フラットのエネルギー、エクセルギー、経済（3E）分析

Scientific Reports volume 13、記事番号: 411 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

太陽エネルギーの利用は、現在のエネルギー管理の課題に対処するための最も顕著な戦略の 1 つです。太陽エネルギーは、平板型太陽熱集熱器を通じて多くの住宅分野で使用されています。従来の熱伝達流体をナノ流体に置き換えると、平板型太陽熱集熱器の熱効率が向上します。これは、ナノ流体が従来の熱伝達流体よりも優れた熱物理的特性を提供するためです。ナノ流体の従来の合成技術では濃縮された化学物質が利用されており、危険な有毒副産物が生成されます。本研究では、新しい緑色の共有結合官能基化没食子酸処理多層カーボンナノチューブ-水ナノ流体が平板型太陽光集熱器の性能に及ぼす影響を調査する。紫外可視分光法やゼータ電位などの安定性分析技術によると、GAMWCNT はベース流体中で非常に安定しています。実験による評価では、ナノ流体の熱物理的特性がベース流体の脱イオン水の熱物理的特性よりも優れていることが示されています。エネルギー、エクセルギー、および経済分析は、0.010、0.0144、0.0188 kg/s のさまざまな質量流量で、0.025%、0.065%、および 0.1% 重量濃度の GAMWCNT 水を使用して実行されます。 GAMWCNT ナノ流体の導入により、エネルギー効率とエクセルギー効率の点で平板太陽熱集熱器の熱性能が向上しました。熱流束、質量流量、重量濃度が上昇すると効率が向上しますが、入口温度が上昇すると低下が見られます。実験結果によれば、エネルギー効率の最も高い改善は、ベース流体と比較して、重量濃度 0.1% の GAMWCNT ナノ流体の 0.0188 kg/s で 30.88% でした。コレクターのエクセルギー効率は重量濃度の増加とともに増加しますが、流量の増加とともに減少します。最高のエクセルギー効率は、GAMWCNT 濃度 0.1% および質量流量 0.010 kg/s で達成されます。 GAMWCNT ナノ流体は、ベース流体と比較して摩擦係数の値が高くなります。ナノ流体の重量濃度が増加すると、相対的なポンピングパワーがわずかに増加します。すべての GAMWCNT 濃度で 1 を超える性能指数値が達成されます。太陽熱集熱器を 0.0188 kg/s および 0.1% 重量濃度の GAMWCNT ナノ流体で動作させると、熱伝達流体として水を使用した平板型太陽熱集熱器と比較して、27.59% という最高のサイズ縮小が達成されます。

世界の人口とエネルギー消費は急速に拡大しています。現代の人類文化の工業化とグローバル化は、このエネルギー消費の増加の主な原因です。国際エネルギー機関は、2040 年末までに世界のエネルギー消費は約 30% 増加すると予測しています1。化石燃料は世界のエネルギー需要の 86% を満たしています2。世界の化石燃料埋蔵量は急速に減少しており、環境は深刻に汚染されています。現在の時代の課題は、環境をさらに悪化させることなくエネルギー需要を満たすことです。持続可能な開発目標 7 は、すべての国が直面し、すべての人に影響を与える課題となります。持続可能な開発目標 7 の基本的な目的は、経済的、クリーン、効率的、信頼性が高く、すべての人々が利用できるエネルギーを実現することです。従来のエネルギー資源は有限であるため、代替エネルギー源の探索が世界中で激化しています。再生可能エネルギー資源は、クリーンエネルギーの需要を満たすことができることが証明されています3。

太陽エネルギーはその手頃な価格と入手しやすさにより、他の再生可能エネルギー資源よりも需要が高まっています。太陽エネルギーはさまざまな方法で利用できます。太陽熱は、暖房、家庭用温水、冷却、さらにはプロセス加熱など、さまざまな用途に利用できます4,5。太陽エネルギーの収集と変換は、このエネルギー分野の重要な焦点です。太陽のエネルギーは簡単に収集でき、熱エネルギーや電気エネルギーに変換できます。太陽光発電や太陽熱収集器などのさまざまな機器や技術が、このエネルギー変換プロセスを実行できます。ソーラーコレクターは、熱交換流体を使用して太陽エネルギーを熱エネルギーに変換します。コレクターの吸収プレートは太陽エネルギーを捕らえ、吸収流体に伝達し、その内部エネルギーを増加させ、その後さまざまな目的に使用することができます。光学集中のない平板型ソーラーコレクター (FPSC) は、40 ～ 100 °C の温度範囲で使用されます。シンプルでメンテナンスが容易でランニングコストが最小限に抑えられるため、家庭用アプリケーションに適しています。 FPSC は効率と出力温度が比較的低くなります。材料、設計 6、集光板のコーティング 7、傾斜角 8、気候条件 9、および作動流体 10 はすべて、平板型太陽熱集熱器の有効性に影響を与える要因です。純水（作動流体として機能します）の代わりに熱伝導率の高い流体を使用することは、効率を向上させる最も簡単で効果的な方法の 1 つです。

95%, SSA: > 500 m2/g). A two-step method, as suggested by Akram et al.38 was introduced for preparation of green gallic acid treated multiwall carbon nanotubes nanofluid. 5 g of immaculate multi-wall carbon nanotubes (Nanostructured & Amorphous Materials Inc.), and 15 g of gallic acid were immersed into a beaker filled with 1000 ml distilled water and then stirred for almost 1/4 h until the mixture turned homogeneous. During the sonication time, 25 ml of H2O2 (Brand-sigma-Aldrich) was injected dropwise into the mixture. The resulting mixture was ultra-sonicated for 1/3 h. The mixture was then refluxed for 14 h at 80 °C. The centrifugation of GAMWCNs colloid was carried out at 14,000 rpm and rinsed multiple times with distilled water to eliminate residual particles until the pH reached 7. Afterward, the synthesized specimen was dried at 60 °C in an oven for a day. Finally, gallic acid-treated multi-wall carbon nanotubes -water nano-fluid was synthesized by dispersing 0.025, 0.065, and 0.1 wt.% covalently functionalized MWCNTs nanoparticles in water for 10 min via ultra-sonication. The GAMWCNTs were found to be well-dispersed in the base fluid. A schematic diagram of the synthesis of GAMWCNT is shown in Fig. 1./p>

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