DOI: https://doi.org/10.1007/s10098-025-03149-1
تاريخ النشر: 2025-03-02
المؤلف: Mohammed El Hadi Attia وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية والفوتوفولطية
نظرة عامة
تدرس الدراسة تحسين أداء وحدات الطاقة الشمسية الحرارية (PVT) من خلال استخدام مبادلات حرارية مزدوجة مزودة بشفرات وموائع ثنائية، وتحديداً الهواء وموائع نانوية قائمة على CuO والماء بتراكيز مختلفة. تم إجراء تحليل عددي ثلاثي الأبعاد لمقارنة ثلاثة تكوينات: وحدات PVT مع مبادلات حرارية مزدوجة مزودة بشفرات (24 و48 شفرة) وحالة مرجعية مع مبادلات حرارية مزدوجة بدون شفرات. تشير النتائج إلى أن الكفاءة الحرارية للحالة المرجعية وصلت إلى 63.28%، بينما حققت التكوينات المزودة بشفرات كفاءات بلغت 72.65% و78.19% لـ 24 و48 شفرة، على التوالي، عند تركيز 1% من سائل CuO-water النانوي. ومن الجدير بالذكر أن التكوين المزود بـ 48 شفرة أظهر تحسيناً بنسبة 23.57% في الكفاءة الحرارية مقارنة بالحالة المرجعية.
تكشف النتائج الرئيسية أن زيادة عدد الشفرات وتركيز سائل CuO-water النانوي يعزز بشكل كبير الكفاءة الحرارية. على وجه التحديد، أدت إضافة 1% من سائل CuO-water النانوي إلى رفع درجة حرارة الماء بمقدار 12.44 كلفن، 14.77 كلفن، و16.4 كلفن للتكوينات الثلاثة، على التوالي، ودرجة حرارة الهواء بمقدار 14.12 كلفن، 14.27 كلفن، و15.29 كلفن. وتخلص الدراسة إلى أن التكوين الأمثل لتعظيم الكفاءة الحرارية هو وحدة PVT المزودة بـ 48 شفرة، مما يشير إلى الحاجة إلى مزيد من البحث لتحسين تركيبات الجسيمات النانوية، ومستويات التركيز، وتصميمات الشفرات لتعزيز أداء نظام PVT.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التقدم الكبير في أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية (PVT)، مع التركيز بشكل خاص على دمج طرق ومواد تبريد متنوعة لتعزيز كفاءتها. أظهرت العديد من الدراسات أن أنظمة التبريد القائمة على الماء تتفوق على البدائل القائمة على الهواء، مع تحقيق تحسينات إضافية من خلال دمج مواد تغيير الطور (PCMs) والجسيمات النانوية. على سبيل المثال، أظهر غاور وآخرون (2017) أن تحسين كتلة PCM في جامع PVT يمكن أن يخفض درجات الحرارة خلال النهار ويحسن الكفاءة الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، استخدم صن وآخرون (2022) إطاراً عدديًا حراريًا كهربائيًا ثلاثي الأبعاد للكشف عن أن المولدات الشمسية الحرارية الكهربائية تظهر استجابات ديناميكية للإشعاع الشمسي، محققة إنتاج طاقة كان أقل بنسبة 6.91% من التوقعات النظرية.
تناقش الورقة أيضًا مجموعة من التحقيقات التجريبية والعددية التي استكشفت آثار تكوينات ومواد التبريد المختلفة على أداء PVT. على سبيل المثال، أشارت دراسات ماداس وآخرون (2023) وفو وآخرون (2021) إلى أن استخدام الموائع النانوية وخلائط MPCM يمكن أن يعزز بشكل كبير كل من الكفاءات الحرارية والكهربائية. تؤكد المقدمة على التحديات المستمرة في تحقيق الكفاءة المثلى في أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية، مما يعيق جدواها التجارية. وبالتالي، تهدف الدراسة الحالية إلى ابتكار نظام تبريد فعال من خلال دمج مبادلات حرارية مزدوجة مزودة بشفرات مع موائع ثنائية (الهواء وموائع CuO-water النانوية) في وحدات PVT، مع مقارنة التكوينات ذات الأعداد المختلفة من الشفرات تحت ظروف مناخية ثابتة.
