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Apr 11, 2023

Experimentelle Untersuchung an einem Solarparabolkollektor mit Wasser

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 7398 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Eine begrenzte experimentelle Arbeit befasste sich mit mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (MWCNT) – Wasser-Nanoflüssigkeit mit Tensid im Solarparabolkollektor bei geringen Volumenkonzentrationen. Bei hochvolumigen konzentrierten Nanoflüssigkeiten war der Druckabfall eher auf eine Erhöhung der Viskosität des Arbeitsmediums und einen Anstieg der Nanopartikelkosten zurückzuführen; daher ist es nicht wirtschaftlich. In diesem Bericht wurde versucht, das Tensid Natriumdodecylbenzolsulfonat (SDBS) in der kleinvolumigen konzentrierten MWCNT-Wasser-Nanoflüssigkeit zu verwenden, um eine effektive Wärmeübertragung in Solarparabolkollektoranwendungen zu erreichen. Das stabile MWCNT-Wasser-Nanofluid wurde in Volumenkonzentrationen von 0,0158, 0,0238 und 0,0317 hergestellt. Die Experimente wurden von 10:00 bis 16:00 Uhr bei Durchflussraten von 6, 6,5 und 7 l/min gemäß den ASHRAE-Standards durchgeführt. Bei einer Durchflussrate des Arbeitsmediums von 7 l/min führt ein minimaler Temperaturunterschied zwischen dem Arbeitsmedium und dem Absorberrohr zu einer besseren Wärmeübertragung. Die erhöhte Volumenkonzentration von MWCNT im Wasser verbessert die Oberflächenwechselwirkung zwischen Wasser und MWCNT-Nanopartikeln. Dies führt zu einem maximalen Wirkungsgrad des Solarparabolkollektors von 0,0317 Vol.-% bei einer Durchflussrate von 7 l/min und ist 10–11 % höher als bei destilliertem Wasser.

Der Anstieg des Energiebedarfs und Probleme wie die globale Erwärmung und gefährliche Emissionen fossiler Brennstoffe führten zu einer Verlagerung hin zu erneuerbaren Energiequellen. Solarenergie war eine der vielversprechenden Optionen, um den aktuellen Energiebedarf zu decken. Solarenergie kann aus Sonnenkollektoren und Photovoltaikzellen gewonnen werden. Photovoltaikzellen wandeln Sonnenenergie direkt in elektrische Energie um und Solarkollektoren werden für Anwendungen mit höheren Temperaturen verwendet. Der Parabolkollektor ist ein linearer Solarkollektor vom Konzentratortyp, der bei 150–400 °C1 arbeitet. Der Parabolkollektor besteht aus einem Spiegel oder Kollektor, der die Sonnenstrahlung reflektiert und die Form einer Parabel hat, und einem Absorberrohr oder Receiverrohr, das die Strahlung des Spiegels aufnimmt und sich an einer Brennstelle des Spiegels befindet. Das Absorberrohr überträgt Wärme an das Arbeitsmedium. Diese erhitzte Flüssigkeit wird für Industrie- und Energieerzeugungsanwendungen verwendet. Durch die Modifizierung des Receiverrohrs und der Arbeitsmedien wird die Wärmeübertragung in einem Parabolkollektor verbessert. Das Modifizieren des Empfängerrohrs bedeutet, das Material des Empfängerrohrs zu ändern, eine thermische Beschichtung auf das Empfängerrohr aufzutragen, das Design des Empfängerrohrs zu ändern, die Innenfläche des Empfängerrohrs zu ändern und eine wirksame Glasabdeckung an der Außenseite eines Empfängerrohrs anzubringen. Für das Empfängerrohr wurden Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit gewählt. Die Förderung des Arbeitsmediums kann durch das Einbringen von Nanopartikeln in das Grundmedium erreicht werden; ein solches Fluid wird als Nanofluid bezeichnet. In Nanoflüssigkeiten besteht die Aufgabe der Nanopartikel darin, die Wärmeübertragung zu verbessern, indem sie die Wärmeleitfähigkeit eines Arbeitsmediums erhöhen. Daher werden in Nanoflüssigkeiten Nanopartikel mit höherer Wärmeleitfähigkeit verwendet. Viele Forscher haben sich mit der Auswirkung der Volumenkonzentration von Nanoflüssigkeit, der Volumendurchflussrate und des Absorberrohrmaterials auf die Leistung von Solarparabolkollektoren beschäftigt. Auch der Einfluss der Wetterbedingungen und der Intensität der Sonneneinstrahlung wird berücksichtigt. Zu den oben aufgeführten Parametern wurde eine detaillierte Literaturrecherche durchgeführt, die im Folgenden erörtert wird. Die Experimente wurden für verschiedene Beschichtungen und Materialien des Empfängerrohrs unter Verwendung von Volumenanteilen von 0,2 und 0,3 Vol.-% CNT-Öl als Funktionsflüssigkeit durchgeführt. Die Experimente wurden mit einem Parabolkollektor durchgeführt, um die optische und thermische Leistung des Absorberrohrs zu überprüfen. Sie fanden heraus, dass das schwarz verchromte, vakuumierte Kupferrohr gute Ergebnisse lieferte2. Die experimentelle Arbeit wurde durchgeführt, indem 20–40 nm große CNT-Nanopartikel auf das Kupferabsorberrohr aufgetragen wurden.

