DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33864-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41605982
تاريخ النشر: 2026-01-28
المؤلف: Jitendra Satpute وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية والفوتوفولطية
نظرة عامة
تقيّم هذه الدراسة تحسين الأداء لأنظمة الطاقة الشمسية الحرارية (PVT) من خلال مقارنة سائل التبريد المائي التقليدي بسائل النانو Al$_2$O$_3$-المائي. أجريت في بوني، ماهاراشترا، الهند، شملت الأبحاث تجارب خارجية تختلف فيها تركيز جزيئات النانو Al$_2$O$_3$ في ماص حراري نحاسي حلزوني مدمج مع وحدة طاقة شمسية متعددة البلورات. تشير النتائج إلى أن استخدام سائل النانو Al$_2$O$_3$ يحسن بشكل كبير من الموصلية الحرارية، مما يؤدي إلى تقليل درجات حرارة التشغيل وزيادة الإنتاج الكهربائي. على وجه التحديد، حقق نظام PVT مع سائل النانو Al$_2$O$_3$ بنسبة 5% كفاءة حرارية تبلغ 57.51%، وكفاءة كهربائية تبلغ 9.8%، وكفاءة إجمالية تبلغ 67.31%، إلى جانب إمكانية توفير طاقة ملحوظة تصل إلى 30.66%.
تسلط الدراسة أيضًا الضوء على الآثار الهيدروليكية لاستخدام سوائل النانو، مشيرة إلى انخفاض في رقم رينولدز من 1717.6 (تبريد مائي) إلى 1517 عند أعلى تركيز لجزيئات النانو، مصحوبًا بزيادة في عامل الاحتكاك وانخفاض الضغط. بينما يقدم الأداء المحسن لسائل النانو Al$_2$O$_3$ تقدمًا واعدًا على التبريد المائي التقليدي، فإنه يقدم أيضًا تحديات مثل زيادة اللزوجة وتكاليف التشغيل. تحدد الأبحاث معيارًا جديدًا لأداء نظام PVT، وتحدد تركيزات سوائل النانو المثلى، وتقدم إرشادات هندسية عملية، مقترحة أن تركز الأعمال المستقبلية على تحسين تصاميم الماصات الحرارية والتحقيق في سوائل النانو الهجينة لتحقيق توازن بين الأداء والعيوب التشغيلية القابلة للإدارة.
الطرق
تصف المنهجية التجريبية الموضحة في هذا القسم الإعداد لتقييم الأداء الكهربائي والحراري لنظام الطاقة الشمسية الحرارية (PVT). يتكون النظام من لوحة طاقة شمسية متعددة البلورات مصنفة عند 100 واط، مدمجة مع جامع حراري دائري حلزوني مصمم لاستعادة الحرارة. اللوحة، التي يبلغ قياسها 1.010 م × 0.665 م مع كفاءة اسمية تبلغ 14.9%، موضوعة بزاوية ميل ثابتة تبلغ 3° لتحسين التعرض للشمس. يتم إجراء القياسات الكهربائية باستخدام مقياس متعدد رقمي بدقة ± 0.5%، بينما يتم تقييم الأداء الحراري من خلال ماص حراري حلزوني بقطر 0.027 م وطول 5.63 م، مثبت على الجزء الخلفي من وحدة الطاقة الشمسية.
تشمل جمع البيانات عدة أدوات معايرة: يتم قياس الإشعاع الشمسي باستخدام مقياس حرارة حراري (بدقة ± 2%)، ويتم تسجيل درجات حرارة الهواء وسطح وحدة الطاقة الشمسية باستخدام ثنائيات حرارية من النوع K (± 0.5 °C عدم اليقين)، ويتم مراقبة درجات حرارة مدخل ومخرج الماء باستخدام موازين حرارة رقمية (± 0.3 °C عدم اليقين). يتم إدارة تدفق السائل المبرد بواسطة مضخة طرد مركزي بقوة 0.25 حصان، مما يضمن دورانًا محكومًا. يتم تسجيل جميع المعلمات، بما في ذلك الجهد والتيار، بشكل مستمر لتسهيل تحليل الأداء الشامل لنظام PVT.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم إعداد وتوصيف جزيئات أكسيد الألمنيوم (Al₂O₃) للاستخدام في سوائل النانو، مما يظهر نقائها العالي (99.8%) واستقرارها الحراري، وهو أمر ضروري لتطبيقات التبريد الفعالة في أنظمة الطاقة الشمسية (PV). تم تأكيد استقرار سائل النانو Al₂O₃-المائي من خلال اختبارات الترسيب، حيث لم تظهر أي تجميع كبير خلال فترة 72 ساعة. تم حساب وتقديم الخصائص الحرارية الفيزيائية، بما في ذلك الكثافة، والسعة الحرارية، والموصلية الحرارية، مما يكشف أن دمج جزيئات النانو Al₂O₃ يعزز بشكل كبير من الأداء الحراري لنظام التبريد. أشارت النتائج التجريبية إلى أن التركيز الأمثل لـ Al₂O₃ (5%) أدى إلى كفاءة حرارية قصوى تبلغ 57.51% وكفاءة توفير طاقة تبلغ 30.66%، متفوقًا على التبريد المائي التقليدي.
