurs solaires paraboliques, où un transfert de chaleur optimal est crucial pour des performances maximales. De plus, le mécanisme de mouvement brownien, dans lequel les NTC présentent un mouvement aléatoire dû aux fluctuations thermiques, peut améliorer l'efficacité des capteurs solaires paraboliques lorsqu'ils sont utilisés dans des nanofluides.

Cependant, le nanofluide devient plus dense à des fractions volumiques plus élevées, conduisant à un comportement non linéaire. À mesure que la fraction volumique des NTC augmente, les forces attractives de Vander Waals entre les nanoparticules deviennent plus fortes que le mouvement brownien, ce qui entraîne une diminution de la stabilité et des performances réduites du capteur solaire parabolique. Par conséquent, dans la présente recherche, la concentration volumique des NTC est délibérément maintenue dans une plage inférieure pour obtenir les meilleurs résultats à moindre coût, garantissant des performances et une stabilité optimales dans le capteur solaire parabolique.

Sur la figure 4d, la spectroscopie FTIR a révélé des informations importantes sur la liaison atomique dans le nanofluide. Le pic à près de 1450 cm-1 indiquait une liaison carbone-hydrogène symétrique, qui est présente dans le tensioactif SDBS utilisé dans le nanofluide, et l'énergie d'absorption augmentait avec la concentration de tensioactif. Des pics à près de 1600 et 3300 cm−1 ont indiqué des liaisons oxygène et hydrogène à partir des molécules d'eau en modes de flexion et d'étirement, respectivement. Les faibles pics de liaison carbone-carbone proches de 2800–2900 cm−1 indiquaient la présence d'atomes de carbone provenant des MWCNT, avec des concentrations plus élevées conduisant à une meilleure absorption d'énergie par le fluide de travail31.

Cependant, il est important de noter que l'absorption d'énergie peut varier en raison de facteurs environnementaux, tels que l'intensité solaire, les températures de surface de l'absorbeur et les températures d'entrée du fluide de travail. Une diminution de la différence de température entre la surface du tube absorbant et le fluide de travail peut réduire le gain de chaleur. D'après les résultats de la recherche, les nanofluides ont le potentiel de réaliser des gains d'énergie allant de 1000 à 1220 Joules par heure pour une capacité de stockage de 20 L. Ces valeurs représentent l'énergie thermique potentielle qui peut être obtenue du système lorsque les nanoparticules de MWCNT sont dispersées dans le fluide de base.

Les débits volumiques des nanofluides variaient entre 6, 6,5 et 7 L/min par une vanne de régulation. Pour chaque débit volumique, l'efficacité instantanée du capteur par rapport aux paramètres de température réduits \({\text{T}}^{*}=\frac{\left({\text{T}}_{\text{ i}}-{\text{T}}_{\text{a}}\right)}{\text{S}}\) les modifications sont établies. Les figures 5a à c montrent les variations de 0,0158, 0,0238 et 0,0317 vol% de nanofluides à 6, 6,5 et 7 L/min, respectivement. Dans toutes les concentrations volumiques de nanofluides, l'efficacité du capteur solaire est amplifiée avec des débits volumiques incrémentiels. Lorsque le débit de fluide de travail augmente, le gradient de température diminue, ce qui développe un coefficient de transfert de chaleur élevé. Il s'agit d'une réduction de la différence de température entre Ti et Ta (gradient de température) et forme une valeur plus petite du paramètre T*, de sorte que l'efficacité du capteur solaire augmente3,8,32. Une étude précédente de la chercheuse Lyudmila Knysh sur la méthode numérique a été menée avec un nanofluide MWCNT-eau et a permis d'obtenir une amélioration de près de 10 % de l'efficacité du capteur solaire33.

L'influence des débits volumiques sur l'efficacité des capteurs solaires paraboliques (a), (b) & (c). Efficacité instantanée du collecteur ηi par rapport à T * à des débits volumiques distincts pour des nanofluides de 0,0158, 0,0238 et 0,0317 vol%.