Das Ergebnis zeigt, dass die Modifikation von beschichteten CNT-Nanopartikeln auf einem Absorberrohr bei 0,05 Vol.-% Al2O3-Nanofluid mit 2 l/min eine Verbesserung der Kollektoreffizienz um 8,6 % im Vergleich zu destilliertem Wasser3 erzielte. Die numerische Analyse wurde am U-förmigen Empfängerrohr des Parabolkollektors mit einem Hybrid-Nanofluid und einem Volumenanteil von 1 bis 4 % durchgeführt. Die Simulation basierte auf der Euler-Eulerian-Methode zur Simulation der mehrphasigen Nanofluidströmung an der Oberfläche, der direkten Wechselwirkung zur Strahlungssimulation und einem typischen k-Turbulenzmodell für turbulente Berechnungen. Die Ergebnisse zeigten, dass das U-förmige Empfängerrohr bessere Ergebnisse lieferte als ein Standardrohr mit demselben hydraulischen Durchmesser4. Eine numerische Untersuchung wurde an einem konvergent-divergierenden Empfängerrohr mit einem Al2O3-Thermoöl-Nanofluid durchgeführt. Das Empfängerrohr mit konvergent-divergenter Sinuswellengeometrie vergrößerte die Oberfläche der Wärmeübertragung im Vergleich zu einem zylindrischen Absorberrohr. Dies führt zu mehr Turbulenzen in der Strömung. Diese Turbulenzen verbessern die Wärmeübertragung und die Kollektoreffizienz5. Die Experimente wurden zum Einfluss des Glasrohrs, das das Absorberrohr bedeckt, auf die optische Leistung durchgeführt. Das Receiverrohr besteht außen aus einem Glasrohr, das die Transmission bei langwelliger Strahlung erhöht und die optische Leistung des Kollektors im Vergleich zum bloßen Receiverrohr erhöht. Die Untersuchung erfolgte durch Variation der Volumenkonzentration für 0,1, 0,2 und 0,3 Vol.-% MWCNT in Ethylenglykol6. Am Absorberrohr wurde eine experimentelle Untersuchung durch Einbringen des gedrehten Nagelbandes durchgeführt. Das Al2O3-H2O-Nanofluid wurde als Arbeitsflüssigkeit in Konzentrationen von 0,1 und 0,3 % Volumen in einem Solarparabolkollektor verwendet. Während der Studie wurden die laminaren Strömungsbedingungen berücksichtigt und die Wärmeübertragungs- und Reibungsfaktoren analysiert. Das Ergebnis kam zu dem Schluss, dass das Vorhandensein von gedrehtem Nagelband im Absorberrohr mit Nanoflüssigkeiten eine erhebliche Wärmeübertragung bewirkt und gleichzeitig den Reibungsfaktor erhöht7. Der Effekt der Modifikation im Absorberrohr wird in der Forschungsstudie erläutert.

Eine experimentelle Untersuchung wurde mit Al2O3-Wasser-Nanofluid im Solarparabolkollektor durchgeführt, indem der Volumenanteil von 0,05 bis 0,5 % und die Massendurchflussrate von 0,0083 bis 0,05 kg/s variiert wurden. Der höchste Solarkollektorwirkungsgrad wurde bei 0,05 kg/s mit 0,5 Vol.-% Al2O3 erreicht. Die Anbringung von Nanopartikeln in der Grundflüssigkeit verbessert die Kollektoreffizienz von 3,4 auf 8,54 % bezogen auf Wasser8. Eine experimentelle und numerische Untersuchung wurde an MWCNT-Wasser-Nanofluid in einem Solarparabolkollektor an verschiedenen Standorten durchgeführt. Das Ergebnis kam zu dem Schluss, dass geringe Volumenkonzentrationen bei Durchflussraten von weniger als 0,2 l/s9 zu einer besseren thermohydraulischen Leistung führen. Die experimentelle Studie wurde an Graphenoxid- und Aluminiumoxid-Nanopartikeln mit 0,2 Gew.-% in einer wasserbasierten Nanoflüssigkeit durchgeführt. Die Durchflussrate des Solarparabolsystems variierte zwischen 1 und 5 l/min. Der beste Kollektorwirkungsgrad von 63,2 % wurde bei 1 l/min unter Verwendung von Graphenoxid-Wasser-Nanofluid im Vergleich zu reinem Wasser gefunden. Dieses Ergebnis war darauf zurückzuführen, dass Graphenoxid-Nanopartikel länger als Aluminiumoxid waren und eine dünne Schicht auf der Innenfläche des Absorberrohrs bildeten, um Blasenbildung für eine bessere Wärmeübertragung zu vermeiden10. Für einen Solarparabolkollektor wurde eine numerische Analyse von CuO- und Al2O3-Nanopartikeln bei einem Mengenanteil von 3 % in Wasser durchgeführt. Für die Auswertung wurde der Finite-Volumen-Ansatz unter Verwendung des k-ε RNG-Turbulenzmodells für unterschiedliche Wärmeeinträge übernommen. Die numerische Untersuchung bestätigt, dass der Wärmewechsel bei Al2O3-Wasser um 28 % und bei CuO-Wasser-Nanofluiden um 35 % bei 3 Vol.-% zunahm11. Die oben genannten Forschungsarbeiten geben Aufschluss über die Wirkung verschiedener Nanopartikel und deren Konzentrationen auf die Leistung von Solarkollektoren.

