ソーラーコレクターにおけるナノ流体

ナノ流体ベースの直接型ソーラーコレクターは、液体媒体内のナノ粒子が太陽放射を散乱および吸収できる太陽熱コレクターです。太陽エネルギーを効率的に分散させるため、最近注目を集めています。ナノ流体ベースのソーラーコレクターは、従来のソーラーコレクターと比較して、太陽放射エネルギーをより効率的に利用できる可能性があります。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] ナノ流体は最近、産業用途、マイクロチップの冷却、微細流体用途など、迅速かつ効果的な熱伝達を必要とする用途での関連性が見つかりました。さらに、水、エチレングリコール、溶融塩などの従来の熱伝達（太陽熱用途）とは対照的に、ナノ流体は太陽放射エネルギーを透明ではなく、代わりに、通過する太陽放射を大幅に吸収および散乱します。 [ 8 ] 典型的なソーラーコレクターは、黒色表面吸収体を用いて太陽熱エネルギーを集熱し、それを内部に埋め込まれたチューブ内を流れる流体に伝達します。この構成には様々な限界が発見されており、代替コンセプトが検討されています。その中でも、液体中に懸濁したナノ粒子の使用が研究対象となっています。アルミニウム、[ 9 ]銅、[ 10 ]カーボンナノチューブ[ 11 ]カーボンナノホーンなどのナノ粒子材料が、様々なベース流体に添加され、熱伝達効率を向上させる性能が評価されています。[ 12 ]

背景

図2：熱伝達係数の比較

微量のナノ粒子を一般的なベース流体に分散させると、ベース流体の光学的特性[ 13 ]および熱物理的特性に大きな影響を与え、主に熱伝導率が向上します。この特性を利用して、太陽放射を効果的に捕捉して輸送することができます。太陽光吸収能力の向上は、図 2 に示すように、より高い熱伝達につながり、より効率的な熱伝達につながります。太陽熱システムの効率は、いくつかのエネルギー変換ステップに依存しており、これらのステップは、熱伝達プロセスの有効性によって決まります。太陽エネルギーから熱エネルギーへの変換効率を高めることは可能ですが、改善が必要な主要なコンポーネントは、ソーラーコレクターです。理想的なソーラーコレクターは、集中した太陽放射を吸収し、入射する太陽放射の一部を熱に変換して、その熱を熱伝達流体に伝達します。流体への熱伝達率が高いほど出口温度が高くなり、温度が高いほど電力サイクルでの変換効率が向上します。ナノ粒子は、周囲の流体に熱を直接伝達する場合、熱伝達係数が数桁高くなります。これは、ナノ粒子のサイズが小さいためです。

ナノ流体の熱伝導率向上のメカニズム

ケブリンスキーら[ 14 ]は、ナノ流体の熱伝達の異常な増加について、主に以下の4つのメカニズムを挙げている。

ナノ粒子のブラウン運動

ブラウン運動により、粒子は液体中をランダムに移動します。そのため、熱伝達が向上します。当初は、ナノ粒子のブラウン運動に起因する流体運動が熱伝達特性の向上を説明できると考えられていましたが、この仮説は後に否定されました。

液体/粒子界面における液体層形成

液体分子は固体粒子の周囲に層を形成し、それによって界面領域における原子構造の局所的秩序を高めることができます。したがって、このような液体層の原子構造はバルク液体の原子構造よりも秩序立っています。

ナノ粒子のクラスタリング効果

クラスターの有効体積は、クラスターの充填率が低いため、粒子の体積よりもはるかに大きいと考えられます。このようなクラスター内では熱が急速に伝達されるため、高伝導相の体積分率は固体の体積よりも大きくなり、その結果、熱伝導率が増加します。

比較

過去 10 年間、ナノ流体の重要性を検証するために、数値的および解析的に多くの実験が行われてきました。

表1：従来の流体とナノ流体の比較

表1 [ 15 ]から、ナノ流体ベースのコレクターは従来のコレクターよりも効率が高いことがわかります。したがって、微量のナノ粒子を添加するだけで、従来のコレクターの性能を向上させることができることは明らかです。また、数値シミュレーションでは、ナノ粒子の体積分率と管の長さの増加に伴い平均出口温度が上昇し、流速の低下に伴い平均出口温度が低下することも観察されています。[ 15 ]

ソーラーコレクターにおけるナノ流体の使用の利点

ナノ流体は従来の流体に比べて以下の利点があり、ソーラーコレクターでの使用に適しています。

従来の集熱器とナノ流体ベースの集熱器の根本的な違いは、作動流体の加熱方法にあります。前者の場合、太陽光は表面によって吸収されますが、後者の場合、太陽光は（放射伝達を介して）作動流体に直接吸収されます。太陽光は集熱器に到達すると、散乱と吸収を介してナノ流体にエネルギーを伝達します。

参照

参考文献

  1. ^ a b Sreekumar, S.; Shah, N.; Mondol, J.; Hewitt, N.; Chakrabarti, S. (2022年2月). 「直接吸収型ソーラーコレクター向け広帯域吸収モノ、ブレンド、ハイブリッドナノ流体：包括的レビュー」 . Nano Futures . 103 (2): 504– 515. Bibcode : 2022NanoF...6b2002S . doi : 10.1088/2399-1984/ac57f7 . S2CID  247095942 .
  2. ^ Taylor, Robert A.; Otanicar, Todd; Rosengarten, Gary (2012). 「PV/Tシステムのためのナノ流体ベースの光フィルタ最適化」 . Light: Science & Applications . 1 (10): e34. Bibcode : 2012LSA.....1E..34T . doi : 10.1038/lsa.2012.34 .
  3. ^ Otanicar, Todd P.; Phelan, Patrick E.; Prasher, Ravi S.; Rosengarten, Gary; Taylor, Robert A. (2010年5月1日). 「ナノ流体ベースの直接吸収型ソーラーコレクター」 . Journal of Renewable and Sustainable Energy . 2 (3): 033102. doi : 10.1063/1.3429737 . 2022年12月2日閲覧。
  4. ^ Taylor, Robert A.; Phelan, Patrick E.; Otanicar, Todd P.; Walker, Chad A.; Nguyen, Monica; Trimble, Steven; Prasher, Ravi (2011年3月1日). 「高フラックスソーラーコレクターにおけるナノ流体の適用性」 . Journal of Renewable and Sustainable Energy . 3 (2): 023104. doi : 10.1063/1.3571565 . 2022年12月2日閲覧。
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  15. ^ a b Vikrant Khullar & Himanshu Tyagi. 「集光型パラボリックコレクターにおける作動流体としてのナノ流体の応用」、第37回流体力学・流体動力全国会議議事録、12月16～18日、インド工科大学マドラス校。{{cite journal}}:ジャーナルを引用するには|journal=（ヘルプ）が必要です

さらに読む

  • Sarit K. Das; Stephen US Choi; Wenhua Yu; T. Pradeep (1980-01-01)、Nanofluids: Science and Technology、Wiley、ISBN 9780891165224
  • Buongiorno, J. (2006年3月). 「ナノ流体の対流輸送」. Journal of Heat Transfer . 128 (3): 240. doi : 10.1115/1.2150834 .
  • Kakaç, Sadik; Anchasa Pramuanjaroenkij (2009). 「ナノ流体による対流伝熱促進に関するレビュー」. International Journal of Heat and Mass Transfer . 52 ( 13–14 ): 3187–3196 . Bibcode : 2009IJHMT..52.3187K . doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.02.006 .
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