Le travail expérimental est mené sur des capteurs solaires paraboliques selon les normes ASHRE pour différentes fractions volumiques de nanofluides avec différents débits. D'après le résultat expérimental, l'efficacité du collecteur augmente avec l'augmentation des débits volumiques. A haut débit, la différence de température entre le tube absorbant et le fluide de travail est minimale ; donc plus de chaleur est transférée. L'ajout d'une quantité suffisante de surfactant SDBS au nanofluide améliorera le mouvement brownien des nanoparticules MWCNT. Il en résulte une stabilité efficace des nanoparticules et améliore le transfert de chaleur. Comme la concentration volumique incrémentielle de MWCNT dans un fluide de base augmente l'efficacité du collecteur mais que la même viscosité du fluide de travail augmente, la fixation de nanoparticules au fluide de base présente certaines limites. Dans la présente étude, à 7 L/min avec 0,0317 vol%, les nanofluides ont l'efficacité de collecteur la plus élevée. L'efficacité du capteur solaire a été légèrement améliorée de 10 à 11% dans le présent travail expérimental.

Les ensembles de données utilisés et analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Ambiant

Surface du collecteur (m2)

Fluide de base

Rapport de concentration

Nanotube de carbone

Chaleur spécifique (J/kg K)

Diamètre (m)

Transformée de Fourier infrarouge

Entrée fluide (°C)

Sortie fluide (°C)

Facteur d'évacuation de la chaleur du collecteur

Conductivité thermique (W/mK)

Longueur du collecteur (m)

Litre par heure

Litre par minute

Masse (kg)

Débit massique (kg/s)

Minutes

Nanotube de carbone multiparois

Nanofluide

Nanoparticule

Gain d'énergie utile (W)

Révolutions par minute

Rayonnement solaire global (W/m2)

Dodécyl-benzène-sulfonate de sodium

Température (°C)

Température réduite (K-m2/W)

Microscopes électroniques à transmission

Coefficient global de perte (W/m2K)

Largeur du collecteur (m)

Densité (kg/m3)

Concentration volumique (vol%)

Viscosité dynamique (Ns/m2)

Efficacité instantanée

Facteur de transmission-absorption

Price, H. et al. Progrès dans la technologie de l'énergie solaire parabolique. J. Énergie solaire Ing. Trans. ASME 124(2), 109–125. https://doi.org/10.1115/1.1467922 (2002).

Article Google Scholar

Kasaeian, A., Daviran, S., Azarian, RD & Rashidi, A. Évaluation des performances et nanofluide à l'aide de l'étude de capacité d'un collecteur solaire parabolique. Gestion de conversion d'énergie 89, 368–375. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.09.056 (2015).

Article CAS Google Scholar

Subramani, J., P. Sevvel et SA Srinivasan. Matériaux aujourd'hui : Influence du revêtement CNT sur l'efficacité du collecteur solaire parabolique utilisant des nanofluides Al2O3 selon une approche de régression multiple. Mater. Aujourd'hui Proc. 45(2), 1857–1861. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.09.047 (2020).

Yan, S. et al. Effet du tube absorbant en forme de U sur les performances thermohydrauliques et l'efficacité d'un capteur solaire parabolique à deux fluides contenant des nanofluides hybrides non newtoniens à deux phases. Int. J. Mech. Sci. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2020.105832 (2020).

Article Google Scholar

Bellos, E., Tzivanidis, C., Antonopoulos, KA & Gkinis, G. Amélioration thermique des collecteurs solaires paraboliques à l'aide de nanofluides et d'un tube absorbant convergent-divergent. Renouveler. Énergie 94, 213–222. https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.03.062 (2016).

Article CAS Google Scholar

Kasaeian, A., Daneshazarian, R., Rezaei, R., Pourfayaz, F. & Kasaeian, G. Enquête expérimentale sur le comportement thermique de l'absorption directe de nanofluide dans un collecteur à auge. J. Propre. Prod. 158, 276–284. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2017.04.131 (2017).