Eine experimentelle Studie wurde mit MWCNT-Wasser-Nanofluid auf einem Solarparabolkollektor durchgeführt. Während des Experiments betrug der Volumenanteil von MWCNT 0,01 und 0,02 %, die Wasserdurchflussrate wurde zwischen 100 und 160 l/h variiert und das Tensid Triton Xa Hundred wurde verwendet, um die Stabilität von MWCNT zu erhöhen. Die höchste Kollektorleistung wurde bei 0,02 Vol.-% bei 160 l/h12 erreicht. Die experimentellen und CFD-Analysen wurden an SiO2-Wasser- und CuO-Wasser-Nanofluiden in Solarparabolkollektoren durchgeführt. Der Volumenstrom variierte zwischen 40 l/h und 80 l/h bei 0,01 Vol.-% SiO2- und CuO-Nanopartikeln. Die Stabilität von Nanopartikeln wurde durch das Tensid Hexadecyltrimethylammoniumbromid erhöht. Die experimentellen und CFD-Ergebnisse kamen zu dem Schluss, dass CuO-Wasser-Nanofluid bei beiden Flussraten eine bessere Leistung erbringt13. Die Wirkung von Tensiden auf die Stabilität der Nanopartikel wird in den oben genannten Forschungsarbeiten thematisiert.

Das mathematische Modell wurde mit einem Hybrid-Nanofluid in einem Solarparabolkollektor entwickelt. Bei hybriden Nanoflüssigkeiten wird mehr als eine Art von Nanopartikeln in der Grundflüssigkeit verwendet. In dieser numerischen Studie wurden 1 bis 4 Vol.-% Ag-ZnO-, Ag-TiO2- und Ag-MgO-Hybrid-Nanopartikelkombinationen in der Syltherm 800-Basisflüssigkeit zwischen Reynolds-Zahlen 10.000 und 80.000 verwendet. Die Studie ergab, dass Hybrid-Nanofluide wirksamer sind als Basisflüssigkeiten und dass unter allen Hybridkombinationen das Nanofluid 4 Vol.-% Ag-MgO-Syltherm 800 die höchste thermische Effizienz aufweist14. Es wurde eine experimentelle Studie mit CuO-MWCNT-Wasser-Hybrid-Nanoflüssigkeit durchgeführt und die Ergebnisse mit einzelnen Nanoflüssigkeiten verglichen. Die Konzentrationen von CuO werden mit 0,15 Gew.-% und MWCNT mit 0,005 Gew.-% in Systemen zur direkten Solarenergiegewinnung verwendet. Die Leistung von Nanoflüssigkeiten wurde durch photothermische Absorption analysiert. Das Ergebnis kam zu dem Schluss, dass Hybrid-Nanofluide bei der Wärmeübertragung eine bessere Leistung erbringen als einzelne Nanofluide15. Eine numerische Studie wurde an einem Parabolkollektor mit den Hybrid-Nanoflüssigkeiten Al2O3 (3 Vol.-%) – Syltherm 800, Al2O3 (3 Vol.-%) – Syltherm 800 und Al2O3 (1,5 Vol %) – TiO2 (1,5 Vol %) – Syltherm 800 durchgeführt . Die Durchflussrate betrug 150 l/min und die Einlasstemperatur 300–650 K. Die numerischen Ergebnisse bestätigten, dass Hybrid-Nanoflüssigkeiten eine bessere Leistung erbringen als einzelne Nanoflüssigkeiten16. Die obige Forschung beschreibt den Einfluss hybrider Nanoflüssigkeiten auf die Effizienz des Solarparabolkollektors.

Erhöhung der Speicherkapazität durch Einsatz geeigneter Phasenwechselmaterialien in Solarkollektoren. Die Untersuchung analysierte einzelne Solarkollektoren, die Phasenwechselmaterialien (PCMs) für solare Wasser- und Lufterhitzer verwenden, und untersuchte verschiedene Designs von PCM-basierten Systemen. Basierend auf den Anträgen wurde ein wirksames Speichersystem vorgeschlagen17. In einer Studie wurde formstabilisiertes Phasenwechselmaterial in einem tanklosen Solarwarmwasserbereiter getestet und der thermische Wirkungsgrad von 66 auf 82 % verbessert. Änderungen der Durchflussrate hatten nur minimale Auswirkungen. Die Kostenanalyse ergab eine Amortisationszeit von 6 Jahren und eine jährliche Reduzierung der CO2-Emissionen um 5,4 Tonnen18. In einer Studie wurde die Verwendung eines Rückrohrs in Vakuumröhren-Solarkollektoren untersucht, um stagnierende Bereiche zu entfernen und die thermische Leistung zu verbessern. Die Ergebnisse zeigten eine Verringerung der Wärmeverluste um 42 % und eine Verbesserung der Wärmeübertragungsrate um 10 %. Zur Modellierung der Systemleistung wurden Regressionstechniken mit einer angemessenen Übereinstimmung mit experimentellen Daten19 verwendet. Diese Arbeiten lieferten Informationen über die Wirkung des in Solarkollektoren verwendeten Phasenwechselspeichers.

