DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.114288
تاريخ النشر: 2024-01-16
المؤلف: Li Teng Siow وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية والفوتوفولطية
نظرة عامة
تستعرض هذه القسم تطبيق الجرافين ومشتقاته في تحسين تبديد الحرارة في الألواح الشمسية الكهروضوئية (PV)، مع معالجة الآثار الضارة للحرارة العالية على أدائها. يتم الاستفادة من الموصلية الحرارية الاستثنائية للجرافين (3000-5000 واط/(م⋅ك)) من خلال طرق تبريد متنوعة، بما في ذلك الفلاتر المحايدة ذات الطلاء الجرافيني، ومواد الواجهة الحرارية المعززة بالجرافين (TIM)، ومواد تغيير الطور (PCM)، والسوائل النانوية المحتوية على جرافين نانو بلايتس (GnP). تشير النتائج الملحوظة إلى أن فلتر ND المطلي بالجرافين يمكن أن يقلل من درجة حرارة البقعة البؤرية بنسبة 20% ويحسن الكفاءة بنسبة 12%. وبالمثل، تظهر TIM المعززة بالجرافين وPCM المعززة بـGnP تخفيضات كبيرة في درجات الحرارة وزيادات في الكفاءة، حيث تحقق السوائل النانوية GnP انخفاضًا في درجة الحرارة بحوالي 17 درجة مئوية وزيادة في الطاقة الناتجة بحوالي 3 واط.
تؤكد الاستنتاجات على إمكانات الجرافين كمواد متفوقة لإدارة الحرارة في أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، مع تسليط الضوء على تقنيات التبريد قبل وبعد الإضاءة. بينما يمكن أن تخفف طرق ما قبل الإضاءة من توليد الحرارة، فإنها تواجه تحديات عملية مثل التكاليف العالية والإجهاد الحراري على الركائز. على العكس من ذلك، تظهر تقنيات ما بعد الإضاءة، وخاصة تلك التي تستخدم السوائل النانوية الجرافينية، تحسينات واعدة في الكفاءة الحرارية. تشير المراجعة إلى أن دمج طرق التبريد المتنوعة يمكن أن يحسن إدارة الحرارة، على الرغم من أن المزيد من الأبحاث التجريبية ضرورية لتحسين هذه الأساليب. بشكل عام، تدعو النتائج إلى استمرار استكشاف قدرات الجرافين في أنظمة تبريد الطاقة الشمسية الكهروضوئية لتعزيز الكفاءة ودعم حلول الطاقة المستدامة.
مقدمة
تسلط مقدمة الورقة الضوء على الدور المهم لقطاع الطاقة غير المتجددة في المساهمة في انبعاثات غازات الدفيئة العالمية (GHG)، والتي تعد من المحركات الرئيسية لتغير المناخ. استجابةً لذلك، كان هناك تحول ملحوظ نحو مصادر الطاقة الأكثر نظافة، وخاصة الطاقة الشمسية، التي تُفضل بسبب عدم انبعاث غازات الدفيئة منها. تشير الورقة إلى زيادة كبيرة في المنشورات البحثية حول الطاقة الشمسية على مدى العقدين الماضيين، مما يعكس الاهتمام المتزايد في تحسين كفاءة أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV). تتراوح كفاءة هذه الأنظمة عادةً من 15% إلى 20%، متأثرة بعوامل مثل تراكم الغبار، والتظليل، وتغيرات درجة الحرارة. ومن الجدير بالذكر أن الإشعاع الشمسي المفرط يمكن أن يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة، مما يقلل بشكل كبير من الكفاءة، خاصة في المناخات الحارة.
