بررسی تجربی تأثیر نانوسیال هیبریدی اکسید منیزیم و نانولوله‌های کربنی چندجداره بر افزایش بازده جذب انرژی تابشی خورشید

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه تربیت مدرس

چکیده

بازده جذب انرژی تابشی خورشید یکی از چالش‌های مهندسان در سامانه‌های خورشیدی است. استفاده از نانوسیال‌های هیبریدی که از پراکنده‌سازی دو یا چند نوع نانوذره در سیال پایه حاصل می‌شود، می‌توانند در جذب بهتر انرژی خورشیدی کارآمد باشند. در پژوهش حاضر، تأثیر نوع، غلظت و درصد اختلاط نانوذرات بر خواص تابشی و راندمان جذب انرژی تابشی خورشید بصورت تجربی مورد آزمایش قرار گرفته است. در ابتدا نانوسیال هیبریدی اکسید منیزیم و نانولوله کربنی چند جداره با سیال پایه آب به روش دومرحله‌ای در غلظت‌های حجمی 0/01%، 0/02% و 0/04% ساخته شده و سپس خواص تابشی نانوسیال‌ها بصورت تکی و هیبریدی توسط دستگاه اسپکتروفتومتر اندازه‌گیری شده و با روابط موجود مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه برای بدست آوردن راندمان جذب انرژی تابشی خورشید از دستگاه شبیه‌ساز خورشیدی استفاده شده است. نتایج نشان می‌دهد افزایش غلظت نانوسیال، سبب بهبود خواص تابشی و راندمان جذب تابش می‌شود. بهبود 38 برابری ضریب تخفیف نانوسیال اکسید منیزیم،40 برابری نانولوله کربنی چند جداره و حدود 50 برابری نانوسیال هیبریدی آن‌ها نسبت به سیال پایه بدست آمده است. نانوسیال هیبریدی در بالاترین غلظت آزمایش (0/04% حجمی) و در عمق نفوذ 0.3 سانتی‌متر بیش از 90% انرژی خورشید را جذب می‌کند. با افزایش غلظت، هیبریدی‌شدن نانوسیال و افزایش عمق نفوذ، جذب انرژی خورشیدی نیز افزایش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Experimental Study of the Effect of Magnesium Oxide and Multi-Walled Carbon Nanotubes Hybrid Nanofluid on Increasing the Absorption Efficiency of Solar Radiation

نویسندگان [English]

  • Roya Ghanbari 1
  • Mohammad Mahdi Heyhat 2
1 Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده [English]

The solar radiation absorption efficiency is one of the challenges for engineers in solar energy systems. Using the hybrid nanofluids, which are obtained by dispersing two or more types of nanoparticles in the base fluid, can be effective in better absorption of solar energy. In this study, the effect of type, concentration, and mixing percentage of nanoparticles on optical properties and solar thermal utilization efficiency has been tested. First, magnesium oxide nanofluids and multi-walled carbon nanotubes with water-based fluid were fabricated by a two-step method in volumetric concentrations of 0/01%%Vol, 0.02% Vol, and 0.04%Vol, and then the optical properties of single and hybrid forms were measured by spectrophotometer and have been compared by existing relations. Then, to obtain the solar thermal utilization efficiency, a solar simulator has been used. The results show that increasing the concentration of nanofluid, improves the optical properties and solar radiation absorption efficiency. Magnesium oxide nanofluid, multi-walled carbon nanotubes, and hybrid nanofluid have the values of extinction coefficient about 38, 40, and 50 times higher than pure water, respectively. The hybrid nanofluid absorbs more than 90% of the sun's energy at the highest concentration (0.04% Vol) and at a penetration depth of 0.3 cm. Solar energy absorption increases by increasing the concentration, hybridizing the nanofluid, and increasing the penetration distance.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Hybrid nanofluid
  • Magnesium oxide
  • Carbon nanotube
  • Optical properties
  • Solar-thermal utilization efficiency