Die obige Diskussion zeigt, dass das MWCNT-Nanopartikel im Vergleich zu anderen Nanopartikeln eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt. Es wurden weniger Versuche unternommen, MWCNT und Tenside zur Verbesserung der Leistung von Solarparabolkollektoren zu verwenden. In der vorliegenden Arbeit wird versucht, die Leistung des Parabolkollektors durch die Verwendung von MWCNT-Wasser-Nanofluid zu verbessern, und SDBS-Tensid wurde verwendet, um MWCNT im destillierten Wasser zu stabilisieren. Der Volumenanteil von MWCNT wurde auf 0,0158, 0,0238 und 0,0317 Vol.-% variiert, und die Volumenflussrate wurde auf 6, 6,5 und 7 l/min variiert.

In diesem Abschnitt werden die während des Experiments verwendeten Materialien und Methoden beschrieben.

Die Grundflüssigkeit: Destilliertes Wasser und Nanopartikel: MWCNT, geliefert von Ad-nano Technologies Private Limited Shimoga, Karnataka, Indien. Das beschaffte MWCNT wurde mithilfe der chemischen Gasphasenabscheidungstechnik synthetisiert. Die MWCNT-Probe wurde mehrfach mit entionisiertem Wasser gewaschen, anschließend filtriert und anschließend 2 Stunden lang bei 80 °C getrocknet, um die Feuchtigkeit zu reinigen und zu entfernen20. Anschließend wurde die MWCNT-Probe gemäß den Standards für die TEM-Analyse vorbereitet. Das TEM ist ein leistungsstarkes Werkzeug zur Charakterisierung und Analyse von Nanopartikeln in Nanoflüssigkeiten und liefert wertvolle Informationen über deren Größe, Morphologie, Dispersion, Kristallstruktur, chemische Zusammensetzung, Grenzflächenwechselwirkungen und Verhalten unter verschiedenen Bedingungen. Diese Informationen sind von entscheidender Bedeutung, um die Eigenschaften und das Verhalten von Nanoflüssigkeiten zu verstehen und ihre Leistung in verschiedenen Anwendungen zu optimieren.

Tensid: Zur Stabilisierung von MWCNT im destillierten Wasser wird SDBS von Lob Chemie Pvt. verwendet. Ltd. Mumbai, Maharashtra, Indien, eingesetzt.

Das beschaffte MWCNT wurde zur Überprüfung der physikalischen Eigenschaften mit einem hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop charakterisiert und ist in Abb. 1a dargestellt. Die Diffusion von MWCNT im destillierten Wasser wurde unter Verwendung eines Ultraschallbades (Labman Scientific Instruments Pvt. Ltd.) bei einer Frequenz von 40 ± 3 kHz durchgeführt und ist in Abb. 1b dargestellt. Zur Messung von Temperaturen werden Thermoelemente verwendet und ein Arbeitsbereich von 0–199 °C. Der Volumenstrom des Arbeitsmediums wurde mit einem Rotationsdurchflussmesser mit einem Arbeitsbereich von 1–30 l/min gemessen. Zur Messung der Windgeschwindigkeit wurde das Anemometer mit einem Bereich von 0–45 m/s verwendet. Die Sonneneinstrahlung des Tages wurde mit einem Solarstrommessgerät gemessen und in Abb. 1c dargestellt. Der Betriebsbereich liegt zwischen 0 und 1999 W/m2.

Die Charakterisierung, das zur Herstellung von Nanoflüssigkeiten verwendete Instrument und die Messung der Sonnenstrahlung (a) MWCNT-TEM-Bild (b) Ultraschallbad für Nanoflüssigkeiten (c) Solarenergiemesser.

Für die Herstellung des CNT-Nanofluids wurde eine zweistufige Methode in Betracht gezogen. Zuerst wurde eine Tensidlösung unter Verwendung von Natriumdodecylbenzolsulfonat (SBBS) hergestellt, dann wurden MWCNT-Nanopartikel mit der Lösung gemischt und ein Verhältnis von Tensid/MWCNT von 1:1 beibehalten21,22,23. Die vorbereitete Lösung wurde bis zu 10 Minuten lang bei 500 U/min magnetisch gesteuert und dann 40 Minuten lang mit Ultraschall behandelt, um das MWCNT in der Lösung zu dispergieren. Die MWCNT-Volumenanteile 0,0158, 0,0238 und 0,0317 Vol.-% wurden bei der Bildung des Nanofluids Tabelle 1 verwendet. Bei der Berechnung wurden die thermophysikalischen Eigenschaften von MWCNT und Wasser berücksichtigt. Die Stabilität des MWCNT wurde im Abschnitt „Auswirkung unterschiedlicher Konzentrationen von MWCNT-Nanopartikeln im Wasser“ weiter diskutiert.

Als die Nanopartikel der Grundflüssigkeit Wasser zugesetzt wurden, veränderten sich die Eigenschaften dieser Flüssigkeit. Die Zugabe der Nanopartikel wurde anhand der Volumenkonzentration gemessen, die durch Gleichung (1) bestimmt wird. (1)20.

Die Dichte des Nanofluids wurde durch das Pak- und Xuan-Modell Gl. formuliert. (2)24.

Die spezifische Wärme des Nanofluids wurde mithilfe von Gl. berechnet. (3)24.

Die Wärmeleitfähigkeit des Nanofluids wurde durch das Maxwell-Modell Gl. geschätzt. (4)21.

