Écoulement de nanofluide hybride dans le tube de refroidissement du photovoltaïque

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8202 (2023) Citer cet article

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Dans ce travail, la couche de générateur thermoélectrique (TEG) a été combinée avec des couches conventionnelles de modules photovoltaïques-thermiques (PVT) pour utiliser la chaleur perdue et augmenter l'efficacité. Pour réduire la température de la cellule, il existe un conduit de refroidissement dans le bas de l'unité PVT-TEG. Le type de fluide dans le conduit et la structure du conduit peuvent modifier les performances du système. Ainsi, le nanofluide hybride (mélange de Fe3O4 et de MWCNT avec de l'eau) a été remplacé à la place de l'eau pure et trois différentes configurations de section [STR1 (circulaire), STR2 (losange), STR3 (elliptique)] ont été mises en œuvre. À travers le tube, le flux laminaire incompressible de nanofluide hybride a été résolu tandis que dans les couches solides du panneau, une équation de conduction pure a été simulée impliquant des sources de chaleur résultant d'une analyse optique. Selon les simulations, la troisième structure (elliptique) a les meilleures performances et l'augmentation de la vitesse d'entrée entraîne une amélioration des performances globales d'environ 6,29 %. Les valeurs des performances thermiques et électriques pour la conception elliptique avec des fractions égales de nanoparticules sont respectivement de 14,56 % et 55,42 %. Avec la meilleure conception, le rendement électrique s'améliore d'environ 16,2 % par rapport à un système non refroidi.

L'énergie revêt une importance économique significative pour n'importe quel pays, car elle est non seulement cruciale pour les industries, mais aussi pour répondre aux besoins domestiques de la société. Cette énergie peut prendre diverses formes, telles que l'électricité, les produits chimiques, la chaleur et autres. Traditionnellement, les combustibles fossiles ont été utilisés pour répondre à ces demandes énergétiques, mais ce sont des ressources limitées qui ne peuvent pas être facilement reconstituées. La vitesse à laquelle les humains consomment des combustibles fossiles dépasse de loin la vitesse à laquelle ils sont naturellement substitués1. Par conséquent, trouver des alternatives durables aux combustibles fossiles est essentiel pour répondre à nos besoins énergétiques à long terme. L'énergie durable est une question cruciale qui a le potentiel d'apporter des changements positifs dans la situation actuelle2. Les combustibles fossiles contribuent non seulement à la pollution de l'environnement, mais sont également confrontés au défi de l'épuisement. Ainsi, pour diminuer l'impact environnemental de ces sources, la demande d'énergie renouvelable augmente pour répondre aux besoins énergétiques croissants. À mesure que le coût de l'énergie solaire tombe en dessous de celui des combustibles fossiles, la demande en combustibles fossiles tend à diminuer. L'énergie solaire peut être exploitée par le biais de divers systèmes, y compris les unités thermiques photovoltaïques (PVT) pour produire à la fois de la chaleur et de l'électricité à partir de l'énergie solaire3. Les unités PV sont appliquées pour convertir le rayonnement incident en électricité et seulement 20 % de l'énergie totale de la lumière solaire peut être convertie et le reste est gaspillé4. Cependant, des températures de fonctionnement élevées peuvent entraîner une réduction du taux de conversion et cette augmentation de température peut entraîner des dommages à l'intégrité structurelle des panneaux solaires5. Les efforts visant à augmenter les performances électriques (ηel) des panneaux photovoltaïques impliquent de réduire leur température de fonctionnement, qui peut être atteinte grâce à l'utilisation d'une unité d'absorption thermique. Les chercheurs ont exploré une méthode appelée unité PVT, pour abaisser la température des cellules6. Le système PVT permet la production simultanée d'électricité et de chaleur7,8. Elqady et al.9 ont étudié une recherche visant à optimiser les dimensions d'un dissipateur thermique pour améliorer les performances de refroidissement des panneaux solaires. Leurs conclusions ont identifié un conduit avec des points de conception optimaux, puis ils l'ont utilisé dans un modèle 3D pour évaluer l'efficacité d'un PVT. La plus grande performance électrique obtenue a été de 17,45 %, ce qui a démontré une amélioration significative de près de 40 % par rapport à un système CPV/T typique. Raza et al.10 ont présenté une méthodologie de calcul pour la conception d'un matériau composite haute performance à utiliser comme face arrière d'une unité PV concentrée (CPV). Le composite proposé présente un potentiel prometteur et se traduit par une amélioration de 4,3 % de la puissance électrique et une meilleure durabilité du module. Li et al.11 ont présenté une approche nouvelle et polyvalente pour le refroidissement des panneaux photovoltaïques. Ils ont constaté que les performances du PV s'amélioraient d'environ 19 % avec l'utilisation du système proposé.