كما سلطت الدراسة الضوء على تأثير تركيزات Al₂O₃ المتغيرة على أداء لوحة الطاقة الشمسية، مع ملاحظات بانخفاض كبير في درجات حرارة التشغيل مع زيادة تركيز جزيئات النانو. على سبيل المثال، انخفض متوسط درجة حرارة سطح وحدة الطاقة الشمسية من 55.03 °C (غير مبردة) إلى 43.77 °C (5% سائل نانو Al₂O₃). ومع ذلك، أدى زيادة اللزوجة ومعامل الاحتكاك عند تركيزات أعلى من جزيئات النانو إلى انخفاض في رقم رينولدز وزيادة في انخفاض الضغط، مما قد يؤثر على تكاليف التشغيل للنظام. تؤكد النتائج على إمكانيات سوائل النانو Al₂O₃ في تعزيز كفاءة أنظمة الطاقة الشمسية الهجينة، بينما تشير أيضًا إلى الحاجة لمزيد من البحث لتحسين ديناميات السوائل والتخفيف من العيوب المرتبطة بزيادة اللزوجة والاحتكاك.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-33864-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41605982
Publication Date: 2026-01-28
Author(s): Jitendra Satpute et al.
Primary Topic: Solar Thermal and Photovoltaic Systems
Overview
This study evaluates the performance enhancement of photovoltaic-thermal (PVT) systems by comparing conventional water coolant with Al$_2$O$_3$-water nanofluid coolant. Conducted in Pune, Maharashtra, India, the research involved outdoor experiments that varied the concentration of Al$_2$O$_3$ nanoparticles in a spiral copper thermal absorber integrated with a polycrystalline PV module. The findings indicate that the use of Al$_2$O$_3$ nanofluid significantly improves the thermal conductivity, leading to reduced operating temperatures and enhanced electrical output. Specifically, the PVT system with 5% Al$_2$O$_3$ nanofluid achieved thermal efficiency of 57.51%, electrical efficiency of 9.8%, and overall efficiency of 67.31%, alongside a notable energy-saving potential of 30.66%.
The study also highlights the hydraulic implications of using nanofluids, noting a decrease in the Reynolds number from 1717.6 (water cooling) to 1517 at the highest nanoparticle concentration, coupled with an increase in the friction factor and pressure drop. While the enhanced performance of Al$_2$O$_3$ nanofluid presents a promising advancement over traditional water cooling, it also introduces challenges such as increased viscosity and operational costs. The research sets a new benchmark for PVT system performance, identifies optimal nanofluid concentrations, and provides practical engineering guidelines, suggesting that future work should focus on optimizing thermal absorber designs and investigating hybrid nanofluids to balance performance with manageable operational drawbacks.
Methods
The experimental methodology outlined in this section describes the setup for evaluating the electrical and thermal performance of a photovoltaic-thermal (PVT) system. The system comprises a polycrystalline photovoltaic panel rated at 100 Wp, integrated with a spiral circular thermal collector designed for heat recovery. The panel, measuring 1.010 m × 0.665 m with a nominal efficiency of 14.9%, is positioned at a fixed tilt angle of 3° to optimize solar exposure. Electrical measurements are conducted using a digital multimeter with an accuracy of ± 0.5%, while thermal performance is assessed through a spiral thermal absorber with a diameter of 0.027 m and a length of 5.63 m, affixed to the rear of the PV module.
Data collection involves multiple calibrated instruments: solar irradiance is measured with a thermopile pyranometer (± 2% accuracy), ambient and PV surface temperatures are recorded using Type-K thermocouples (± 0.5 °C uncertainty), and water inlet and outlet temperatures are monitored with digital thermometers (± 0.3 °C uncertainty). The coolant flow is managed by a 0.25 hp centrifugal pump, ensuring controlled circulation. All parameters, including voltage and current, are continuously logged to facilitate comprehensive performance analysis of the PVT system.
Discussion
In this study, the preparation and characterization of aluminum oxide (Al₂O₃) nanoparticles for use in nanofluids were conducted, demonstrating their high purity (99.8%) and thermal stability, which are essential for effective cooling applications in photovoltaic (PV) systems. The stability of the Al₂O₃-water nanofluid was confirmed through sedimentation tests, showing no significant aggregation over a 72-hour period. The thermophysical properties, including density, specific heat, and thermal conductivity, were calculated and presented, revealing that the incorporation of Al₂O₃ nanoparticles significantly enhances the thermal performance of the cooling system. The experimental results indicated that the optimal concentration of Al₂O₃ (5%) led to a maximum thermal efficiency of 57.51% and an energy-saving efficiency of 30.66%, outperforming traditional water cooling.
The study also highlighted the impact of varying Al₂O₃ concentrations on PV panel performance, with significant reductions in operating temperatures observed as nanoparticle concentration increased. For instance, the average surface temperature of the PV module decreased from 55.03 °C (non-cooled) to 43.77 °C (5% Al₂O₃ nanofluid). However, the increase in viscosity and friction coefficient at higher nanoparticle concentrations resulted in a decline in Reynolds number and an increase in pressure drop, which could affect the operational costs of the system. The findings underscore the potential of Al₂O₃ nanofluids in enhancing the efficiency of hybrid PV systems while also indicating the need for further research to optimize fluid dynamics and mitigate the drawbacks associated with increased viscosity and friction.