Die dynamische Viskosität des Nanofluids wurde durch das Bachelor-Modell Gl. bestimmt. (5)25.

Die schematische Anordnung des Solarparabolkollektors ist in Abb. 2a dargestellt. Der Leistungstest des von Eco-sense, Delhi, Indien, gelieferten Solarparabolkollektors wird in Abb. 2b durchgeführt. Tabelle 2 enthält Einzelheiten zu den Spezifikationen der Ausrüstung. Das Experiment wurde in Bengaluru, Indien (13° 1′ 50″ N – 77° 33′ 54″ E) pilotiert. Der Solarkollektor wurde in Nord-Süd-Richtung positioniert und der Aufbau verfügt über einen Auto-Tracking-Mechanismus, um die Position des Parabolkollektors alle 20 Minuten an den Sonnenstand anzupassen. Der Parabolkollektor hat einen Konzentrationsfaktor von 20, was der Menge der auf dem Absorberrohr konzentrierten Sonnenstrahlung entspricht, mit einem Reflexionsvermögen von 85 % und einem Absorptionsvermögen von 95 %. Der höhere Konzentrationsfaktor, das Reflexionsvermögen und das Absorptionsvermögen erhöhen die Wärmeübertragung des Arbeitsmediums durch Erreichen einer höheren Temperatur. Die Experimente wurden gemäß den ASHRAE-Standards durchgeführt. Beim Vergleich der thermischen Gesamtleistung des Solarkollektors werden unterschiedliche Strahlungseinfälle, Umgebungstemperaturen und Flüssigkeitsverbrauchstemperaturen berücksichtigt. Ein Steady-Nation-Experiment ist wichtig, um die Ladung der am Kollektor einfallenden Sonnenstrahlung und die Ladung der Elektrizität zu bestimmen, die auf die Betriebsflüssigkeit übertragen wird, wenn diese durch den Kollektor fließt. Die experimentellen Daten wurden von 10:00 bis 16:00 Uhr alle 1 Stunde für eine einzelne Durchflussrate erfasst, und die Durchflussrate variierte zwischen 6, 6,5 und 7 l/min.

Der Versuchsaufbau des Solarparabolkollektors (a) Schematischer Aufbau des Solarparabolkollektors (b) Prüfstand des Solarparabolkollektors Vorderansicht und Seitenansicht.

Die Einlasstemperatur des Arbeitsmediums war zu verschiedenen Zeiten unterschiedlich; daher wurde die Rate des nutzbaren Energiegewinns durch Gleichung berechnet. (6)10.

Gleichung (7) zur Bestimmung der Rate des nutzbaren Energiegewinns war eine Änderung der gewonnenen Energie und des Energieverlusts durch das Empfängerrohr10.

Der momentane Wirkungsgrad des Solarparabolkollektors wurde mit den Gleichungen berechnet. (8) und (9)10.

Die aus Kalibrierungsdaten und Herstellerspezifikationen ermittelte Standardunsicherheit gewährleistet zuverlässige Ergebnisse, indem sie Gerätebeschränkungen und Kalibrierungsfehler berücksichtigt. Sie wird als Standardabweichung oder erweiterte Unsicherheit ausgedrückt, typischerweise mit einem Erweiterungsfaktor. Entscheidend für die Beurteilung der Genauigkeit und Präzision von Messungen, um zuverlässige Ergebnisse für die weitere Analyse sicherzustellen. Die Standardunsicherheit des Messgeräts ergibt sich aus der folgenden Gleichung: (10).

Die Unsicherheit des momentanen Wirkungsgrads des Sonnenkollektors wird durch Gl. (11)17,26,27

Der momentane Solarwirkungsgrad wurde mit einer Gesamtunsicherheit von 4,5 % ermittelt. Diese Unsicherheit wurde unter Berücksichtigung der einzelnen Unsicherheiten des Durchflussmessers ± 4,1 %, der Thermoelemente ± 0,5 °C, des Anemometers ± 3 % und des Pyranometers (± 5,5 %) berechnet.

Die Experimente wurden von März bis April 2022, konkret von 10:00 bis 16:00 Uhr, akribisch durchgeführt, um Daten über die Leistung einer Solarthermieanlage zu sammeln. Abbildung 3a bietet eine grafische Darstellung der zeitlichen Änderungen der Sonnenstrahlungsintensität und -temperaturen, einschließlich Umgebungs-, Flüssigkeitseinlass- und -auslasstemperaturen, für destilliertes Wasser als Basisflüssigkeit bei einem konstanten Volumenstrom von 6 l/min. Auch die Intensität der Sonneneinstrahlung und die Temperaturen wurden sorgfältig für verschiedene Volumenströme, nämlich 6, 6,5 und 7 L/min, aufgezeichnet, um deren Einfluss auf das Verhalten des Systems umfassend zu bewerten. Die gesammelten Daten wurden streng nach dem ASHRAE-Standard ausgewertet. Die Analyse ergab, dass die höchsten Temperaturschwankungen der Umgebungs-, Einlass- und Auslasstemperaturen in jedem Testzeitraum 0,7 °C, 0,5 °C bzw. 0,6 °C betrugen. Darüber hinaus nahm die Intensität der Sonneneinstrahlung bis 12:00–13:00 Uhr zu, gefolgt von einer Abnahme. Diese Erkenntnisse liefern wertvolle Einblicke in die Leistung des Systems unter verschiedenen Betriebsbedingungen und können zur Entwicklung effizienterer Solarthermiesysteme beitragen.

