Охлаждение солнечных модулей с помощью наножидкостей на основе оксида графена
Аккумулятор TROJAN T105
Трехмерная осциллирующая тепловая трубка
Международная исследовательская группа разработала новую систему пассивного охлаждения солнечных модулей, в которой используется трехмерная осциллирующая тепловая трубка (3D-OHP) с различными комбинациями наножидкостей на основе гибридного оксида графена (GO) и двумерного карбида титана, известного как MXene (Ti3C2Tx).
Соединения MXene получили свое название из-за морфологии, напоминающей графен, и создаются путем селективного травления определенных атомных слоев в объемном кристалле, известном как MAX. В последнее время эти материалы также показали себя с лучшей стороны в использовании в фотоэлектрических технологиях благодаря своим уникальным оптоэлектронным свойствам, таким как высокая подвижность носителей заряда, отличная металлическая проводимость, высокий коэффициент оптического пропускания и настраиваемая работа выхода (WF).
«Главная новизна заключается в интеграции 3D-OHP с гибридной наножидкостью на основе графена и MXene без поверхностно-активных веществ для охлаждения городских фотоэлектрических систем и комплексной оценке их эффективности с точки зрения теплообмена, электроэнергетики, эксергии и экономики в реальных условиях на открытом воздухе, — рассказал автор исследования Махьяр Каргаран. — Насколько нам известно, это первое экспериментальное исследование, в котором 3D-OHP + графеновый MXene объединены для комплексной оценки городских фотоэлектрических систем».
Каргаран объяснил, что система пассивна, стабильна и не содержит поверхностно-активных веществ. «В настоящее время мы изучаем возможность одновременного использования нескольких установок 3D-OHP, двух или трех, для охлаждения больших фотоэлектрических панелей и оценки теплового режима нескольких установок, — добавил он. — Дальнейшие исследования включают оптимизацию геометрии и концентрации, интеграцию с фотоэлектрическими батареями и сравнение с другими передовыми наножидкостями и методами обработки поверхности».
OHP — это герметичная трубка, в которой жидкость и пар естественным образом перемещаются туда и обратно, перенося тепло из более горячей области в более холодную без использования насоса. В рамках этого исследования 3D-OHP был установлен на фотоэлектрический модуль мощностью 50 Вт с КПД 13,82%. Охлаждающее устройство было изготовлено из медной трубки с внутренним диаметром 2 мм и внешним диаметром 4 мм. Он состоял из семи витков и включал в себя три отдельных участка: испаритель диаметром 200 мм, адиабатическую зону диаметром 109 мм и конденсатор диаметром 200 мм.
Половина объема трубок была заполнена наножидкостями на основе деионизированной воды. В качестве добавок использовались графен, MXene или их смесь в соотношении 1:1 в концентрациях 0,1 и 0,2 % по массе. Таким образом, система 3D-OHP была протестирована с использованием графена, MXene и их смеси в обеих концентрациях и сравнена с эталонной фотоэлектрической панелью без охлаждения. Эксперименты проводились в августе в Мешхеде, на северо-востоке Ирана, при интенсивности солнечного излучения от 660 до 1090 Вт/м².
«Особенно примечательны два результата, — сказал Каргаран. — Во-первых, показатели превзошли ожидания: температура снизилась более чем на 24 °C, выходная мощность увеличилась на 14,9 % (с 42,1 Вт до 48,3 Вт), а КПД вырос с 10,02 % до 11,51 %». Во-вторых, несмотря на увеличение вязкости на 31 %, гибридная наножидкость сохранила превосходную стабильность и обеспечила высокую эксергетическую эффективность до 30,9 %, оставаясь при этом экономически конкурентоспособной: приведенная стоимость электроэнергии (LCOE) составила 0,083 доллара за кВт·ч, а приведенная стоимость хранения (LCOS) — 0,273 доллара за кВт·ч».
Система была представлена в статье «Гибридные наножидкости GO-MXene в трехмерных осциллирующих тепловых трубках для эффективного городского фотоэлектрического охлаждения: повышение энергоэффективности, эксергетической эффективности и экономической целесообразности», опубликованной в журнале Energy and Buildings. В исследовании приняли участие ученые из Сианьского университета науки и технологий в Китае, Исламского университета Азад в Иране, Тебризского университета, Техасского университета A&M в США и Лондонского университета Саут-Бэнк в Великобритании.