Article CAS Google Scholar

Jafar, KS & Sivaraman, B. Performances thermiques du collecteur solaire parabolique utilisant des nanofluides et de l'absorbeur avec des inserts de rubans torsadés à clous. Int. Énergie J. 14(4), 189-198 (2014).

Google Scholar

Subramani, J., Nagarajan, PK, Wongwises, S., El-Agouz, SA et Sathyamurthy, R. Étude expérimentale sur les performances thermiques et les caractéristiques de transfert de chaleur d'un collecteur solaire parabolique utilisant des nanofluides Al2O3. Environ. Progrès soutenu. Énergie. 37(3), 1149–1159. https://doi.org/10.1002/ep.12767 (2018).

Article CAS Google Scholar

Ahmed, A., Said, Z., Rahman, SMA et Al-sarairah, E. Sur l'analyse thermique et thermodynamique de la technologie de collecteur parabolique utilisant un nano fluide à base de MWCNT de qualité industrielle. Renouveler. Énergie 161, 1303–1317. https://doi.org/10.1016/j.renene.2020.07.096 (2020).

Article CAS Google Scholar

Hosseini, S., Mohammad, S. & Dehaj, MS Une étude expérimentale sur l'évaluation des performances énergétiques d'un capteur solaire cylindro-parabolique fonctionnant avec des nanofluides Al2O3/eau et GO/eau. Énergie https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.121317 (2021).

Article Google Scholar

Ghasemi, SE & Ranjbar, AA Analyse des performances thermiques d'un collecteur solaire parabolique utilisant un nanofluide comme fluide de travail : une étude de modélisation CFD. J. Mol. Liquides. 222, 159–166. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2016.06.091 (2016).

Article CAS Google Scholar

Singh, H. & Singh, P. Une évaluation expérimentale de l'efficacité du nanofluide MWCNT-H2O sur les performances du collecteur solaire parabolique. J. Fundam. Renouveler. Appl. 06(01), 1–6. https://doi.org/10.4172/2090-4541.1000200 (2015).

Article ADS CAS Google Scholar

Ajay, K., & L. Kundan. Étude combinée expérimentale et CFD du capteur solaire de forme parabolique utilisant un nanofluide (CuO-H2O et SiO2-H2O) comme fluide de travail. (2016).

Ekiciler, R., Arslan, K., Turgut, O. & Kurşun, B. Effet du nanofluide hybride sur les performances de transfert de chaleur du récepteur de capteur solaire à auge parabolique. J. Therm. Anal. Calorie. 143(2), 1637–1654. https://doi.org/10.1007/s10973-020-09717-5 (2021).

Article CAS Google Scholar

Qu, J., Zhang, R., Wang, Z. et Wang, Q. Pour les propriétés de conversion photo-thermique de récupération directe de l'énergie solaire thermique des nanofluides hybrides CuO-MWCNT / H2O pour la récupération directe de l'énergie solaire thermique. Appl. Thermie. Ing. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.10.094 (2018).

Article Google Scholar

Bellos, E. & Tzivanidis, C. Analyse thermique d'un collecteur parabolique fonctionnant avec des nanofluides mono et hybrides. Soutenir. Technol. énergétique Évaluer. 26 (octobre), 105–115. https://doi.org/10.1016/j.seta.2017.10.005 (2018).

Article Google Scholar

Sadeghi, G., Mehrali, M., Shahi, M., Brem, G. & Mahmoudi, A. Progrès des études expérimentales sur les rénovations compactes intégrées de capteurs solaires-stockage adoptant des matériaux à changement de phase. Sol. Énergie 237 (janvier), 62–95. https://doi.org/10.1016/j.solener.2022.03.070 (2022).