Die Messung von Temperaturen, Sonneneinstrahlung und momentanem Wirkungsgrad in Bezug auf die Tageszeit (a) Experimentelle Messungen von Ta, Ti, To und S in Bezug auf die Tageszeit bei einer Wasserdurchflussrate von 6 l/min als Arbeitsmedium (b) Momentaner Solarstrom Kollektorwirkungsgrad bezüglich T* bei einem anderen Volumenstrom.

Abbildung 3b stellt den momentanen Wirkungsgrad des Solarkollektors mit reduzierten Temperaturparametern dar, \({\text{T}}^{*}=\frac{\left({\text{T}}_{\text{i}} -{\text{T}}_{\text{a}}\right)}{\text{S}}\) bei verschiedenen Volumenströmen. Die Messwerte wurden als lineare Gleichungen aufgetragen und die Werte von FRUl und FR(τα) wurden durch Einpassen der Daten in lineare Gleichungen für verschiedene Volumendurchflussraten erhalten. Die Effizienzparameter FRUl und FR(\({\uptau \upalpha }\)) für jeden Volumenstrom sind in Tabelle 3 aufgeführt. Ein niedrigerer Wert von FRUl = 22,38 und ein höherer Wert von FR(τα) = 0,7959 wird bei 7 L/min erreicht. Dies weist auf einen niedrigeren Reibungsfaktor hin, was den Druckabfall über das Absorberrohr verringert und die Durchlässigkeit im Absorberrohr verbessert. Dies erhöht den momentanen Wirkungsgrad von Solarkollektoren. Bei 7 l/min ergibt sich ein niedrigerer Wert von FRUl = 22,38 und ein höherer Wert von FR(τα) = 0,7959. Dies weist auf einen niedrigeren Reibungsfaktor hin, was den Druckabfall über das Absorberrohr verringert und die Durchlässigkeit im Absorberrohr verbessert. Dies wiederum führte zu einer erhöhten Momentaneffizienz von Solarkollektoren. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass sich höhere Volumenströme positiv auf die Effizienz des Solarkollektors auswirken.

Das Nanofluid wurde ohne Verwendung eines Tensids hergestellt. In diesem Fall setzten sich die MWCNT-Nanopartikel nach wenigen Minuten ab. Den MWCNT-Nanopartikeln wurde hydrophobes Verhalten zugeschrieben und sie bildeten zwischen ihnen starke Vander-Waals-Kräfte. Die Zugabe von Tensid zu MWCNT erhöht die Stabilität. Zur Herstellung des CNT-Nanofluids wurden Gummiarabikum, Triton X-100, Natriumdesoxycholat, Huminsäure, Natriumdodecylbenzolsulfonat (SDBS) usw. als Tensid verwendet28. Unter diesen Tensiden liefert SDBS die vielversprechendsten Ergebnisse. Daher wurden Nanoflüssigkeiten durch Zugabe einer wirksamen Konzentration des SDBS-Tensids hergestellt. Dies führt zu einer Modifikation der Oberfläche von MWCNT und verhält sich hydrophil. Die Wirkung des Tensids verstärkt die Abstoßungskräfte zwischen den MWCNT-Partikeln, um die Agglomerate zu vermeiden und stabil zu bleiben29. Die Stabilität von MWCNT wurde mit der fotografischen Methode gemessen und war mehr als einen Monat lang stabil. Die Langzeitstabilität von MWCNTs wurde erneut durch Zentrifugationsmethoden für 30 Minuten bei 3000 U/min charakterisiert. Mit der fotografischen Methode blieben die Ergebnisse gleich. Dieses stabile Nanofluid wurde effektiver eingesetzt, was zu einer Effizienz des Solarparabolkollektors führte.

Das Nanofluid wird mit unterschiedlichen Volumenkonzentrationen wie 0,0158, 0,0238 und 0,0317 % hergestellt und SDBS-Tensid wird mit einer Basisflüssigkeit gemischt, um die Stabilität zu verbessern. Der Einfluss der Variation der Volumenkonzentrationen auf den momentanen Wirkungsgrad für verschiedene reduzierte Temperaturen \(\frac{\left({\text{T}}_{\text{i}}-{\text{T}}_{\text{ a}}\right)}{\text{S}}\) bei Durchflussraten von 6, 6,5 und 7 L/min ist in Abb. 4a–c dargestellt. Der momentane Wirkungsgrad des Solarparabolkollektors stieg mit dem Volumenanteil für alle Volumenstromraten. Bei einer Durchflussrate von 6 l/min bei einem Volumenanteil von 0,0158 % erhöht sich der momentane Wirkungsgrad des Kollektors um 2 % im Vergleich zur Basisflüssigkeit. Der Wirkungsgrad erhöht sich um 3 % bzw. 4 % für Volumenanteile von 0,0238 % bzw. 0,0317 %. Bei einer Durchflussrate von 6,5 l/min erhöhte sich der momentane Wirkungsgrad des Kollektors um 3 % im Vergleich zu destilliertem Wasser, wenn ein Volumenanteil von 0,0158 % vorliegt. In ähnlicher Weise verbesserte sich bei gleicher Durchflussrate der Wirkungsgrad um 4 % bzw. 7 % für Volumenanteile von 0,0238 % bzw. 0,0317 %. Bei einer Durchflussrate von 7 l/min erhöht sich der momentane Wirkungsgrad um 6 % mit einem Volumenanteil von 0,0158 %. Der Wirkungsgrad dominierte weiterhin positiv mit 8 % und 11 % bei einem Volumenanteil von 0,0238 % und 0,0317 %. Die Diffusion von Nanopartikeln in der Basisflüssigkeit erhöht die Wärmeleitfähigkeit der Nanoflüssigkeit erheblich, was zu verbesserten Wärmeübertragungseigenschaften führt30. Diese erhöhte Wärmeleitfähigkeit ermöglicht eine effizientere Wärmeableitung, was zu einer verbesserten Leistung des Solarparabolkollektors führt.

Auswirkung unterschiedlicher Konzentrationen von MWCNT-Nanopartikeln im Wasser (a), (b) und (c) Momentaner Wirkungsgrad des Kollektors ηi vs. T* bei 6, 6,5 bzw. 7 L/min und (d) FTIR-Spektroskopie von Wasser und Nanoflüssigkeiten.

Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) sind für ihre außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit bekannt, die die anderer Nanopartikel übertrifft. Diese Nanoröhren mit Durchmessern zwischen 5 und 15 nm verfügen über eine einzigartige zylindrische Form, die zu einer größeren Oberfläche für eine effiziente Wärmeübertragung führt, was sie für verschiedene Anwendungen äußerst wünschenswert macht24. Darüber hinaus zeigen CNTs, wenn sie in geringeren Volumenanteilen in einer Grundflüssigkeit verwendet werden, ein Newtonsches Flüssigkeitsverhalten und fließen reibungslos ohne wesentliche Änderungen der Viskosität. Diese Eigenschaft ist besonders vorteilhaft bei Anwendungen wie Solarparabolkollektoren, bei denen eine optimale Wärmeübertragung für maximale Leistung entscheidend ist. Darüber hinaus kann der Brownsche Bewegungsmechanismus, bei dem CNTs aufgrund thermischer Schwankungen eine zufällige Bewegung zeigen, die Effizienz von Solarparabolkollektoren verbessern, wenn sie in Nanoflüssigkeiten eingesetzt werden.

Allerdings wird das Nanofluid bei höheren Volumenanteilen dichter, was zu einem nichtlinearen Verhalten führt. Mit zunehmendem Volumenanteil von CNTs werden die anziehenden Vander-Waals-Kräfte zwischen Nanopartikeln stärker als die Brownsche Bewegung, was zu einer verringerten Stabilität und einer verringerten Leistung des Solarparabolkollektors führt. Daher wird in der vorliegenden Forschung die Volumenkonzentration von CNTs bewusst in einem niedrigeren Bereich gehalten, um die besten Ergebnisse bei geringeren Kosten zu erzielen und so eine optimale Leistung und Stabilität im Solarparabolkollektor sicherzustellen.

In Abb. 4d lieferte die FTIR-Spektroskopie wichtige Informationen über die Atombindung im Nanofluid. Der Peak bei etwa 1450 cm−1 deutete auf eine symmetrische Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung hin, die im im Nanofluid verwendeten SDBS-Tensid vorhanden ist, und die Absorptionsenergie nahm mit der Tensidkonzentration zu. Peaks bei fast 1600 und 3300 cm−1 deuteten auf Sauerstoff- und Wasserstoffbrückenbindungen von Wassermolekülen im Biege- bzw. Streckmodus hin. Die schwachen Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungspeaks nahe 2800–2900 cm−1 deuteten auf das Vorhandensein von Kohlenstoffatomen aus MWCNTs hin, wobei höhere Konzentrationen zu einer verstärkten Energieabsorption durch das Arbeitsmedium führten31.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Energieabsorption aufgrund von Umweltfaktoren wie Sonnenintensität, Absorberoberflächentemperaturen und Arbeitsflüssigkeitseinlasstemperaturen variieren kann. Ein verringerter Temperaturunterschied zwischen der Oberfläche des Absorberrohrs und dem Arbeitsmedium kann die Wärmegewinnung verringern. Basierend auf Forschungsergebnissen haben Nanoflüssigkeiten das Potenzial, Energiegewinne von 1000 bis 1220 Joule pro Stunde bei einer Speicherkapazität von 20 Litern zu erzielen. Diese Werte stellen die potenzielle Wärmeenergie dar, die aus dem System gewonnen werden kann, wenn MWCNT-Nanopartikel in der Grundflüssigkeit dispergiert werden.

Die Volumenströme der Nanoflüssigkeiten variierten durch ein Regelventil auf 6, 6,5 und 7 l/min. Für jeden Volumenstrom ist der momentane Wirkungsgrad des Kollektors gegenüber den reduzierten Temperaturparametern \({\text{T}}^{*}=\frac{\left({\text{T}}_{\text{ i}}-{\text{T}}_{\text{a}}\right)}{\text{S}}\) Änderungen festgestellt werden. Abbildung 5a–c zeigt die Variationen von 0,0158, 0,0238 und 0,0317 Vol.-% Nanoflüssigkeiten bei 6, 6,5 bzw. 7 l/min. Bei allen Volumenkonzentrationen von Nanoflüssigkeiten erhöht sich die Effizienz des Sonnenkollektors mit steigenden Volumendurchflüssen. Mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des Arbeitsmediums nimmt der Temperaturgradient ab, wodurch ein hoher Wärmeübertragungskoeffizient entsteht. Dies ist eine Verringerung des Temperaturunterschieds zwischen Ti und Ta (Temperaturgradient) und führt zu einem kleineren Wert des T*-Parameters, sodass die Effizienz des Solarkollektors steigt3,8,32. Eine frühere Studie der Forscherin Lyudmila Knysh zur numerischen Methode wurde mit MWCNT-Wasser-Nanofluid durchgeführt und erzielte eine Verbesserung der Solarkollektoreffizienz um fast 10 %33.