النتائج
تدرس الدراسة أداء نظام الطاقة الشمسية الحرارية (PVT) باستخدام سائل CuO-water النانوي بتراكيز مختلفة (0، 0.2، 0.4، 0.6، 0.8، و1%) ومعدل تدفق ماء ثابت قدره 0.01 كجم/ثانية. يركز البحث على كيفية تأثير كثافة الشفرات على قدرات نقل الحرارة والفعالية العامة لأنظمة PVT ذات الموائع الثنائية. تم تحليل ثلاثة تكوينات: الأول يستخدم أنابيب بدون شفرات، معتمداً فقط على خصائص الأنبوب لنقل الحرارة؛ التكوين الثاني يتضمن 24 شفرة، مما يعزز تبادل الحرارة من خلال زيادة مساحة السطح؛ والتكوين الثالث يتميز بـ 48 شفرة، مما يحسن الأداء الحراري من خلال زيادة مساحة السطح لنقل الحرارة.
تشير النتائج إلى أن إضافة الشفرات تعزز بشكل كبير الكفاءة الحرارية لنظام PVT، حيث يظهر التكوين الذي يحتوي على 48 شفرة أعلى أداء بسبب زيادة مساحة سطح نقل الحرارة. تشير النتائج إلى أن تحسين كثافة الشفرات في أنظمة PVT يمكن أن يؤدي إلى تحسينات كبيرة في كفاءة نقل الحرارة، مما يعزز الفعالية العامة للنظام.
المناقشة
تقدم قسم المناقشة في الورقة البحثية تحليلًا مفصلاً لتكوينات الطاقة الشمسية الحرارية (PVT) الهجينة ذات الموائع الثنائية، مع التركيز على تأثير مبادلات حرارية مزدوجة مزودة بشفرات وسوائل CuO-water النانوية على الأداء الحراري. تم فحص ثلاثة تكوينات: واحدة بدون شفرات واثنتان مع 24 و48 شفرة، على التوالي. تستخدم الدراسة سائل CuO-water النانوي بتراكيز مختلفة (من 0% إلى 1%) لتعزيز كفاءة التبريد، مع معدل تدفق ماء ثابت قدره 0.01 كجم/ثانية. تشير النتائج إلى أن زيادة عدد الشفرات وتركيز السائل النانوي يحسن بشكل كبير الكفاءة الحرارية، حيث حقق التكوين 3 أعلى كفاءة حرارية إجمالية بلغت 78.19%.
تكشف مقاييس الأداء الحراري أن إضافة 1% من سائل CuO-water النانوي ترفع درجات حرارة مخرج الماء بمقدار 12.44 كلفن، 14.77 كلفن، و16.14 كلفن للتكوينات 1 و2 و3، على التوالي، بينما تزداد درجات حرارة مخرج الهواء أيضًا بشكل متناسب. تسلط الدراسة الضوء على أن الكفاءة الحرارية لأنظمة PVT مرتبطة إيجابياً بكل من عدد الشفرات وتركيز السائل النانوي، مما يؤدي إلى تعزيز قدرات نقل الحرارة. تم الإبلاغ عن أقصى كفاءات حرارية يومية للتكوينات 1 و2 و3 كـ 64.95%، 76.88%، و84.18%، على التوالي، مما يبرز فعالية التعديلات المقترحة في تحسين أداء نظام PVT. يُقترح إجراء أبحاث مستقبلية لمزيد من تحسين تركيبات الجسيمات النانوية وتصميمات الشفرات لتعظيم الكفاءة الحرارية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s10098-025-03149-1
Publication Date: 2025-03-02
Author(s): Mohammed El Hadi Attia et al.
Primary Topic: Solar Thermal and Photovoltaic Systems
Overview
The study investigates the performance enhancement of photovoltaic/thermal (PVT) modules by employing double exchangers with fins and bi-fluid coolants, specifically air and CuO-water-based nanofluids at varying concentrations. A 3-D numerical analysis was conducted comparing three configurations: PVT modules with finned double exchangers (24 and 48 fins) and a reference case with double exchangers without fins. The results indicate that the thermal efficiency of the reference case reached 63.28%, while the configurations with fins achieved efficiencies of 72.65% and 78.19% for 24 and 48 fins, respectively, at a 1% concentration of CuO-water nanofluid. Notably, the configuration with 48 fins demonstrated a 23.57% improvement in thermal efficiency compared to the reference case.
