纳米流体在太阳能的绩效评估:评估最近的文学

利用nanofluid作为吸收液是一种有效的强化传热方法在太阳能设备。本综述的目的是总结研究纳米流体的应用近年来太阳能热能工程系统。这个评论文章提供综合信息设计的太阳能热系统工作在最佳条件。本文指出了未来的研究机会。

能源是一个重要的实体对于任何国家的经济发展。另一方面,化石燃料能源需求的会议一个伟大的部分稀缺和可用性是不停地减少。如今,太阳能系统中扮演重要角色的能源来自可再生能源的生产将太阳辐射转化为有用的热能或电能。考虑到环境保护和伟大的未来能源供应的不确定性,太阳能是一种更好的替代能源尽管其更高的运营成本。太阳能设备的传热增强是节能的重要问题之一,紧凑的设计。有效的方法之一就是将工作流体替换为纳米流体作为一个新策略来提高流体的传热特性。最近reserachers已成为收藏家的兴趣使用纳米流体,热水器、太阳能制冷系统,太阳能电池,太阳能蒸馏器,太阳能吸收式制冷系统,结合不同的太阳能设备由于更高的纳米流体导热系数和辐射纳米粒子的性质。如何选择合适的纳米流体在太阳能应用中是一个关键问题。纳米流体的有效性作为太阳能装置吸收液体强烈依赖于类型的纳米颗粒和基液,纳米颗粒的体积分数,纳米流体的辐射特性,温度的液体,大小和形状的纳米颗粒,pH值和稳定的纳米流体1]。只有少数审查论文讨论了纳米流体的能力来提高太阳能系统的性能(2- - - - - -5]。摘要编译最近的研究在这个领域并确定开放许多问题甚至没有开始进行调查。作者希望本文将有助于确定纳米流体在太阳能应用的有效性。

在太阳能收集器使用纳米流体

纳米颗粒的作用

氮化镓et al。6)实验表明,辐射的吸收₂O₃纳米流体小于Aluminuim纳米流体。纳米流体的艾尔₂O₃粒子,情况是不同的,因为不同的光学性质₂O₃。弱辐射的吸收₂O₃纳米粒子不会造成显著的局部对流换热流体粒子的基地。使用铝₂O₃/水nanofluid作为硅太阳能电池冷却模拟使用有限元方法通过Elmir et al。7]。他们认为太阳能电池板为30°倾斜坡的腔。纳米流体的应用增加了平均努塞尔特数和冷却速度。他们报告说27%的增强传热率为10%氧化铝nanofluid Re = 5。

罗等。8)模拟DAC太阳能集热器的性能与纳米流体使用一个2 d模型通过求解辐射传输方程的微粒媒体和结合传导和对流传热方程。nanofluid流水平从右到左的稳态太阳能集热器玻璃板覆盖着。太阳辐射模拟器是用于验证他们的模型。他们准备了纳米流体的分散和振荡TiO₂,艾尔。₂O₃、银、铜、SiO₂、石墨纳米颗粒和碳纳米管Texatherm石油。他们的研究结果表明,使用nanofluid太阳能集热器可以提高出口温度和效率。他们还发现,大多数纳米流体的效率和比石油类似,除了TiO₂。

拉赫曼et al。9)进行了数值研究三角形太阳能集热器通过伽辽金加权残值与纳米流体有限元方法广泛的格拉晓夫数(Gr)。波纹底部是保持在一个恒定的高温和三角圈地的侧墙是保持在一个较低的温度,如图1。假设流体阶段和纳米粒子都在热平衡以及它们之间没有滑动。Nanofluid是牛顿和不可压缩流动是层流和不稳定。恒定的热物理性质是nanofluid除了密度变化的浮力部队由使用布辛涅斯克近似。然而,他们没有提到粒子的直径。作者得出结论,高价值的Gr和固体体积分数确认更好的传热通过对流和传导。结果显示改进24.28% Gr = 10⁶体积分数为10%的铜粒子。降低Gr值数,传导传热的主要模式为任何值的固体体积分数。结果表明,对流换热性能更好的固体体积分数时保持在0.05或0.08。这项研究还显示,cu-water nanofluid是最好的nanofluid传热的增强。

