Ảnh hưởng của việc sử dụng dòng nanofluid trong kênh rỗng ở hệ thống CPVT dưới bức xạ nhiệt mặt trời biến thiên dựa trên phân tích năng lượng và exergy

Journal of Thermal Analysis and Calorimetry - Tập 145 - Trang 507-521 - 2020
Mahdi Deymi-Dashtebayaz1, Mojtaba Rezapour1
1Department of Mechanical Engineering, Center of Computational Energy, Hakim Sabzevari University, Sabzevar, Iran

Tóm tắt

Hệ thống điện mặt trời tập trung nhiệt (CPVT) là một trong những hệ thống sản xuất nhiệt và điện đã nhận được sự chú ý đặc biệt trong những thập kỷ gần đây. Trong bài báo này, hệ thống tế bào nhiệt điện mặt trời tập trung với hiệu ứng của dòng nanofluid Al2O3 trong kênh rỗng đã được nghiên cứu dưới bức xạ nhiệt biến thiên. Hệ thống được phân tích từ góc độ năng lượng và exergy, và hiệu suất của các định luật nhiệt động lực học thứ nhất và thứ hai cũng được tính toán. Các phương trình điều khiển bao gồm phương trình bảo toàn khối lượng, phương trình động lượng Brinkman và phương trình bảo toàn năng lượng, xem xét bức xạ mặt trời biến thiên bằng cách sử dụng bộ tập trung parabol trong suốt một ngày ở thành phố Mashhad. Mô hình số dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Kết quả mô phỏng số cho thấy rằng số Nusselt, nhiệt độ chuẩn hóa và hiệu suất điện của mô hình được trình bày có sự đồng nhất hợp lý với dữ liệu thực nghiệm. Hiệu suất của tế bào quang điện tăng lên khi số Reynolds tăng, với sự khác biệt giữa giá trị hiệu suất cao nhất và thấp nhất là 5% vào lúc 12 giờ trưa. Ngoài ra, với sự gia tăng của số Reynolds, hiệu suất theo định luật thứ nhất của nhiệt động lực học cũng tăng lên do các tác động của độ xốp và độ thấm của kênh rỗng làm mát. Sự khác biệt tối đa giữa giá trị cao nhất và thấp nhất cho hiệu suất theo định luật thứ nhất là 49,4% tại Re = 110. Hiệu suất theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học giảm khi số Reynolds tăng lên, với giá trị cao nhất là 4,2% và thấp nhất là 2,8% tại Re = 20 và Re = 10, tương ứng.