لمعالجة هذه التحديات في إدارة الحرارة، تم تطوير أنظمة تبريد متنوعة، بما في ذلك الأنظمة المبردة بالهواء والمبردة بالماء، من بين أمور أخرى. ومع ذلك، فإن العديد من هذه الأنظمة تستخدم مواد ذات موصلية حرارية منخفضة، مما يحد من فعاليتها. استكشفت الدراسات الحديثة دمج الجرافين، وهو مادة نانوية ثنائية الأبعاد ذات موصلية حرارية استثنائية (3000-5000 واط/(م⋅ك))، في أنظمة التبريد لتعزيز تبديد الحرارة. أظهرت إدخال الجرافين نتائج واعدة، مثل تقليل المقاومة الحرارية بنسبة 48.4% في أنابيب الحرارة وزيادة بنسبة 35.6% في معاملات نقل الحرارة الحملية في المبادلات الحرارية. تهدف هذه المراجعة إلى تقديم تحليل شامل لتطبيقات الجرافين في أنظمة تبريد الطاقة الشمسية الكهروضوئية، موضحةً منهجيات متنوعة ومسلطةً الضوء على الفوائد المحتملة للجرافين في تحسين كفاءة هذه الأنظمة.
الطرق
تناقش قسم الورقة البحثية المنهجيات المستخدمة في التحقيق في استخدام مواد تغيير الطور المعززة بالجرافين (PCMs) لتنظيم الحرارة في الألواح الشمسية الكهروضوئية (PV). تُعرف PCMs بقدرتها على امتصاص كميات كبيرة من الطاقة الحرارية أثناء التحولات الطورية، مما يحافظ على درجة حرارة ثابتة، وهو ما يعد ميزة لتطبيقات التبريد في أنظمة الطاقة الشمسية. يتم توجيه اختيار PCM الفعالة من خلال خصائص متنوعة، بما في ذلك الموصلية الحرارية، والحرارة الكامنة، والاستقرار. أظهر إدخال PCMs المعززة بالنانو (n-PCMs) من خلال دمج مواد نانوية ذات موصلية عالية، مثل الجرافين، نتائج واعدة في تحسين الموصلية الحرارية. على سبيل المثال، أظهرت الدراسات أن إضافة جرافين نانو بلايتس (GnP) إلى شمع البارافين أدت إلى زيادة ملحوظة في الموصلية الحرارية وانخفاض متناسب في درجة حرارة الألواح الشمسية الكهروضوئية، مما يعزز الكفاءة الكهربائية.
سلطت عدة دراسات تجريبية الضوء على الأداء المتفوق لـPCMs المعززة بـGnP مقارنةً بجزيئات نانوية أخرى، مثل أنابيب الكربون متعددة الجدران (MWCNT) وأكسيد المغنيسيوم (MgO). على سبيل المثال، أدى تحميل GnP بنسبة 5% إلى تقليل درجة الحرارة بنسبة 3.9% في الألواح الشمسية الكهروضوئية، مما أدى إلى زيادة بنسبة 2.65% في كفاءة الناتج. بالإضافة إلى ذلك، أظهر دمج مبردات الحرارة مع PCMs المعززة بالجرافين تحسينًا إضافيًا في إدارة الحرارة، حيث تؤثر التكوينات على كفاءة تبديد الحرارة. تؤكد النتائج على أهمية موازنة تركيز الجزيئات النانوية لتعظيم الأداء الحراري مع إدارة اللزوجة، التي يمكن أن تعيق نقل الحرارة عند التحميلات العالية. بشكل عام، تشير الأبحاث إلى أن PCMs المعززة بالجرافين تمثل حلاً قابلاً لتحسين تنظيم الحرارة في أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، على الرغم من أن التحديات العملية لا تزال قائمة بشأن التطبيق التجاري لمثل هذه المواد.
المناقشة
في قسم المناقشة من الورقة البحثية، يستكشف المؤلفون تقنيات التبريد المختلفة لأنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية (PV)، مع التركيز على دور الجرافين في تعزيز إدارة الحرارة. حددت مراجعة الأدبيات، التي أجريت باستخدام إرشادات PRISMA، 311 وثيقة ذات صلة تركز على كلمات رئيسية مثل “الجرافين”، “التبريد”، و”الطاقة الشمسية PV”. تشير النتائج إلى أن تقنيات التبريد قبل الإضاءة، التي تقوم بتصفية الأطوال الموجية غير المساهمة من ضوء الشمس، يمكن أن تحسن بشكل كبير من كفاءة خلايا الطاقة الشمسية الكهروضوئية. تُبرز تقنيات مثل مقسمات الشعاع الطيفي والفلاتر المتلألئة لقدرتها على تعزيز تحويل الطاقة من خلال السماح فقط للأطوال الموجية المفيدة بالوصول إلى خلايا الطاقة الشمسية.