想要et al。10]调查nanofluid太阳能集热器的热性能和减少其贡献大小来估算节省成本。他们的研究结果表明,太阳能集热器的效率与纳米流体计算函数的工作流体密度、比热和质量流率。结果证实,更高的密度和更低的比热的纳米流体比水和提供更高的热效率可以减少太阳能集热器面积约为25.6%,21.6%,22.1%和21.5%的措,SiO₂,TiO₂和艾尔₂O₃纳米流体见图2。因此,它将减少体重,能源和制造成本收集器。220年乔丹体现能量的平均值为每个收集器可以保存,投资回收期2.4年可以实现和减少大约170公斤的有限公司₂排放的结果使用基于nanofluid太阳能集热器相比传统。环境损害成本也低nanofluid太阳能集热器。

帕文et al。11)数值研究纳米粒子体积分数的影响(ϕ= 0%、1%、3%、5%和7%)和雷诺数(Re = 200, 400, 600, 800和1000年)在温度分布,熵产生率和集电极效率。工作流体是不可压缩Cu-water nanofluid层流下的政权。他们的研究结果如下:1)增加了粒子浓度提高了流体粘度和减少了雷诺数,从而降低传热。b)重要的是找到最优的纳米粒子体积分数为每个应用程序。c)收集器效率可以提高近2倍通过Ag-water和Cu-water纳米流体浓度为3%,如图3d)熵代增强ϕ= 3%,如图3。这一水平后,添加更多的纳米粒子并没有意味着熵变化的一代。

Ladjevardi et al。12)数值研究的影响在太阳能集热器的性能使用nanofluid见图4考虑到不同的石墨纳米颗粒直径和体积分数。他们观察到在红外领域,水的光学特征主要在紫外和可见范围消光系数依赖于纳米粒子体积分数。的消光系数计算吸收和散射效率的研究。他们的数值结果表明,nanofluid集热器热效率增加约88%的纯净水收集器的入口温度313 K。它还可以增加227%的进口温度333 K。

球场等。13]研究了银纳米粒子直接阳光太阳能热吸收器应用程序。他们的研究结果表明,最大存储热能增加52%,93%和144%的银粒子浓度为1.62,3.25和6.5 ppm分别由于良好的光热光谱分析转换银纳米粒子的性质。他们也观察到颗粒浓度的影响在特定吸收率(SAR)只在初始加热可辨别的。得出降低SAR在更高的粒子载荷(65和650 ppm)可能的结果:(i)团聚体的形成,减少阳光转化为液体的强度由于沉积颗粒表面上,(2)每个粒子的吸收效率的差异在不同流体深度,(iii)热量通过辐射泄漏可能成为加强粒子浓度超过一定值见图5,6和7。

Karami et al。14)实验表明,基于水中悬浮体的碱性功能化碳纳米管(f-CNT), 10 nm直径和长度5 - 10μm,具有良好的稳定性作为吸收液在低温直接吸收太阳能集热器(DASC)。原因是与羧酸盐的亲水特性相关的组。f-CNT大大减少了透光率和提高热导率见图8。他们建议使用这种纳米流体的直接吸收光。在这项研究中,f-CNTs被分散到水通过超声波仪器体积分数低于150 ppm。更高的浓度产生黑色光解决方案,没能通过。

说等。15)发现,纳米流体与单壁碳纳米管(SWCNTs)平板太阳能集热器相比显示了最小熵代纳米流体由暂停₂O₃,TiO₂和SiO₂纳米粒子在同一基础液见图9。他们认为熵的减少代吸收器的热通量的增加板由于纳米粒子。超声发生器、高压均质器(容量高达2000 bar)用于纳米粒子分散到水。这是观察SWCNTs熵代纳米流体可以降低4.34%,提高传热系数15.33%。它也有一个小惩罚抽运功率的1.2%。

唐et al。16)准备了碳纳米管/ / SiO挂钩₂从多层碳纳米管复合材料热导率高(热合),聚(乙二醇)和无机SiO(挂钩)₂。这些复合材料有更高的热导率比传统的相变材料(潜热)因为高导热系数的热合。他们的研究结果清楚地表明,PEG / SiO₂/ MWCNT复合材料可以有效地提高太阳能应用的效率。