مراجع

[1] H.M.F. Rabbi, A.Z. Sahin, B.S. Yilbas, A. Al-Sharafi, Methods for the Determination of Nanofluid Optical Properties: A Review, International Journal of Thermophysics, 42(1) (2021) 1-42.
[2] E. Sani, L. Mercatelli, S. Barison, C. Pagura, F. Agresti, L. Colla, P. Sansoni, Potential of carbon nanohorn-based suspensions for solar thermal collectors, Solar Energy Materials and Solar Cells, 95(11) (2011) 2994-3000.
[3] R.A. Taylor, P.E. Phelan, T.P. Otanicar, R. Adrian, R. Prasher, Nanofluid optical property characterization: towards efficient direct absorption solar collectors, Nanoscale research letters, 6(1) (2011) 225.
[4] T.B. Gorji, A. Ranjbar, A numerical and experimental investigation on the performance of a low-flux direct absorption solar collector (DASC) using graphite, magnetite and silver nanofluids, Solar Energy, 135 (2016) 493-505.
[5] A. Menbari, A.A. Alemrajabi, Y. Ghayeb, Experimental investigation of stability and extinction coefficient of Al2O3–CuO binary nanoparticles dispersed in ethylene glycol–water mixture for low-temperature direct absorption solar collectors, Energy Conversion and Management, 108 (2016) 501-510.
[6] N. Chen, H. Ma, Y. Li, J. Cheng, C. Zhang, D. Wu, H. Zhu, Complementary optical absorption and enhanced solar thermal conversion of CuO-ATO nanofluids, Solar Energy Materials and Solar Cells, 162 (2017) 83-92.
[7] M. Mehrali, M.K. Ghatkesar, R. Pecnik, Full-spectrum volumetric solar thermal conversion via graphene/silver hybrid plasmonic nanofluids, Applied energy, 224 (2018) 103-115.
[8] M. Valizade, M. Heyhat, M. Maerefat, Experimental comparison of optical properties of nanofluid and metal foam for using in direct absorption solar collectors, Solar Energy Materials and Solar Cells, 195 (2019) 71-80.
[9] J. Qu, R. Zhang, Z. Wang, Q. Wang, Photo-thermal conversion properties of hybrid CuO-MWCNT/H2O nanofluids for direct solar thermal energy harvest, Applied Thermal Engineering, 147 (2019) 390-398.
[10] W. Chen, C. Zou, X. Li, Application of large-scale prepared MWCNTs nanofluids in solar energy system as volumetric solar absorber, Solar Energy Materials and Solar Cells, 200 (2019) 109931.
[11] X. Li, G. Zeng, X. Lei, The stability, optical properties and solar-thermal conversion performance of SiC-MWCNTs hybrid nanofluids for the direct absorption solar collector (DASC) application, Solar Energy Materials and Solar Cells, 206 (2020) 110323.
[12] F. Yazdanifard, M. Ameri, R. Taylor, Investigation of using hybrid nanofluid-phase change material spectral splitter in photovoltaic/thermal system, Amirkabir Journal of Mechanical Engineering, 53(7) (2021) 19-19. (in persian)
[13] S. Mohan, A. Joseph, A. Poovathinkal, K. Akhilesh, J. Reji, J.N. Idicula, B. Vishnu, S. Sivapirakasam, Performance Evaluation of Linear Solar Collector Using Hybrid Nanofluid, in:  Innovative Design, Analysis and Development Practices in Aerospace and Automotive Engineering, Springer, 2021, pp. 465-472.
[14] S. Hazra, M. Michael, T. Nandi, Investigations on optical and photo-thermal conversion characteristics of BN-EG and BN/CB-EG hybrid nanofluids for applications in direct absorption solar collectors, Solar Energy Materials and Solar Cells, 230 (2021) 111245.
[15] J.P. Holman, Experimental methods for engineers,  (1966).
[16] S. Choudhary, A. Sachdeva, P. Kumar, Investigation of the stability of MgO nanofluid and its effect on the thermal performance of flat plate solar collector, Renewable Energy, 147 (2020) 1801-1814.
[17] A. International, Standard tables for reference solar spectral irradiances: direct normal and hemispherical on 37° tilted surface,  (2012).
[18] Y.A. Cengel, M.A. Boles, Thermodynamics: An Engineering Approach 6th Editon (SI Units), The McGraw-Hill Companies, Inc., New York, 2007.
[19] X. Zhang, H. Gu, M. Fujii, Effective thermal conductivity and thermal diffusivity of nanofluids containing spherical and cylindrical nanoparticles, Experimental Thermal and Fluid Science, 31(6) (2007) 593-599.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 54، شماره 5
مرداد 1401
صفحه 1101-1124

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار