Flusso di nanofluidi ibridi all'interno del tubo di raffreddamento del fotovoltaico

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8202 (2023) Citare questo articolo

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In questo lavoro, lo strato del generatore termoelettrico (TEG) è stato combinato con strati convenzionali di moduli fotovoltaici-termici (PVT) per utilizzare il calore di scarto e aumentare l'efficienza. Per ridurre la temperatura della cella, è presente un condotto di raffreddamento nella parte inferiore dell'unità PVT-TEG. Il tipo di fluido all'interno del condotto e la struttura del condotto possono modificare le prestazioni del sistema. Pertanto, il nanofluido ibrido (miscela di Fe3O4 e MWCNT con acqua) è stato sostituito al posto dell'acqua pura e sono state implementate tre diverse configurazioni di sezione trasversale [STR1 (circolare), STR2 (rombo), STR3 (ellittica)]. Attraverso il tubo è stato risolto il flusso laminare incomprimibile di nanofluido ibrido mentre negli strati solidi del pannello è stata simulata l'equazione di conduzione pura che coinvolge fonti di calore risultanti dall'analisi ottica. Secondo le simulazioni, la terza struttura (ellittica) offre le prestazioni migliori e l'aumento della velocità di ingresso fa sì che le prestazioni complessive migliorino di circa il 6,29%. I valori delle prestazioni termiche ed elettriche per il design ellittico con frazioni uguali di nanoparticelle sono rispettivamente del 14,56% e del 55,42%. Con la migliore progettazione, l'efficienza elettrica migliora di circa il 16,2% rispetto a un sistema non raffreddato.

L’energia riveste un’importanza economica significativa per qualsiasi paese, poiché non è cruciale solo per le industrie, ma anche per soddisfare i bisogni interni della società. Questa energia può assumere varie forme, come elettricità, prodotti chimici, calore e altre. Tradizionalmente, i combustibili fossili sono stati utilizzati per soddisfare queste richieste energetiche, ma si tratta di risorse limitate che non possono essere facilmente ricostituite. Il tasso al quale gli esseri umani consumano combustibili fossili supera di gran lunga il tasso al quale essi vengono sostituiti naturalmente1. Pertanto, trovare alternative sostenibili ai combustibili fossili è essenziale per soddisfare il nostro fabbisogno energetico a lungo termine. L’energia sostenibile è una questione cruciale che ha il potenziale per apportare cambiamenti positivi nella situazione attuale2. I combustibili fossili non solo contribuiscono all’inquinamento ambientale, ma devono anche affrontare la sfida dell’esaurimento. Quindi, per diminuire l’impatto ambientale di tali fonti, sta aumentando la richiesta di energia rinnovabile per soddisfare il crescente fabbisogno energetico. Poiché il costo dell’energia solare scende al di sotto di quello dei combustibili fossili, la domanda di combustibili fossili tende a diminuire. L'energia solare può essere sfruttata attraverso vari sistemi, comprese le unità fotovoltaiche termiche (PVT) per la produzione di calore ed elettricità dall'energia solare3. Le unità fotovoltaiche vengono utilizzate per convertire la radiazione incidente in elettricità e solo il 20% dell'intera energia solare può essere convertito e il resto viene sprecato4. Tuttavia, temperature operative elevate possono portare ad una riduzione del tasso di conversione e questo aumento di temperatura può provocare danni all’integrità strutturale dei pannelli solari5. Gli sforzi per aumentare le prestazioni elettriche (ηel) dei pannelli fotovoltaici comportano la riduzione della loro temperatura operativa, che può essere raggiunta attraverso l'impiego di un assorbitore termico. I ricercatori hanno esplorato un metodo chiamato unità PVT, per abbassare la temperatura cellulare6. Il sistema PVT consente la generazione simultanea di elettricità e calore7,8. Elqady et al.9 hanno condotto una ricerca per ottimizzare le dimensioni di un dissipatore di calore per migliorare le prestazioni di raffreddamento dei pannelli solari. I risultati hanno identificato un condotto con punti di progettazione ottimali, poi utilizzato in un modello 3D per valutare l'efficacia di un PVT. La prestazione elettrica massima raggiunta è stata del 17,45%, che ha dimostrato un miglioramento significativo di quasi il 40% rispetto a un tipico sistema CPV/T. Raza et al.10 hanno presentato una metodologia computazionale per la progettazione di un materiale composito ad alte prestazioni da utilizzare come parte posteriore di un'unità fotovoltaica concentrata (CPV). Il composito proposto mostra un potenziale promettente e si traduce in un miglioramento del 4,3% della produzione elettrica e in una maggiore durata del modulo. Li et al.11 hanno presentato un approccio nuovo e versatile per il raffreddamento dei pannelli fotovoltaici. Hanno scoperto che le prestazioni del fotovoltaico migliorano di circa il 19% utilizzando il sistema proposto.