Grâce à des recherches continues sur les propriétés des fluides, l'eau peut être modifiée pour améliorer ses capacités d'évacuation de la chaleur pour les cellules photovoltaïques (PV). Ceci peut être réalisé en incorporant des nanoparticules dans l'eau pour augmenter sa conductivité thermique12. Le nanofluide, qui est un type de fluide caloporteur composé de matériaux techniques de taille nanométrique mélangés à un fluide de base, a attiré l'attention des chercheurs en raison de ses performances dans divers usages13. Les nanofluides ont attiré l'attention en tant que techniques de refroidissement prometteuses pour le PVT. Les chercheurs ont expérimenté différents nanofluides dans différentes structures de systèmes PVT pour optimiser leur efficacité et établir un système efficace avec des performances globales améliorées14. Une recherche dirigée par Bassam et al.15 a examiné l'efficacité d'un PVT hybride en présence de micro-ailettes et d'un turbulateur. Le ηel rapporté de l'unité était de 10,8 % et la performance thermique maximale de l'unité était de 83,3 %. Les conditions de fonctionnement optimales pour un système PVT avec nanofluide CuO ont été examinées par Madas et al.16. Les résultats ont montré que l'augmentation de la fraction nanofluide entraînait une augmentation de 1,11 % et 3,3 % des performances électriques et thermiques. Abadeh et al.17 ont étudié l'analyse économique du système solaire dans l'existence de divers types de nanofluides comme fluides caloporteurs. Leurs résultats ont révélé que l'ajout de nanofluides améliorait considérablement la période de récupération. De plus, d'un point de vue environnemental, les résultats ont démontré que l'unité proposée réduisait la production d'émissions d'environ 17 % par rapport à une unité PV. Nasrin et al.18 ont testé une expérience en intérieur sur un PV et ils ont appliqué de l'eau MWCNT comme fluide de test. Ils ont rapporté que l'efficacité globale peut atteindre 87,65 %. Khan et al.19 ont évalué le comportement du système PVT utilisant un tuyau serpentin. Leur étude a révélé que les systèmes PVT utilisant des nanofluides hybrides présentaient des performances thermiques 10,5 % supérieures à celles de l'oxyde de fer-eau. Alktranee et al.20 ont utilisé une recherche pour examiner l'impact de l'utilisation du nanofluide sur l'efficacité du système PVT. Ils ont utilisé du trioxyde de tungstène et ont montré que la température de la cellule réduisait d'environ 21,4 %. Tembhare et al.21 ont rapporté un examen des nanomatériaux et de leurs propriétés pour les applications solaires thermiques. Ils ont analysé diverses études sur les systèmes solaires thermiques utilisant des nanofluides. Les chercheurs ont découvert que les nanofluides, en raison de leurs propriétés supérieures de transfert de chaleur, offrent un potentiel important pour les applications solaires. Les nanofluides, avec des nanoparticules dispersées qui présentent une conductivité thermique élevée, ont la capacité de transporter efficacement la chaleur. Du et al.22 ont incorporé un filtre contenant des nanofluides plasmoniques dans leur système PVT pour exploiter tout le spectre solaire. De plus, ils ont utilisé un vitrage aérogel et ont observé une augmentation de 13,3 % des performances exergétiques par rapport au système précédent.

Pour améliorer les performances de l'utilisation de l'énergie solaire, il existe d'importantes recherches sur le PVT, qui sont des technologies efficaces et rentables. De plus, il y a eu un intérêt croissant pour les systèmes hybrides combinant le photovoltaïque et les générateurs thermoélectriques (PV-TEG)23. Des tentatives ont été faites pour combiner les technologies PV et TE. Malgré les avantages des générateurs thermoélectriques (TEG) dans la conversion de la chaleur perdue en électricité. Les modules TE offrent plusieurs avantages, tels qu'être respectueux de l'environnement, simples, silencieux et durables. Cependant, leur efficacité est relativement faible. Alors que les cellules photovoltaïques couvrent les gammes visible et ultraviolette de l'irradiation solaire, les modules TEG peuvent utiliser la partie infrarouge, ce qui permet une récupération d'énergie plus complète à partir de la lumière solaire entière24. En utilisant l'effet Seebeck, un module de générateur thermoélectrique (TEG) est capable de générer de l'énergie électrique en exploitant les différences de température. Dans une unité hybride PV/TEG, la température PV augmente à mesure que le rayonnement solaire s'intensifie. Par la suite, le TEG convertit le gradient de température en énergie électrique, suivant les principes de l'impact Seebeck25,26,27. Dans une simulation menée par Rejeb et al.28, une comparaison a été faite entre une unité CPVT et une unité CPVT/TE. Ils ont prouvé que le système CPVT/TE avec nanofluide générait 11,15 % de puissance électrique globale en plus en été par rapport à l'unité CPVT. Chen et al.29 ont examiné une combinaison de TEG, de PV et d'absorbeur sélectif solaire (SSA). Leur production a affiché une augmentation de 9,89 % de l'efficacité énergétique. Lekbir et al.30 ont examiné une unité CPVT-TE qui utilisait un canal de refroidissement à nanofluide. Les résultats ont révélé que le ηel de cette unité était supérieur de 8,4 % à celui du CPVT-TE avec refroidissement par eau. Shittu et al.31 ont examiné une recherche de simulation sur une unité PVT-TEG en présence d'un caloduc (HP). Les résultats ont révélé que les performances du système suggéré étaient 1,47 fois supérieures à celles du système sans HP. Un prototype d'unité CPVT/TE a été évalué par Indira et al.32 dans des conditions extérieures. Ils ont constaté que la performance électrique la plus élevée de 4,86 ​​% a été atteinte.

Selon une étude précédente, la modification des couches de modules PV et l'utilisation de systèmes de refroidissement peuvent modifier l'efficacité. Certains chercheurs ont suggéré d'utiliser le TEG pour utiliser la chaleur résiduelle résultant des longueurs d'onde de la lumière solaire qui ne peuvent pas se convertir en électricité via une couche de silicium. Dans l'article actuel, un module PV a été associé à une couche TEG et un conduit de refroidissement avec différentes configurations a été appliqué pour gérer la température de la cellule. Les nanoparticules hybrides (Fe3O4-MWCNT) ont été dispersées dans l'eau. Les influences du rapport de fraction des composants du nanofluide hybride ainsi que de la vitesse d'entrée du fluide d'essai ont été examinées par modélisation numérique. Trois géométries de conduits de refroidissement ont été incorporées pour trouver la meilleure conception. En outre, l'influence de la quantité d'irradiation solaire a été analysée. Les équations gouvernantes et les hypothèses utilisées ont été résumées dans la section "La description du système PVT-TEG et les équations gouvernantes". Les sorties des simulations ont été classées dans la section "Résultats et discussion" pour trouver le cas le plus performant. La section Conclusion a été présentée comme la dernière partie de cet article.

Le panneau de silicium polycristallin avec 72 cellules et une température critique de 85 ° C a été sélectionné dans cette étude et les données associées pour les dimensions et les propriétés des couches sont les mêmes que celles de la Réf.18. Différentes couches ont été représentées sur la figure 1 et on peut voir que la couche TEG existe au-dessus de la couche absorbante. Les épaisseurs de chaque couche et leurs propriétés ont été mentionnées dans la première figure. L'ajout d'une couche TEG augmente la sortie du système. Pour préparer l'équipement de refroidissement, le conduit de refroidissement a été situé dans le bas de l'absorbeur. Comme mentionné dans la Fig. 2, trois configurations (STR1 (circulaire), STR2 (losange) et STR3 (elliptique)) ont été implémentées.

(a) PVT combiné avec TEG, et (b) spécifications géométriques et thermophysiques des régions solides.

Les structures proposées pour la section transversale du conduit de refroidissement.

Les nanofluides hybrides deviennent de plus en plus populaires en raison de leur potentiel à augmenter la chaleur utile. Contrairement aux mono-nanofluides, les nanofluides hybrides peuvent conduire à une meilleure conductivité thermique, viscosité et stabilité. De plus, les nanofluides hybrides offrent une plus grande flexibilité de conception et peuvent être personnalisés pour répondre aux besoins spécifiques des applications. Par conséquent, l'utilisation de nanofluides hybrides a été utilisée dans les travaux en cours (voir Fig. 3). Les nanoparticules hybrides sont un mélange de Fe3O4-SWCNT et de l'eau a été appliquée comme fluide de base. Les propriétés des composants et les formules de calcul des caractéristiques du nanofluide hybride ont été illustrées à la Fig. 3 et pour plus d'explications, elles existent dans la Réf.33.

(a) Spécifications thermophysiques du H2O et des nano-poudres, et (b) les équations déterminantes pour les propriétés thermophysiques du nanofluide hybride Fe3O4-SWCNT/eau.