Article ADS CAS Google Scholar

Sadeghi, G., Mehrali, M., Shahi, M. & Brem, G. Analyse expérimentale de PCM à forme stabilisée appliquée à un capteur solaire à tube sous vide à absorption directe exploitant l'acétate de sodium trihydraté et le graphite. Gestion de conversion d'énergie 269 (août), 116176. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2022.116176 (2022).

Article CAS Google Scholar

Sadeghi, G., Najafzadeh, M., Ameri, M. & Jowzi, M. Études de cas en génie thermique une étude de cas sur le nanofluide d'oxyde de cuivre dans un capteur solaire à tube sous vide à tuyau arrière accompagné de techniques d'exploration de données. Goujon de cas. Génie Thermique 32 (février), 101842. https://doi.org/10.1016/j.csite.2022.101842 (2022).

Article Google Scholar

Aravind, S. et al. Étude de la stabilité structurelle, de la dispersion, de la viscosité et des propriétés conductrices de transfert de chaleur des nanofluides à base de nanotubes de carbone fonctionnalisés. J.Phys. Chim. C 115(34), 16737–16744. https://doi.org/10.1021/jp201672p (2011).

Article CAS Google Scholar

Shaker, M., Birgersson, E. & Mujumdar, AS La revue internationale des sciences thermiques a étendu le modèle Maxwell pour la conductivité thermique des nanofluides qui tient compte du transfert de chaleur non local. Int. J. Thermal Sci. 84, 260–266. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2014.05.010 (2014).

Article CAS Google Scholar

Babita, S., Sharma, K. & Gupta, SM Effet synergique de SDBS et GA pour préparer une dispersion stable de CNT dans l'eau pour des applications industrielles de transfert de chaleur. Mater. Rés. Exprimer. https://doi.org/10.1088/2053-1591/aac579 (2018).

Article Google Scholar

Jong, T., Pil, S. & Kedzierski, MA Effet des tensioactifs sur la stabilité et les caractéristiques d'absorption thermique solaire des nanofluides à base d'eau avec des nanotubes de carbone à parois multiples. Int. J. Transfert de masse thermique. 122, 483–490. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.01.141 (2018).

Article CAS Google Scholar

Ilyas, SU, Pendyala, R. & Narahari, M. Stabilité et analyse thermique des nanofluides à base d'huile thermique MWCNT. Surfaces de colloïdes A Physicochem. Ing. Aspects. 527, 11-22. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2017.05.004 (2017).

Article CAS Google Scholar

Korres, D., Bellos, E. & Tzivanidis, C. Étude d'un capteur solaire à auge parabolique composé à base de nanofluide dans des conditions d'écoulement laminaire. Appl. Thermie. Ing. 149, 366–376. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.12.077 (2019).

Article CAS Google Scholar

Sadeghi, G. & Nazari, S. Rénovation d'un alambic solaire thermoélectrique intégré à un collecteur à tube sous vide utilisant un nanofluide hybride antibactérien-magnétique. Dessalement 500 (octobre 2020), 114871. https://doi.org/10.1016/j.desal.2020.114871 (2021).

Article CAS Google Scholar

Khajeh, K., Sadeghi, G. & Rouhollahi, R. Évaluations thermofluidiques expérimentales et numériques d'un éjecteur à air concernant les analyses d'énergie et d'exergie. Int. Commun. Transfert de masse thermique. 116 (juillet 2020), 104681. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2020.104681 (2021).

Article Google Scholar

Vinayak, T., Nasi, VB & Nagaraj, PB Un examen de l'influence des paramètres des nanotubes de carbone dans le fluide de base pour augmenter le transfert de chaleur dans le capteur solaire. Int. J. Énergie ambiante. https://doi.org/10.1080/01430750.2022.2102069 (2022).

Article Google Scholar

Sharma, B., Sharma, SK, Gupta, SM et Kumar, A. Méthode modifiée en deux étapes pour préparer des nanofluides CNT stables à long terme pour des applications de transfert de chaleur. Arabe. J. Sci. Ing. 43(11), 6155–6163. https://doi.org/10.1007/s13369-018-3345-5 (2018).