Từ khóa

#nanofluid #kênh rỗng #CPVT #bức xạ nhiệt mặt trời #năng lượng #exergy

Tài liệu tham khảo

Deymi-Dashtebayaz M, Maddah S, Goodarzi M, Maddah O. Investigation of the effect of using various HFC refrigerants in geothermal heat pump with residential heating applications. J Therm Anal Calorim. 2020. https://doi.org/10.1007/s10973-020-09539-5. Ebrahimi-Moghadam A, Deymi-Dashtebayaz M, Jafari H, Niazmand A. Energetic, exergetic, environmental and economic assessment of a novel control system for indirect heaters in natural gas city gate stations. J Therm Anal Calorim. 2020;1:1–16. https://doi.org/10.1007/s10973-020-09413-4. Farzaneh-Gord M, Arabkoohsar A, Deymi-Dashtebayaz M, Machado L, Koury RNN. Energy and exergy analysis of natural gas pressure reduction points equipped with solar heat and controllable heaters. Renew Energy. 2014;72:258–70. https://doi.org/10.1016/j.renene.2014.07.019. Deymi-Dashtebayaz M, Tayyeban E. Multi objective optimization of using the surplus low pressure steam from natural gas refinery in the thermal desalination process. J Clean Prod. 2019;238:117945. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.117945. Lovegrove K, Csiro WS. Introduction to concentrating solar power (CSP) technology. Concentrating Solar Power Technology. New York: Elsevier; 2012. p. 3–15. Sharaf OZ, Orhan MF. Concentrated photovoltaic thermal (CPVT) solar collector systems: part I—fundamentals, design considerations and current technologies. Renew Sustain Energy Rev. 2015;50:1500–65. https://doi.org/10.1016/j.rser.2015.05.036. Karathanassis IK, Papanicolaou E, Belessiotis V, Bergeles GC. Design and experimental evaluation of a parabolic-trough concentrating photovoltaic/thermal (CPVT) system with highefficiency cooling. Renew Energy. 2017;101:467–83. https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.09.013. Wang G, Chen Z, Hu P. Design and experimental investigation of a Multi-segment plate concentrated photovoltaic solar energy system. Appl Therm Eng. 2017;116:147–52. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.01.045. Ma X, Zheng H, Chen Z. An investigation on a compound cylindrical solar concentrator (CCSC). Appl Therm Eng. 2017. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2017.04.030. Shadmehri M, Narei H, Ghasempoura R, Shafii MB. Numerical simulation of a concentrating photovoltaic-thermal solar system combined with thermoelectric modules by coupling Finite Volume and Monte Carlo Ray-Tracing methods. Energy Convers Manag. 2018;172:343–56. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2018.07.034. Alizadeh H, Ghasempour R, Shafii MB, Ahmadi MH, Yan W-M, Nazari MA. Numerical simulation of PV cooling by using single turn pulsating heat pipe. Int J Heat Mass Transf. 2018;127:203–8. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.06.108. Kandilli C, Külahlı G. Performance analysis of a concentrated solar energy for lightingpower generation combined system based on spectral beam splitting. Renew Energy. 2017;101:713–27. https://doi.org/10.1016/j.renene.2016.09.032. Kandilli C. Performance analysis of a novel concentrating photovoltaic combined system. Energy Convers Manag. 2013;67:186–96. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2012.11.020. Sanaye S, Sarrafi A. Optimization of combined cooling, heating and power generation by a solar system. Renew Energy. 2015;80:699–712. https://doi.org/10.1016/j.renene.2015.02.043. Ferchichi S, Kessentini H, Morales-Ruiz S, Rigola J, Bouden C, Olivab A. Thermal and fluid dynamic analysis of Direct Steam Generation Parabolic Trough Collectors. Energy Convers Manag. 2019;196:467–83. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.05.107. Günther M, Shahbazfar R. Solar dish technology. Chapter 7, Advanced CSP teaching materials. Enermena. 2018;1–63. Moraveji MK, Darabi M, Haddad SMH, Davarnejad R. Modeling of convective heat transfer of a nanofluid in the developing region of tube flow with computational fluid dynamics. Int Commun Heat Mass Transf. 2011;38:1291–5. https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2011.06.011. Deymi-Dashtebayaz M, Akhoundi M, Ebrahimi-Moghadam A, Moghadam AJ, Arabkoohsar A, Farzaneh-Gord M. Thermo-hydraulic analysis and optimization of CuO/water nanofluid inside helically dimpled heat exchangers. J Therm Anal Calorim. 2020;1:1–16. https://doi.org/10.1007/s10973-020-09398-0. Xu Z, Kleinstreuer C. Concentration photovoltaic–thermal energy co-generation system using nanofluids for cooling and heating. Energy Convers Manag. 2014;87:504–12. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.07.047. Fayaz H, Nasrina R, Rahim NA, Hasanuzzamana M. Energy and exergy analysis of the PVT system: Effect of nanofluid flow rate. Solar Energy. 2018;169:217–30. https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.05.004. Okonkwo EC, Essien EA, Akhayere E, Abid M, Kavaz D, Ratlamwal TAH. Thermal performance analysis of a parabolic trough collector using waterbased green-synthesized nanofluids. Sol Energy. 