Der Einfluss der Volumenströme auf den Wirkungsgrad von Solarparabolkollektoren (a), (b) und (c). Momentaner Wirkungsgrad des Kollektors ηi vs. T* bei unterschiedlichen Volumendurchflussraten für Nanoflüssigkeiten mit 0,0158, 0,0238 und 0,0317 Vol.-%.

Die experimentelle Arbeit wird an Solarparabolkollektoren gemäß ASHRE-Standards für verschiedene Volumenanteile von Nanoflüssigkeiten mit unterschiedlichen Durchflussraten durchgeführt. Aus den experimentellen Ergebnissen geht hervor, dass die Effizienz des Kollektors mit zunehmenden Volumenströmen zunimmt. Bei einem hohen Durchfluss ist der Temperaturunterschied zwischen Absorberrohr und Arbeitsmedium minimal; daher wird mehr Wärme übertragen. Die Zugabe einer ausreichenden Menge SDBS-Tensid zum Nanofluid verbessert die Brownsche Bewegung von MWCNT-Nanopartikeln. Dies führt zu einer effektiven Stabilität der Nanopartikel und verbessert die Wärmeübertragung. Da eine zunehmende Volumenkonzentration von MWCNT in einer Basisflüssigkeit die Kollektoreffizienz erhöht, gleichzeitig aber die Viskosität des Arbeitsmediums zunimmt, unterliegt die Anbringung von Nanopartikeln an der Basisflüssigkeit bestimmten Einschränkungen. In der vorliegenden Studie weisen Nanoflüssigkeiten mit 7 L/min und 0,0317 Vol.-% die höchste Kollektoreffizienz auf. Der Solarkollektorwirkungsgrad konnte in der vorliegenden experimentellen Arbeit geringfügig um 10 bis 11 % gesteigert werden.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Umgebungs

Kollektorfläche (m2)

Basisflüssigkeit

Konzentrationsverhältnis

Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Spezifische Wärme (J/kg K)

Durchmesser (m)

Fourier-Transformations-Infrarot

Flüssigkeitseinlass (°C)

Flüssigkeitsauslass (°C)

Kollektorwärmeabfuhrfaktor

Wärmeleitfähigkeit (W/mK)

Länge des Kollektors (m)

Liter pro Stunde

Liter pro Minute

Masse (kg)

Massendurchfluss (kg/s)

Protokoll

Mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Nanofluid

Nanopartikel

Nutzenergiegewinn (W)

Umdrehung pro Minute

Globale Sonnenstrahlung (W/m2)

Natriumdodecylbenzolsulfonat

Temperatur (°C)

Reduzierte Temperatur (K-m2/W)

Transmissionselektronenmikroskope

Gesamtkoeffizientenverlust (W/m2K)

Breite des Kollektors (m)

Dichte (kg/m3)

Volumenkonzentration (Vol%)

Dynamische Viskosität (Ns/m2)

Sofortige Effizienz

Transmissions-Absorptionsfaktor

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Die Autoren danken der Researchers Supporting Project-Nummer (RSP2023R6), King Saud University, Riad, Saudi-Arabien.

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Kiran Shahpurkar

Abteilung für VLSI-Mikroelektronik, Saveetha School of Engineering, Saveetha Institute of Medical and Technical Sciences, Chennai, Tamilnadu, 602105, Indien

Manzoore Elahi Mohammad Soudagar

Fachbereich Chemie, College of Science, King Saud University, Riad, Saudi-Arabien

Tansir Ahmad

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MD. Abul Kalam

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Kiran Madrahalli Chidanandamurthy

Erdöl- und Chemieingenieurwesen, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universiti Teknologi Brunei, Bandar Seri Begawan, BE1410, Brunei Darussalam

Nabisab Mujawar Mubarak und Rama Rao Karri

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VT, NPB, VBN: Untersuchung, Visualisierung, Verfassen des Originalentwurfs, Überprüfung und Bearbeitung. KS, MEMS, TA, MAK, KMC und NPB: Konzeptualisierung, Untersuchung, Visualisierung. NMM und RRK haben das Manuskript überprüft und bearbeitet.

Korrespondenz mit Vinayak Talugeri oder Nabisab Mujawar Mubarak.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Talugeri, V., Pattana, NB, Nasi, VB et al. Experimentelle Untersuchung an einem Solarparabolkollektor unter Verwendung wasserbasierter mehrwandiger Kohlenstoff-Nanoröhren mit geringen Volumenkonzentrationen. Sci Rep 13, 7398 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34529-6

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Eingegangen: 08. März 2023

Angenommen: 03. Mai 2023

Veröffentlicht: 06. Mai 2023

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

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