Des simulations tridimensionnelles ont été appliquées et des conditions symétriques ont été utilisées et un conduit a été simulé pour réduire le coût de calcul. Le flux de nanofluide hybride doit être simulé sur la base des équations ci-dessous34 :

Pour simuler les différentes couches illustrées à la Fig. 1, l'équation ci-dessous doit être résolue34 :

L'indice (R) indique le nom des couches. Le deuxième terme peut être calculé comme ci-dessous35,36 :

La performance thermique de l'unité peut être obtenue selon la formule ci-dessous37 :

Pour calculer la performance électrique PV (ηPV), l'équation suivante doit être utilisée37 :

Pour calculer la consommation d'énergie de la pompe, l'équation ci-dessous peut être utilisée38 :

La couche TEG peut convertir une partie de la chaleur résiduelle en électricité ; l'efficacité du TEG peut être calculée comme39 :

Pour évaluer le système en vue de l'efficacité électrique globale, l'équation ci-dessous peut être appliquée38,39 :

Dans cette étude numérique, ANSYS FLUENT 18.2 a été utilisé pour simuler le système PVT-TE. La méthode choisie pour le couplage pression-vitesse était la méthode SIMPLE. La discrétisation spatiale du gradient a été réalisée à l'aide de la méthode basée sur la cellule des moindres carrés. La méthode du 2ème ordre a été choisie pour résoudre l'équation de pression. Les quantités résiduelles de la continuité touchaient 10−5, et les quantités résiduelles de l'équation d'énergie atteignaient 10−6.

La combinaison d'une unité PVT, d'une couche TEG et d'un refroidissement par nanofluide hybride dans le conduit de refroidissement inférieur offre divers avantages. Premièrement, une telle unité peut fournir à la fois de la chaleur et de l'électricité tout en convertissant la chaleur résiduelle en électricité supplémentaire grâce au TEG, ce qui se traduit par une efficacité et une production d'énergie accrues. Deuxièmement, l'incorporation d'un refroidissement par nanofluide hybride dans le conduit de refroidissement inférieur améliore la gestion thermique, dissipe efficacement la chaleur et réduit les contraintes thermiques sur le système. Il en résulte une fiabilité et une durée de vie accrues du système. De plus, le refroidissement par nanofluide améliore les coefficients de transfert de chaleur et offre des gains d'efficacité supplémentaires. En résumé, la combinaison du PVT, du TEG et du refroidissement par nanofluide améliore considérablement l'efficacité énergétique, la gestion thermique et la fiabilité du système. Le fluide de travail se compose de H2O et d'une combinaison de Fe3O4 et de MWCNT sous forme de nano-poudres hybrides. La géométrie du conduit au bas d'un système PV est essentielle pour un refroidissement et une dissipation thermique efficaces. Une géométrie de conduit correctement conçue peut améliorer le débit du fluide de refroidissement et améliorer le transfert de chaleur, ce qui se traduit par des températures de fonctionnement plus basses et de meilleures performances du système. La forme et la taille du conduit peuvent également affecter la perte de charge et le débit, qui sont des facteurs critiques pour maintenir les performances optimales du système. De plus, la forme du conduit peut influencer la distribution du fluide, ce qui détermine en fin de compte les performances de refroidissement du système. Par conséquent, une prise en compte appropriée de la géométrie du conduit au bas d'un système PV est cruciale pour assurer un fonctionnement efficace et maximiser la durée de vie du système. De ce fait, trois géométries différentes pour le conduit de refroidissement ont été proposées dans le présent travail en considérant le même diamètre hydraulique (STR1 (circulaire), STR2 (losange), STR3 (elliptique)). Les influences des différentes fractions des composants du nanofluide hybride et de la vitesse d'entrée (Vin = 0,065 à 0,17 m/s) ont été examinées.