2018;170:658–70. https://doi.org/10.1016/j.solener.2018.06.012. An W, Li J, Ni J, Taylor RA, Zhu T. Analysis of a temperature dependent optical window for nanofluid-based spectral splitting in PV/T power generation applications. Energy Convers Manag. 2017;151:23–31. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.08.080. Mousa OB, Taylor RA, Shirazi A. Multi-objective optimization of solar photovoltaic and solar thermal collectors for industrial rooftop applications. Energy Convers Manag. 2019;195:392–408. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.05.012. Fanaee SA, Rezapour M. The modeling of constant/variable solar heat flux into a porous coil with concentrator. J Solar Energy Eng (ASME). 2020;142(1):9. https://doi.org/10.1115/1.4044126. Radwan A, Ahmed M, Ookawara S. Performance enhancement of concentrated photovoltaic systems using a microchannel heat sink with nanofluids. Energy Convers Manag. 2016;119:289–303. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.04.045. Alobaida M, Hughesa B, Calautitb JK, O’Connora D, Heyes A. A review of solar driven absorption cooling with photovoltaic thermal systems. Renew Sustain Energy Rev. 2017;76:728–42. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.03.081. Abdallah SR, Saidani-Scott H, Abdellatif OE. Performance analysis for hybrid PV/T system using low concentration MWCNT (water-based) nanofluid. Solar Energy. 2019;181:108–15. https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.01.088. Hader M, Al-Kouz W. Performance of a hybrid photovoltaic/thermal system utilizing water-Al2O3 nanofluid and fins. Int J Energy Res. 2019;43:219–30. https://doi.org/10.1002/er.4253. Cummins BM, Chinthapatla R, Ligler FS, Walker GM. Time-dependent model for fluid flow in porous materials with multiple pore sizes. Anal Chem. 2017;89(8):4377–81. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.6b04717. Diersch H-JG. Finite element modeling of flow, mass and heat transport in porous and fractured media. Berlin: Springer; 2014. Furman EL, Finkelstein AB, Cherny ML. Permeability of aluminium foams produced by replication casting. Metals. 2013;3:49–57. https://doi.org/10.3390/met3010049. Bayomy AM, Saghir MZ. Heat transfer characteristics of aluminum metal foam subjected to a pulsating/steady water flow: experimental and numerical approach. Int J Heat Mass Transf. 2016;97:318–36. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.02.009. Bayomy AM, Saghir MZ. Experimental study of using c-Al2O3–water nanofluid flow through aluminum foam heat sink: comparison with numerical approach. Int J Heat Mass Transf. 2017;107:181–203. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.11.037. Dukhan N, Chen KC. Heat transfer measurements in metal foam subjected to constant heat flux. Exp Therm Fluid Sci. 2007. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2007.08.004. Anoop KB, Sundararajan T, Das SK. Effect of particle size on the convective heat transfer in nanofluid in the developing region. Int J Heat Mass Transf. 2009;52:2189–95. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2007.11.063. Xu H, Zhao C, Vafai K. Analytical study of flow and heat transfer in an annular porous medium subject to asymmetrical heat fluxes. Heat Mass Transf. 2017;53(8):2663–76. Awin Y, Dukhan N. Experimental performance assessment of metal-foam flow fields for proton exchange membrane fuel cells. Appl Energy. 2019;252:113458. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.113458. Chen X, Xia X, Sun C, Wang F, Liu R. Performance evaluation of a double-pipe heat exchanger with uniform and graded metal foams. Heat Mass Transf. 2019. https://doi.org/10.1007/s00231-019-02700-3. Ghahremannezhad A, Vafai K. Thermal and hydraulic performance enhancement of microchannel heat sinks utilizing porous substrates. Int J Heat Mass Transf. 2018;122:1313–26. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.02.024. Nield DA, Bejan A. convection in porous media. 3rd ed. New York: Springer; 2006. Bellos E, Tzivanidis C. Investigation of a nanofluid-based concentrating thermal photovoltaic with a parabolic reflector. Energy Convers Manag. 2019;180:171–82. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2018.11.008. Gu Y, Zhang X, Myhren JA, Han M, Chen X, Yuan Y. Techno-economic analysis of a solar photovoltaic/thermal (PV/T) concentrator for building application in Sweden using Monte Carlo method. Energy Convers Manag. 2018;165:8–24. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2018.03.043. Bellos E, Tzivanidis C, Nikolaou N. Investigation and optimization of a solar assisted heat pump driven by nanofluid-based hybrid PV. Energy Convers Manag. 2019;198:111831. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.111831. Electronics L. LG305N1C-B3. In: www.lg-solar.com, www.lgsolarusa.com, editors. U.S.A. Inc2014.