Article CAS Google Scholar

Gupta, M., Singh, V., Kumar, R. & Said, Z. Un examen des propriétés thermophysiques des nanofluides et des applications de transfert de chaleur. Renouveler. Soutenir. Energy Rev. 74 (décembre 2015), 638–670. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.02.073 (2017).

Article CAS Google Scholar

Liu, Lu., Zhang, X. & Lin, X. Enquêtes expérimentales sur les performances thermiques et l'hystérésis de changement de phase du nanocomposite paraffine/MWCNT/SDBS à basse température via la méthode DSC dynamique. Renouveler. Énergie 187, 572–585. https://doi.org/10.1016/j.renene.2022.01.098 (2022).

Article CAS Google Scholar

Yousefi, T., Veisy, F., Shojaeizadeh, E. & Zinadini, S. Une enquête expérimentale sur l'effet du nanofluide MWCNT-H2O sur l'efficacité des capteurs solaires à plaques planes. Exp. Fluide thermique Sci. 39, 207-212. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2012.01.025 (2012).

Article CAS Google Scholar

Knysh, L. Modélisation thermo-fluide et analyse thermodynamique de systèmes de cuves paraboliques à basse température avec des nanotubes de carbone multi-parois/nanofluides d'eau. Int. J. Thermal Sci. 181(juin), 107770. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2022.107770 (2022).

Article CAS Google Scholar

Télécharger les références

Les auteurs remercient le Researchers Supporting Project number (RSP2023R6), King Saud University, Riyadh, Saudi Arabia.

Département de génie mécanique, MS Ramaiah Institute of Technology (affilié à VTU), Bangalore, 560054, Inde

Vinayak Talugeri, Nagaraj Basavaraj Pattana et Veeranna Basavannappa Nasi

Département de génie mécanique, École de génie mécanique, chimique et des matériaux, Université des sciences et technologies d'Adama, 1888, Adama, Éthiopie

Kiran Shahpurkar

Département de microélectronique VLSI, Saveetha School of Engineering, Saveetha Institute of Medical and Technical Sciences, Chennai, Tamilnadu, 602105, Inde

Manzoore Elahi Mohammad Soudagar

Département de chimie, Collège des sciences, Université King Saud, Riyad, Arabie saoudite

Tansir Ahmad

École de génie civil et environnemental, FEIT, Université de technologie de Sydney, Ultimo, NSW, 2007, Australie

Maryland Aboul Kalam

Département de génie mécanique, Institut de technologie Nitte Meenakshi, Yelahanka, Bangalore, 560064, Inde

Kiran Madrahalli Chidanandamurthy

Génie pétrolier et chimique, Faculté d'ingénierie, Universiti Teknologi Brunei, Bandar Seri Begawan, BE1410, Brunei Darussalam

Nabisab Mujawar Moubarak et Rama Rao Karri

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

VT, NPB, VBN : enquête, visualisation, rédaction de l'ébauche originale, révision et édition. KS, MEMS, TA, MAK, KMC et NPB : conceptualisation, investigation, visualisation. NMM et RRK ont révisé et édité le manuscrit.

Correspondance à Vinayak Talugeri ou Nabisab Mujawar Mubarak.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui permet l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur n'importe quel support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournir un lien vers la licence Creative Commons et indiquer si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Talugeri, V., Pattana, N.-B., Nasi, VB et al. Étude expérimentale sur un capteur solaire parabolique utilisant des nanotubes de carbone à parois multiples à base d'eau avec de faibles concentrations volumiques. Sci Rep 13, 7398 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34529-6

Télécharger la citation

Reçu : 08 mars 2023

Accepté : 03 mai 2023

Publié: 06 mai 2023

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

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.

Nouvelles

Etude expérimentale sur un capteur solaire parabolique utilisant de l'eau