كما يتم مناقشة طرق التبريد بعد الإضاءة، بما في ذلك التبريد النشط والسلبي. يستخدم التبريد النشط أنظمة ميكانيكية لتبديد الحرارة، بينما يستخدم التبريد السلبي مواد مثل مواد الواجهة الحرارية (TIM) المعززة بالجرافين. تجعل الموصلية الحرارية المتفوقة للجرافين (3000-5000 واط/(م⋅ك)) منه مادة تعبئة واعدة لـTIM، مما يقلل بشكل كبير من ارتفاع درجة الحرارة ويحسن الناتج الكهربائي في خلايا الطاقة الشمسية ثلاثية الوصلات. تختتم الورقة بالقول إنه بينما تظهر الفلاتر المحايدة المطلية بالجرافين وTIM المعززة بالجرافين إمكانات كبيرة لتحسين كفاءة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، فإن المزيد من الأبحاث ضرورية لتحسين تطبيقها وتقييم أدائها على المدى الطويل وفعاليتها من حيث التكلفة.
القيود
تناقش قسم القيود القيود المختلفة المرتبطة باستخدام الجرافين لتبريد الألواح الشمسية الكهروضوئية (PV). بينما تسلط المراجعة الضوء على مزايا الجرافين، مثل موصلية الحرارية العالية وإمكاناته في تعزيز كفاءة التبريد، فإنها تعترف أيضًا ببعض القيود التي قد تعيق تطبيقه العملي. يتم تلخيص هذه القيود بشكل منهجي في الجدول 5، الذي يقدم تحليلًا مقارنًا لطرق التبريد المستكشفة في الورقة.
تعتبر أهمية هذه القيود حاسمة لفهم جدوى تنفيذ حلول التبريد المعتمدة على الجرافين في السيناريوهات الواقعية. تؤكد النتائج على الحاجة إلى مزيد من الأبحاث لمعالجة هذه التحديات وتحسين دمج الجرافين في أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية، مما يعزز أدائها العام وطول عمرها.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.114288
Publication Date: 2024-01-16
Author(s): Li Teng Siow et al.
Primary Topic: Solar Thermal and Photovoltaic Systems
Overview
This section reviews the application of graphene and its derivatives in enhancing heat dissipation in solar photovoltaic (PV) panels, addressing the detrimental effects of high temperatures on their performance. Graphene’s exceptional in-plane thermal conductivity (3000-5000 W/(m⋅K)) is leveraged through various cooling methods, including graphene-coated neutral density (ND) filters, graphene-enhanced thermal interface materials (TIM), phase change materials (PCM), and graphene nanoplatelets (GnP) nanofluids. Notable findings indicate that a graphene-coated ND filter can reduce focal spot temperature by 20% and improve efficiency by 12%. Similarly, graphene-enhanced TIM and GnP-enhanced PCM demonstrate significant temperature reductions and efficiency gains, with GnP nanofluid achieving a temperature decrease of approximately 17°C and a corresponding power output increase of about 3 W.
The conclusions emphasize graphene’s potential as a superior material for thermal management in solar PV systems, highlighting both pre-illumination and post-illumination cooling techniques. While pre-illumination methods can mitigate heat generation, they face practical challenges such as high costs and thermal stress on substrates. Conversely, post-illumination techniques, particularly those utilizing graphene nanofluids, show promising thermal efficiency improvements. The review suggests that integrating various cooling methods could optimize thermal management, although further experimental research is necessary to refine these approaches. Overall, the findings advocate for continued exploration of graphene’s capabilities in solar PV cooling systems to enhance efficiency and support sustainable energy solutions.
Introduction
The introduction of the paper highlights the significant role of the non-renewable energy sector in contributing to global greenhouse gas (GHG) emissions, which are major drivers of climate change. In response, there has been a marked shift towards cleaner energy sources, particularly solar energy, which is favored for its zero GHG emissions. The paper notes a substantial increase in research publications on solar energy over the past two decades, reflecting growing interest in improving the efficiency of solar photovoltaic (PV) systems. The efficiency of these systems typically ranges from 15% to 20%, influenced by factors such as dust accumulation, shading, and temperature variations. Notably, excessive solar irradiance can lead to overheating, significantly reducing efficiency, particularly in hot climates.