Saidur et al。17)研究了不同参数对效率的影响的低温nanofluid-based直接吸收太阳能集热器(DAC)与水和铝纳米颗粒。使用低温系统的一大优势是太阳能收集器可以相对简单且便宜。此外,有许多工作适合低温液体的操作。常用基础液体水,油和乙二醇。他们占nanofluid内的吸收和散射的影响评估nanofluid内的强度分布的辐射传递方程(RTE)。为了计算的光谱消光系数nanofluid散射系数和吸收系数之和,他们调查了分别基于流体和纳米粒子的光学性质。他们的研究结果显示,铝/水nanofluid 1%体积分数提高了太阳能的吸收。他们发现,颗粒大小的影响在nanofluid很小的光学性质,但为了有瑞利散射纳米颗粒的大小应该小于20海里。他们还发现,体积分数的消光系数是线性比例。

Sokhansefat et al。18)数值研究的传热增强₂O₃/合成油与浓度高达5% nanofluid抛物槽集热器管在不同操作温度,见图10。Nanofluid强化对流传热系数见图11。

纳斯林等。19)的影响进行了数值研究,探讨普朗特数流,温度场,对流和辐射传热率,意味着散装液体的温度和平均速度场在太阳能和水-₂O₃nanofluid收集器,见图12。结果表明,随着公关从1.73到6.62,对流传热增强对nanofluid和基础流体分别26%和18%,而辐射提高了8%。

基础流体的作用

科朗格洛et al。20.)实验表明,纳米流体的热导率的改进与电疗法的油比与水在高温应用,如太阳能收集器。他们观察到的热导率降低增加纳米粒子的大小。

Hordy et al。21)四种不同的纳米流体的分散等离子体功能化多壁碳纳米管(热合)水、乙二醇、丙二醇和导热油VP-1传热液体借助超声波浴。他们检查长期和高温稳定性问纳米流体用于直接吸收太阳能。在这个工作等离子治疗应用于修改碳管的表面来提高他们分散财产基地内的流体。本研究报告量化的高温度和长期稳定的乙二醇和丙烯二元醇MWCNT纳米流体为太阳能热收集器。

说等。22]experimentlly调查了导热系数、粘度和压力降的水,乙二醇(EG)和EG + H2O(比例)的氧化铝纳米流体(13海里)准备通过超声分散法的操作温度范围内25°C到80°C在低浓度的0.05%到0.1%不等。他们观察到实验值偏差估计的导热系数的值₂O₃/水纳米流体相当高的实验值₂O₃/如纳米流体几乎是类似模型的计算见图13。他们的研究结果表明纳米流体在低浓度流动压降太阳能集热器是略高于基础液。

刘等人。23使用石墨烯]实验调查的可行性(GE)分散纳米流体基于离子液体1-hexyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (HMIM男朋友₄在高温传热系统(如太阳能收集器)。离子液体(ILs)是一组熔盐的熔点低于100°C,以及一个广泛的液体温度从室温到最高温度为459°C。图书馆有良好的热物理性质如热化学稳定性好、密度高、热容和可以忽略的蒸汽压。在这个工作中,作者展示了如何提高图书馆集成系统的性能对太阳能热系统。他们观察到15.2%热导率提高-22.9%使用石墨烯0.06%温度范围从25到200°C,见图14。他们的研究结果显示,通用电气是一个更好的纳米流体nanoadditive比其他碳材料和金属纳米粒子。

作者认为这对通用电气的自润滑特性降低。此外,热重量分析的结果显示,高的热稳定性的通用电气/男朋友₄纳米流体。纳米流体的测量表明,这类小说是非常适合于高温应用,如太阳能收集器。

