Домашняя охлаждающая панель на основе фотоэлектрических элементов и отработанного растительного масла

Аккумулятор Challenger G12-100H

Исследователи разработали систему, которая сочетает в себе фотоэлектрическую генерацию энергии, термоэлектрическое охлаждение и аккумулирование скрытой теплоты с использованием отработанного растительного масла. Они смоделировали оптимизированную систему с помощью различных моделей. Согласно результатам, одна панель может обеспечивать охлаждение на уровне 6–15 кВт⋅ч в день.

Исследовательская группа из Индийского технологического института имени Арупадай Виду смоделировала работу охлаждающих панелей, которые сочетают в себе фотоэлектрическую генерацию энергии, термоэлектрическое (ТЭ) охлаждение и аккумулирование скрытой теплоты. В системе используется отработанное растительное масло в качестве материала с фазовым переходом на биологической основе (PCM).

Охлаждающие панели для домов — это интегрированные в здание системы, которые поглощают и отводят тепло из помещений, помогая снизить температуру и уменьшить потребность в кондиционировании воздуха. Для хранения и высвобождения тепловой энергии в них могут использоваться такие технологии, как циркуляция воды, термоэлектрические устройства или материалы с фазовым переходом. В сочетании с фотоэлектрическими модулями они могут использовать электроэнергию, вырабатываемую солнечными батареями, для охлаждения с меньшим энергопотреблением.

«В нашем исследовании представлен подход к многовариантному моделированию гибридных охлаждающих панелей, работающих на солнечной энергии, с использованием отработанного растительного масла в качестве материала с фазовым переходом, — рассказала автор исследования Кирти Палраj в интервью. — Новизна заключается в том, что отходы превращаются в недорогой материал для хранения тепловой энергии, который можно использовать для экологичного охлаждения».

По словам Палрадж, наиболее важным выводом исследования является то, что PCM на основе отработанного растительного масла продемонстрировал эффективность в накоплении и охлаждении тепловой энергии, что указывает на его потенциал как экологически чистой альтернативы традиционным PCM. Она добавила, что команда планирует изучить долгосрочную эффективность материала в реальных климатических условиях и разработать улучшенные составы PCM.

Охлаждающая панель состоит из фотоэлектрического модуля, который является внешним слоем и преобразует поступающее солнечное излучение в электричество. Вырабатываемая электроэнергия напрямую питает термоэлектрический модуль, который термически связан с PCM на основе отработанного пальмового масла. Горячая сторона термоэлектрического модуля соединена с радиатором, который отводит тепло в окружающую среду.

В течение дня фотоэлектрический модуль вырабатывает электроэнергию для термоэлектрического модуля, который отводит тепло от терморегулирующего материала и накапливает охлаждающую способность в его слое. Ночью, когда солнечная энергия недоступна и термоэлектрический модуль не работает, терморегулирующий материал поглощает тепло из помещения, помогая поддерживать более низкую температуру в помещении за счет аккумулирования скрытой теплоты парообразования.

Исследователи смоделировали и оптимизировали систему с помощью трехуровневой системы многовариантного моделирования. Для оценки температуры на уровне системы, эффективности охлаждения и экономической целесообразности использовалась одномерная (0D) модель с сосредоточенными параметрами. Двумерная (2D) модель на основе метода конечных элементов (МКЭ) учитывала теплопередачу, фазовые переходы в жидкокристаллических дисплеях и тепловые взаимодействия. Результаты моделирования были использованы для обучения суррогатной модели на основе машинного обучения, что позволило быстро прогнозировать производительность и оптимизировать конструкцию.

Моделирование показало, что одна панель может обеспечить охлаждение на уровне от 6 до 15 кВт·ч в день, снизить пиковую температуру в помещении на 3 °C и сократить время охлаждения примерно на 3 часа.

Технико-экономический анализ показал, что срок окупаемости составляет от 3 до 4 лет, но при наличии льгот его можно сократить примерно до 2 лет. Анализ жизненного цикла показал, что срок окупаемости с точки зрения выбросов углерода составляет менее 2 лет, при этом панель позволяет сократить выбросы CO₂ примерно на 1,2 т в год и повторно использовать 40 кг отработанного растительного масла.

По мнению исследователей, в будущем работа должна быть сосредоточена на масштабируемых производственных системах, методологиях управления на основе искусственного интеллекта и совершенствовании технологий повышения эффективности PCM для повышения экономической целесообразности и долгосрочной устойчивости.

Результаты их исследования были представлены в статье «Многоуровневое моделирование гибридных охлаждающих панелей на солнечных батареях с использованием отработанного растительного масла в качестве материала с фазовым переходом», опубликованной в журнале Results in Engineering.