L'indépendance du maillage est une étape critique dans les simulations numériques car elle garantit des résultats précis et fiables. Le processus consiste à modifier la densité du maillage pour déterminer la résolution minimale nécessaire à la précision. La précision de la sortie de la simulation est fortement influencée par la densité du maillage, et l'utilisation d'un maillage trop grossier ou trop fin peut conduire à des résultats peu fiables. Ainsi, l'obtention de l'indépendance du maillage est cruciale pour produire des simulations précises, ce qui aide les ingénieurs à prendre des décisions de conception éclairées, à améliorer les performances du système et à garantir la fiabilité. Une grille structurée est un système de mailles où les cellules sont disposées selon un motif régulier et peuvent être identifiées par leurs indices. Il présente des avantages tels qu'une meilleure précision et stabilité dans les simulations numériques, des taux de convergence plus rapides et une facilité de mise en œuvre pour les géométries structurées. Ainsi, le maillage structuré a été appliqué dans la modélisation actuelle, comme illustré à la Fig. 4. Lors de la sélection du nombre optimal de cellules de grille, deux critères ont été pris en considération : Tout et TPV. Cinq résolutions de grille différentes ont été évaluées, et la grille avec 3,3 millions de cellules a été déterminée comme étant la meilleure option pour la première géométrie (voir Fig. 5).

Le maillage structuré pour le système actuel.

Étude de l'indépendance du réseau pour les rapports STR1 (a) Tout, (b) TPV.

La validation est une étape critique de la simulation numérique car elle garantit une représentation précise du système analysé. Les modèles numériques sont des simplifications de systèmes physiques complexes, avec des hypothèses et des limites inhérentes. Par conséquent, la validation est essentielle pour s'assurer que la simulation capture avec précision le traitement physique essentiel de l'unité. Le code a été vérifié en utilisant les données de Khanjari et al.40, qui ont examiné l'influence du nanofluide et de l'eau pure sur le panneau solaire et ils ont utilisé un tube de cuivre. En comparant les températures des absorbeurs, les sorties ont montré un bon accord (voir Fig. 6a). Pour valider davantage la simulation, l'étude empirique de Nahar et al.41 a été utilisée. Dans leur étude, les auteurs ont étudié les performances extérieures d'un panneau photovoltaïque en silicium polycristallin. La validation était basée sur Tout, qui a démontré un pourcentage d'erreur inférieur à 6,6 % (voir Fig. 6b). La troisième étape de validation consistait à comparer la valeur hx à l'expérience réalisée par Kim et al.42, qui utilisaient un tube d'une longueur de 2 m et d'un diamètre de 4,57 mm. La comparaison a révélé un pourcentage d'erreur inférieur à 3 % pour l'ensemble de données (voir Fig. 6c). Ces trois étapes de validation confirment que l'approche choisie est raisonnablement précise pour modéliser les travaux en cours.

Comparaison des résultats obtenus avec ceux des travaux de (a) Khanjari et al.40 pour Ag-water, (b) Nahar et al.41, et (c) Kim et al.42.

L'efficacité d'une unité PV attachée à un tube avec un nanofluide peut être influencée par la conception du tube. La géométrie de la section transversale peut avoir un impact sur le débit et la distribution, ce qui affecte l'efficacité du système. Si le diamètre hydraulique est fixe, la modification de la forme de la section transversale peut modifier le régime d'écoulement et améliorer les performances thermiques. L'utilisation d'un nanofluide hybride peut encore améliorer les performances de transfert de chaleur du système en augmentant le knf. Ainsi, l'optimisation de la forme de la section transversale du tube attaché à un système PV avec nanofluide peut entraîner des améliorations significatives des performances, améliorant l'efficacité et la fiabilité du système. Les dimensions de trois géométries examinées pour le conduit de refroidissement de section transversale ont été mentionnées dans la Fig. 2. Pour atteindre le nombre de Reynolds égal, les diamètres hydrauliques (DH) de toutes les géométries sont de 0,0077 m. La plage de Re pour une vitesse d'entrée de 0,065 à 0,17 m/s est de 498,1 à 1302,74, ce qui signifie que l'hypothèse d'écoulement laminaire est une approximation raisonnable. La section transversale circulaire entraîne une distribution uniforme du flux, tandis que deux autres sections transversales produisent un flux non uniforme, ce qui peut améliorer les taux de transfert de chaleur. La section transversale à Z = 0,992 m a été présentée pour diverses géométries afin de montrer la vitesse et la température du nanofluide hybride (voir les figures 7 et 8). La vitesse de SRT 2 est supérieure à celle des autres géométries tandis que la température maximale de STR3 est la plus basse. La distribution de la température sur la couche de silicium a un rôle important sur la durée de vie du panneau et les contours associés pour différentes géométries ont été illustrés à la Fig. 9. Selon les valeurs de température maximale de la cellule, la valeur minimale peut être obtenue si STR3 a été choisi. Pour la troisième structure, l'uniformité des contours est améliorée d'environ 8,9 % et 3,92 % par rapport à STR1 et STR2, respectivement.

Le contour de vitesse à Z = 0,992 m.

Le contour de température à Z = 0,992 m.