何鸿燊et al。24]发现最优浓度掺杂氧化铝纳米颗粒的熔化硝酸钾(硝酸盐)最大化它的比热容。高温熔盐通常具有很高的热容和有效的集中式太阳能作为工作流体(CSP)系统。他们的研究结果如下:1 -增加不到2%₂O₃金属纳米颗粒显著增加的比热硝酸钾在低温下见图15,2 -体积分数小于或等于0.5%,添加₂O₃纳米粒子有一个负面影响335°C的温度比热,3 -温度,浓度为0.063 wt. %提供比热的最大提高19.9%左右,4 -扫描电子显微镜(SEM)图像表明,即使在较低浓度、纳米粒子聚合与集群的大小0.2到0.6μm晶界的硝酸钾,5 -本研究的发现表明,收益良好的均匀分散的浓度和最佳模式的粒子或集群可能最大化比热。固液界面区域的简化模型表明,界面面积最大的浓度0.023 wt. %。随着纳米粒子浓度的增加高于0.023 wt %,形成集群变得越来越可靠的集群和之间的界面面积密度基本流体减少可能减少比热容的增加。从这项研究中,根据获得的结果的最大增强比热容发生在浓度为0.063 wt. wt. % %,而不是0.023。事实上,一些纳米颗粒的聚集形成亚微米集群的增强可能是最好的比热容。然而,浓度的总界面面积0.063 wt %。略低于其价值在浓度为0.023 wt %。

表面活性剂的作用

辛格et al。25]添加铜商用太阳能传热流体(导热油59 (TH59)和66 (TH66)导热油)温度和超声结合的成熟过程。他们指出,表面活性剂选择在制备稳定的纳米流体具有重要作用。选择合适的表面活性剂主要是依赖于基础流体和颗粒的属性。例如,二氧化硅纳米粒子成功分散在TH66使用苯扎氯铵(BAC,在穿越有机物)作为表面活性剂但BAC的使用表面活性剂与铜纳米粒子并没有提供足够的悬浮稳定性由于缺少特定的纳米颗粒和表面活性剂分子间相互作用。表面活性剂分子的双层布置应该提供良好的粘附到纳米粒子表面与芳香族溶剂混溶。在这个工作中,作者用油酸和BAC和十二烷基硫醇的混合物(ODT)和BAC表面活性剂驱散铜纳米粒子TH66 TH59,分别。他们观察到3 d铜纳米颗粒团聚体不失常规声波降解法和超声枪没有温度的成熟。他们表明,声波降解法时间大约4 h导致铜的有效分手聚集成单个颗粒在120°C。他们还总结称,铜/ TH66纳米流体比铜/似乎更稳定TH59纳米流体的动力粘度越高。

Yousefi et al。26,27)研究的影响₂O₃(15 nm)和MWCNT(10 ~ 30海里)水nanofluid平板太阳能集热器的效率实验。纳米粒子的重量分数分别为0.2%和0.4%,与实验进行,没有特里同x - 100表面活性剂。他们的研究结果表明,表面活性剂在nanofluid极其影响太阳能集热器的效率。

Lenert et al。28)提出了一个结合建模和优化的性能试验研究圆柱形nano-fluid体积接收器。他们得出的结论是,效率超过35%时nanofluid体积接收器是耦合的动力循环和优化的光学厚度和太阳能曝光时间。这项研究提供了一个重要的视角在聚光太阳能应用程序中使用的纳米流体体积接收器。在这个工作中,28纳米碳涂层钴(C-Co)纳米颗粒分散和悬浮在导热油VP-1 30分钟后声波降解法浴没有任何表面活性剂。

pH值的作用

Yousefi et al。29日]研究pH值的影响MWCNT-H2O nanofluid平板太阳能集热器的效率上,如图16。实验进行了使用0.2 wt % MWCNT(10 - 30海里)与不同的pH值(3.5、6.5和9.5)和特里同x - 100作为添加剂。他们发现,增加或减少的酸碱的等电点(IEP)将增强的积极影响纳米流体在太阳能集热器的效率。收集器效率提高而纳米流体的pH值之间的差异和等电位的增加。随着纳米流体变得更酸(低pH值),积累了更多指控在粒子表面,导致较低的纳米颗粒的聚集。因此,nanofluid有效热导率的增加。另外,随着pH值的增加nanofluid,问增加导致的表面电荷的增加导热系数和nanofluid的稳定。