Key findings reveal that increasing both the number of fins and the concentration of CuO-water nanofluid significantly enhances thermal efficiency. Specifically, the addition of 1% CuO-water nanofluid raised the water temperature by 12.44 K, 14.77 K, and 16.4 K for the three configurations, respectively, and the air temperature by 14.12 K, 14.27 K, and 15.29 K. The study concludes that the optimal configuration for maximizing thermal efficiency is the PVT module with 48 fins, suggesting that further research is needed to refine nanoparticle compositions, concentration levels, and fin designs to enhance PVT system performance.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant advancements in photovoltaic/thermal (PVT) systems, particularly focusing on the integration of various cooling methods and materials to enhance their efficiency. Numerous studies have demonstrated that water-based cooling systems outperform air-based alternatives, with further improvements achieved through the incorporation of phase change materials (PCMs) and nanoparticles. For instance, Gaur et al. (2017) established that optimizing the mass of PCM in a PVT collector can lower daytime temperatures and improve electrical efficiency. Additionally, Sun et al. (2022) utilized a 3-D thermal-electric numerical framework to reveal that solar thermoelectric generators exhibit dynamic responses to solar irradiation, achieving a power output that was 6.91% lower than theoretical predictions.
The paper also discusses various experimental and numerical investigations that have explored the effects of different cooling configurations and materials on PVT performance. For example, studies by Madas et al. (2023) and Fu et al. (2021) indicated that the use of nanofluids and MPCM slurries can significantly enhance both thermal and electrical efficiencies. The introduction emphasizes the ongoing challenges in achieving optimal efficiency in thermal/photovoltaic systems, which hinders their commercial viability. Consequently, the current study aims to innovate an effective cooling system by integrating finned double exchangers with bi-fluid coolants (air and CuO-water nanofluids) in PVT modules, comparing configurations with varying numbers of fins under consistent climatic conditions.
Results
The study investigates the performance of a photovoltaic-thermal (PVT) system utilizing CuO-water nanofluid at varying concentrations (0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, and 1%) and a constant water flow rate of 0.01 kg/s. The focus is on how fin density impacts heat transfer capabilities and the overall effectiveness of the bi-fluid PVT manifold systems. Three configurations are analyzed: the first employs finless tubes, relying solely on the tube properties for heat transfer; the second configuration incorporates 24 fins, which enhance heat exchange by increasing the surface area; and the third configuration features 48 fins, further improving thermal performance through greater surface area for heat transfer.
Results indicate that the addition of fins significantly enhances the thermal efficiency of the PVT system, with the configuration featuring 48 fins demonstrating the highest performance due to its increased heat transfer surface area. The findings suggest that optimizing fin density in PVT systems can lead to substantial improvements in heat transfer efficiency, thereby enhancing the overall effectiveness of the system.
Discussion
The discussion section of the research paper presents a detailed analysis of hybrid bi-fluid photovoltaic/thermal (PVT) configurations, focusing on the impact of finned double exchangers and CuO-water nanofluid on thermal performance. Three configurations are examined: one without fins and two with 24 and 48 fins, respectively. The study utilizes a CuO-water nanofluid at varying concentrations (0% to 1%) to enhance cooling efficiency, with a consistent water flow rate of 0.01 kg/s. The findings indicate that increasing the number of fins and the concentration of the nanofluid significantly improves thermal efficiency, with configuration 3 achieving the highest overall thermal efficiency of 78.19%.
The thermal performance metrics reveal that the addition of 1% CuO-water nanofluid raises the water outlet temperatures by 12.44 K, 14.77 K, and 16.14 K for configurations 1, 2, and 3, respectively, while air outlet temperatures also increase correspondingly. The study highlights that the thermal efficiency of the PVT systems is positively correlated with both the fin count and the nanofluid concentration, leading to enhanced heat transfer capabilities. The maximum daily thermal efficiencies for configurations 1, 2, and 3 are reported as 64.95%, 76.88%, and 84.18%, respectively, underscoring the effectiveness of the proposed modifications in optimizing PVT system performance. Future research is suggested to further refine the nanoparticle compositions and fin designs to maximize thermal efficiency.