Le contour de la température PV dans trois structures.

La sélection de la meilleure géométrie du conduit peut conduire à une plus grande efficacité. En effet, la géométrie du conduit affecte l'écoulement du fluide, qui à son tour affecte l'efficacité. En sélectionnant la meilleure géométrie, le fluide peut s'écouler plus facilement, ce qui réduit la température de la cellule. Il en résulte une amélioration des performances électriques et thermiques, permettant une plus grande production d'énergie du système PVT. Parmi les géométries examinées, la meilleure performance appartient à la troisième structure (voir Fig. 10). Lorsque Vin = 0,065 m/s, avec le passage de STR1 à STR3, ηel et ηth augmentent d'environ 1,39 % et 4,83 %, respectivement. De plus, pour le même Re, en changeant la structure de 2 à 3, ηel et ηth augmentent d'environ 0,86 % et 5,03 %, respectivement. La somme de ces deux fonctions qui peut être nommée efficacité globale, améliore d'environ 6,83 % et 4,08 % en remplaçant STR3 au lieu de STR1 et STR2, respectivement. L'augmentation de l'efficacité globale lors du passage de STR1 à STR3 diminue d'environ 31,36 % si la vitesse d'entrée augmente jusqu'à 0,17 m/s.

(a) ηel et (b) ηth dans les structures souhaitées pour le HTT.

L'impact de la vitesse d'entrée du nanofluide sur les performances du système PVT peut être expliqué par des mécanismes physiques. Une augmentation de la vitesse entraîne un plus grand coefficient d'écoulement convectif, ce qui abaisse la température du panneau et augmente la chaleur utile. Cela conduit à une efficacité thermique et électrique plus élevée. Des vitesses plus élevées améliorent également le mélange et la distribution des nanofluides hybrides dans le conduit, ce qui améliore encore l'efficacité. Cependant, une vitesse excessive peut augmenter la chute de pression et la puissance de pompage, entraînant une réduction des performances et cet effet a été impliqué dans le calcul de ηel. Le comportement hydrothermique du nanofluide hybride a été illustré dans les Fig. 11 et 12. La vitesse maximale du nanofluide hybride à Z = 0,992 m augmente d'environ 2,66 fois la valeur alors que la température du nanofluide hybride diminue. Comme le montre la figure 13, la température de la couche de silicium diminue avec la croissance de Vin et l'uniformité augmente d'environ 21,1 %. Pour montrer l'influence de Vin sur les performances, la figure 14 a été démontrée. Avec un changement de Vin de 0,065 à 0,1 et 0,135 m/s, l'efficacité globale augmente d'environ 3,34 % et 5,14 %, respectivement. Lorsque la vitesse augmente de 0,065 jusqu'à la magnitude maximale (0,17 m/s), ηel et ηth augmentent d'environ 1,43 % et 7,65 %, respectivement. Les valeurs maximales de ηel et ηth sont 14,54 % et 55,06 % lorsque φ1 = φ2 = 0,024 et Vin = 0,17 m/s.

Le contour de la vitesse du fluide à Z = 0,992 m.

L'efficacité de Vin sur la température du fluide à Z = 0,992 m.

L'efficacité de Vin sur TPV.

(a) ηel et (b) ηth à différentes vitesses d'entrée de fluide.

La performance de l'unité est influencée par le rapport de fraction des deux composants des nanoparticules hybrides, Fe3O4 et MWCNT, dans l'eau. Le rapport de fraction peut modifier les caractéristiques du nanofluide hybride, ce qui affecte à son tour l'efficacité de l'unité PVT-TEG. Il est donc crucial d'explorer et de trouver le meilleur rapport de fraction de nanoparticules hybrides dans le nanofluide pour obtenir les meilleures performances de l'unité PVT. Comme illustré dans le tableau 1, trois conditions [N1 (φ1 = φ2 = 0,024), N2 (φ1 = 0,012, φ2 = 0,036), N3 (φ1 = 0,036, φ2 = 0,012)] ont été testées et la fraction totale pour tous les cas est 0,048 pour satisfaire la limitation de l'approche monophasée. Ces trois cas ont été comparés au cas de l'eau pure et les sorties ont été démontrées à la Fig. 15. Lorsque Vin = 0,17, avec un changement de rapport de fraction de N3 à N2, les quantités de ηel et ηth augmentent d'environ 70,57% et 73,87%, respectivement. Lorsque Vin = 0,065, l'ajout de nanoparticules hybrides avec des fractions de N1, N2 et N3 dans l'eau améliore l'efficacité globale d'environ 2,78 %, 3,39 % et 2,01 %, respectivement. Parmi les différents cas, N2 a les plus grandes valeurs de ηel et ηth pour la condition de Vin = 0,17, ces valeurs sont respectivement de 14,56 % et 55,42 %. Avec la croissance de Vin pour N2, la performance globale augmente d'environ 6,26 %. L'amélioration de l'efficacité globale avec l'ajout de nanoparticules hybrides (N2) en présence de Vin = 0,065 est d'environ 13,88 % supérieure à celle de Vin = 0,17 m/s.