使用纳米流体在光伏/热(PV / T)系统

Sardarabadi et al。30.)的影响进行实验研究使用二氧化硅/水nanofluid作为冷却剂的热和电效率光伏热(PV / T)系统。平板太阳能集热器是附加到光伏面板。收集器的倾角是设定在一个常数值32°最大化太阳能收集区。观察到,通过添加一个热收集器光伏系统,总与纯水(火用)的三种情况,1%二氧化硅/水nanofluid和3%二氧化硅/ nanofluid增长了19.36%,22.61%和24.31%,分别见图17。热效率的PV / T收集器两例1和3 wt %的二氧化硅/水nanofluid增加7.6%和12.8%,分别。

Karami et al。31日]experimentlly调查(AlOOH水性勃姆石的冷却性能。xH₂O) nanofluid在混合光伏(PV)细胞。单晶的硅光伏电池。结果表明,nanofluid表现好于水而光伏表面平均温度降低了62.29°C到32.5°C,见图18。他们报告说,电效率下降随着nanofluid的浓度上升到一定水平。作者认为这减少纳米颗粒的高表面活性及其集聚/聚类粒子在高载荷的倾向。表1总结了纳米流体的影响不同的太阳热能应用程序的结果

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在太阳能蒸馏器中使用纳米流体

Kabeel et al。32]研究海水淡化加上一个小单位nano-fluid-based(铜/水)太阳能集热器作为热源,见图19。系统由一个太阳能热水器(平板太阳能集热器)、混合槽和闪烁室+螺旋热交换器和冷凝器。海水淡化过程是基于海水的蒸发压力很低(真空)。然后水蒸发浓缩获得淡水。仿真结果表明,纳米颗粒的浓度是一个重要的因素在增加淡水生产和降低成本。作者报道,水可以降低成本从16.43到11.68美元/ m³ϕ= 5%,见图20.。

Kabeel et al。33)使用铝₂O₃纳米颗粒与水太阳能仍然在一个盆地。他们的研究结果表明,使用纳米流体提高太阳能仍然水分生产力116%和76%有或没有操作真空风机。作者认为这增加蒸发率的增加仍在。利用nanofluid增加蒸发率。此外,由于真空仍在进一步增加蒸发率和生产力的提高而仍然在大气条件下工作。

在太阳能使用纳米流体池塘

Al-Nimr et al。34)提出了一个数学模型来描述使用银水的效果nanofluid浅太阳池热性能的(SSP)和显示,能量存储在nanofluid池塘大约是216%以上的能量存储在盐水池塘。上层的池塘是由矿物油和较低的层是由银(Ag)水性nanofluid。他们的研究结果表明,太阳辐射的1000 W / m²,nanofluid池塘需要深度小于25厘米,以吸收光线,而卤水池深度必须超过25 m吸收相同数量的光。他们储存能量的增加归因于基本流体的热导率的增加,由于纳米颗粒添加导致均匀层内温度分布和减少热损失。

利用太阳能集热器与开放集成的纳米流体热虹吸

刘等人。35)实验表明,太阳能集热器与开放集成热虹吸器相比具有更好的收集性能收集器与同心管及其效率可以改善通过使用措/水nanofluid作为工作流体。他们的研究结果显示最大值和平均值的收集器的收集效率,使用纳米流体热虹吸增加了6.6%和12.4%,分别。

纳米流体是用来提高几个太阳热能应用程序的效率。太阳能系统的理论和实验研究证明,通过使用纳米流体系统性能明显提高。许多调查显示存在的纳米粒子在基液的最佳浓度。添加纳米粒子在最佳水平不再提高太阳能系统的效率。

最优条件是纳米颗粒大小和浓度的函数,基液、表面活性剂和pH值作为本文中讨论。Nanofluid在太阳能热利用系统是伴随着重要的挑战包括生产成本高、不稳定、凝聚和侵蚀。这篇评论文章试图阐明的优缺点纳米流体在太阳系中的应用。

作者想表达他们的感谢伊斯兰自由大学阿巴丹岛分公司提供财政支持。

作者和联系

1. 机械工程系,阿巴丹岛的分支,伊斯兰自由大学,P.O.B. 666,阿巴丹岛、伊朗

   Navid Bozorgan

2. 机械工程系,加州州立理工大学波莫纳,加州,美国

   Maryam Shafahi

相应的作者

对应到Navid Bozorgan。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

女士进行了广泛的文献回顾和NB写了这篇文章。两位作者阅读和批准最终的手稿。

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