To address these thermal management challenges, various cooling systems have been developed, including air-cooled and water-cooled systems, among others. However, many of these systems utilize materials with low thermal conductivity, limiting their effectiveness. Recent studies have explored the incorporation of graphene, a two-dimensional nanomaterial with exceptional thermal conductivity (3000-5000 W/(m⋅K)), into cooling systems to enhance heat dissipation. The introduction of graphene has shown promising results, such as a 48.4% reduction in thermal resistance in heat pipes and a 35.6% increase in convective heat transfer coefficients in heat exchangers. This review aims to provide a comprehensive analysis of graphene’s applications in solar PV cooling systems, detailing various methodologies and highlighting the potential benefits of graphene in improving the efficiency of these systems.
Methods
The research paper section discusses the methodologies employed in investigating the use of graphene-enhanced phase change materials (PCMs) for thermal regulation in photovoltaic (PV) solar panels. PCMs are noted for their ability to absorb significant amounts of thermal energy during phase transitions, maintaining a constant temperature, which is advantageous for cooling applications in solar energy systems. The selection of an effective PCM is guided by various properties, including thermal conductivity, latent heat, and stability. The introduction of nano-enhanced PCMs (n-PCMs) by incorporating highly conductive nanomaterials, such as graphene, has shown promising results in improving thermal conductivity. For instance, studies demonstrated that the addition of graphene nanoplatelets (GnP) to paraffin wax led to a notable increase in thermal conductivity and a corresponding decrease in PV panel temperature, enhancing electrical efficiency.
Several experimental studies highlighted the superior performance of GnP-enhanced PCMs compared to other nanoparticles, such as multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) and magnesium oxide (MgO). For example, a 5 wt% GnP loading resulted in a temperature reduction of 3.9% in PV panels, leading to a 2.65% increase in output efficiency. Additionally, the integration of heat sinks with graphene-enhanced PCMs was shown to further optimize thermal management, with configurations affecting heat dissipation efficiency. The findings underscore the importance of balancing nanoparticle concentration to maximize thermal performance while managing viscosity, which can impede heat transfer at higher loadings. Overall, the research indicates that graphene-enhanced PCMs present a viable solution for improving the thermal regulation of solar PV systems, although practical challenges remain regarding the commercial application of such materials.
Discussion
In the discussion section of the research paper, the authors explore various cooling techniques for solar photovoltaic (PV) systems, emphasizing the role of graphene in enhancing thermal management. The literature review, conducted using PRISMA guidelines, identified 311 relevant documents focusing on keywords such as “graphene,” “cooling,” and “solar PV.” The findings indicate that pre-illumination cooling techniques, which filter out non-contributing wavelengths of sunlight, can significantly improve the efficiency of solar PV cells. Techniques such as spectral beam splitters and luminescent filters are highlighted for their ability to enhance energy conversion by allowing only beneficial wavelengths to reach the PV cells.
Post-illumination cooling methods, including both active and passive cooling, are also discussed. Active cooling utilizes mechanical systems to dissipate heat, while passive cooling employs materials like thermal interface materials (TIM) enhanced with graphene. The superior thermal conductivity of graphene (3000-5000 W/(m⋅K)) makes it a promising filler for TIM, significantly reducing temperature rise and improving voltage output in triple-junction solar cells. The paper concludes that while graphene-coated neutral density filters and graphene-enhanced TIM show great potential for improving solar PV efficiency, further research is needed to optimize their application and assess long-term performance and cost-effectiveness.
Limitations
The section on limitations discusses the various constraints associated with the use of graphene for cooling solar photovoltaic (PV) panels. While the review highlights the advantages of graphene, such as its high thermal conductivity and potential for enhancing cooling efficiency, it also acknowledges certain limitations that may hinder its practical application. These limitations are systematically summarized in Table 5, which provides a comparative analysis of the cooling methods explored in the paper.
The significance of these limitations is crucial for understanding the feasibility of implementing graphene-based cooling solutions in real-world scenarios. The findings emphasize the need for further research to address these challenges and optimize the integration of graphene in solar PV systems, thereby enhancing their overall performance and longevity.