(a) ηel et (b) ηth pour l'eau et diverses concentrations volumiques du nanofluide hybride Fe3O4-SWCNT/eau.

La quantité d'irradiation solaire ("I") peut augmenter et améliorer les performances globales d'un système PVT-TEG. En utilisant de plus grandes valeurs de "I", la puissance de sortie est améliorée mais l'importance de meilleures techniques de refroidissement devient plus sensible. Pour montrer l'influence de "I" sur les performances du système, trois niveaux de ce facteur ont été appliqués et les sorties associées ont été illustrées à la Fig. 16. Avec une augmentation de "I" de 700 à 900 W/m2, ηel réduit d'environ 0,18 % tandis que ηth augmente d'environ 7,79 %. La valeur de ηth passe de 51,07 % à 55,06 % lorsque le rayonnement solaire passe de 700 à 900 W/m2. Bien que les performances du TEG augmentent d'environ 40,17 % avec la croissance de "I", l'efficacité électrique globale diminue en raison des performances PV réduites en raison de l'augmentation de la température de la couche de silicium.

(a) ηel et (b) ηth à trois niveaux d'irradiance solaire.

Afin de comparer l'amélioration de ηel, les sorties pour différentes structures des sections efficaces ont été comparées avec le module non refroidi. La figure 17 illustre les résultats associés pour montrer l'influence prometteuse de l'utilisation de systèmes de refroidissement. La concentration de nanofluide hybride pour ces sorties est φ1 = φ2 = 0,024. L'amélioration de ηel, pour STR1, STR2 et STR3 est de 14,82 %, 15,22 % et 16,2 %, respectivement. Ce résultat indique que la troisième géométrie a le plus grand effet prometteur de ηel.

L'amélioration de ηel par rapport à un module PV non refroidi.

Les études précédentes ont rapporté le taux d'amélioration pour les deux fonctions de ηel et ηth par rapport à leur cas de base. Ces pourcentages d'amélioration peuvent être comparés au taux actuel d'amélioration. Ainsi, la Fig. 18 a été préparée pour montrer la comparaison de l'amélioration des performances avec des travaux antérieurs (Yu et al.43, Fayaz et al.44, Nasrin et al.18). Les incréments de ηel pour les travaux de 43, 44 et 18 sont de 0,97 %, 0,6 % et 0,14 %. Pour les travaux actuels, ηel augmente d'environ 1,2 % par rapport au cas de base (STR1). De plus, l'augmentation de ηth pour les travaux de 43, 44 et 18 est respectivement de 3,02 %, 5,13 % et 3,67 %. L'incrément de ηth pour le travail actuel est d'environ 6,31 %, ce qui est supérieur aux autres études mentionnées précédemment.

L'amélioration de ηel et ηth par rapport aux publications récentes.

Pour augmenter les performances des unités PVT, des tubes de refroidissement avec différentes configurations ont été examinés dans l'article actuel. Pour améliorer la vitesse de refroidissement, le fluide de base a été mélangé avec des nanoparticules hybrides et l'influence de divers rapports de fraction a été comparée. Pour utiliser la chaleur résiduelle, la couche TEG a été combinée avec d'autres couches de PV, ce qui a entraîné une augmentation des performances électriques. L'impact négatif de la puissance de pompage a été impliqué dans la mesure de la performance électrique globale. Trois géométries différentes (STR1 (circulaire), STR2 (losange), STR3 (elliptique)) ont été testées pour trouver la meilleure conception. Toutes les géométries ont le même nombre de Reynolds d'entrée et le flux laminaire a été considéré à travers le tube. Avec l'amélioration de la vitesse de refroidissement et de l'uniformité de la température avec le chargement des nanoparticules et la sélection de la meilleure conception, la contrainte thermique sur le panneau diminue, ce qui augmente la durée de vie. Les impacts de la vitesse d'entrée (Vin = 0,065 à 0,17) et des différentes fractions de Fe3O4 et MWCNT ont été examinés. Les caractéristiques optiques ont été impliquées dans la modélisation en incorporant les termes de génération de chaleur pour les couches. En raison de la valeur négligeable de la source de chaleur dans les couches au-dessous du second EVA, le mode de conduction pure sans source de chaleur a été pris en compte pour eux. Les propriétés du nouveau fluide de travail ont été estimées selon une approche monophasique. Pour augmenter la stabilité dans les simulations numériques, une grille structurée a été appliquée pour toutes les géométries et la technique d'indépendance de la grille a été présentée. Le meilleur nombre de cellules pour STR1 est de 3,3 millions. En fonction des simplifications et des hypothèses de simulation, il est indispensable de présenter l'étape de validation. Trois étapes ont été présentées dans la section des résultats en tant que procédure de validation. Non seulement les publications numériques précédentes, mais aussi les données expérimentales ont été évaluées et une bonne précision a été obtenue. Le rôle de la géométrie du conduit de refroidissement a été examiné et les sorties associées sous forme de contours et de diagrammes à barres ont été présentées. En raison de la modification du style d'écoulement pour diverses géométries, la vitesse de refroidissement a été modifiée et les performances du système peuvent être améliorées en sélectionnant la meilleure conception. L'uniformité de la température de la couche de silicium s'améliore d'environ 8,9 % et 3,92 % en remplaçant STR3 au lieu de STR1 et STR2. Étant donné Vin = 0,065, avec une structure changeante du premier au troisième, ηel et ηth augmentent d'environ 1,39 % et 4,83 %, respectivement. L'efficacité globale augmente d'environ 6,83 % et 4,08 % en remplaçant STR3 au lieu de STR1 et STR2, respectivement. La vitesse du fluide peut améliorer les performances du système car la température de la couche de silicium peut diminuer avec la croissance de Vin. L'uniformité de la température de la couche de silicium peut s'améliorer d'environ 21,1 %. Lorsque Vin croît de 0,065 à 0,17 m/s, ηel et ηth augmentent d'environ 1,43 % et 7,65 %, respectivement. Les plus grandes quantités de ηel et ηth sont de 14,54 % et 55,06 % lorsque φ1 = φ2 = 0,024 et Vin = 0,17 m/s. Pour montrer l'influence du rapport de fraction des composants des nanoparticules hybrides, trois cas ont été comparés au cas de l'eau et les sorties ont montré que le cas N2 (φ1 = 0,012, φ2 = 0,036) a les meilleures performances. Lorsque Vin = 0,17, les valeurs de ηel et ηth pour N2 atteignaient respectivement 14,56 % et 55,42 %. Étant donné Vin = 0,065, la dispersion de nanoparticules hybrides avec des fractions de N1, N2 et N3 dans l'eau entraîne une augmentation de l'efficacité globale d'environ 2,78 %, 3,39 % et 2,01 %, respectivement. Les incréments de ηel et ηth par rapport au cas de base (STR1) sont respectivement d'environ 1,2 % et 6,31 %. Ces pourcentages sont supérieurs aux précédents articles scrutés. La comparaison de la valeur de ηel avec un système non refroidi a montré que les performances augmentent d'environ 14,82 %, 15,22 % et 16,2 %, pour STR1, STR2 et STR3, respectivement. Lorsque l'irradiance solaire augmente, la valeur de ηel diminue d'environ 0,18 % tandis que ηth augmente d'environ 7,79 %.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

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Cette recherche est financée par l'Université de technologie Babol Noshirvani, subvention de recherche n° P/M/1119.

Département de génie mécanique, Université de technologie Babol Noshirvani, Babol, République islamique d'Iran

Z. Khalili & M. Sheikholeslami

Systèmes d'énergie renouvelable et applications des nanofluides dans le laboratoire de transfert de chaleur, Université de technologie Babol Noshirvani, Babol, République islamique d'Iran

Z. Khalili & M. Sheikholeslami

Département de génie mécanique et aérospatial, Université de Pittsburgh, Pittsburgh, États-Unis

Dont Momayez

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ZK et MS ont simulé le problème et ont écrit le texte principal du manuscrit et LM a révisé le manuscrit et vérifié l'exactitude des résultats.

Correspondance à M. Sheikholeslami.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Khalili, Z., Sheikholeslami, M. & Momayez, L. Écoulement de nanofluide hybride dans le tube de refroidissement d'une unité solaire photovoltaïque-thermoélectrique. Sci Rep 13, 8202 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35428-6

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Reçu : 27 janvier 2023

Accepté : 17 mai 2023

Publié: 21 mai 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-35428-6

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