ハイブリッドPV/Tソーラーシステムにおけるイオン液体/MXeneナノ流体の熱物性とエネルギー効率の改善

Improved Thermophysical Properties and Energy Efficiency of Aqueous Ionic Liquid/MXene Nanofluid in a Hybrid PV/T Solar System.

• Likhan Das
• Khairul Habib
• R Saidur
• Navid Aslfattahi
• Syed Mohd Yahya
• Fazlay Rubbi

抄録

近年、太陽エネルギー技術は新興国の端境期を迎えています。化石燃料の希少性と環境への悪影響から、化石燃料に代わる電源を開発するための絶え間ない研究が主な原動力となっています。また、ナノ流体は、過去数十年にわたり、太陽電池技術における優れた伝熱流体として大きな関心を集めてきました。本研究では、イオン液体（IL）＋水をベースとしたイオナノ流体の二元溶液に、二次元のMXene（TiC）ナノ添加剤を0.05, 0.10, 0.20 wt %の3つの異なる濃度で配合し、最適な濃度を用いてハイブリッド太陽光発電/太陽電池システムの性能を確認することに成功しました。MXeneの層状構造と調製したナノ流体の高い吸光度は、それぞれSEMとUV-visによって認識された。レオメーターとDSCは、それぞれ粘度と熱容量を評価するために使用され、一方で、熱伝導率測定のために過渡熱線技術を使用しています。その結果、MXeneを0.20wt%添加した場合、熱伝導率は47%の最大改善が観測された。さらに、TiCを添加した場合の粘度は、濃度を変えてもほとんど上昇しないことがわかった。逆に、温度が20℃から60℃に上昇すると粘度は大幅に低下することがわかった。しかし、それらの熱物性に基づいて、0.20wt%が最適な濃度であることがわかった。PV/Tシステムにおける3つの異なるナノ流体を用いた伝熱性能の観点からの比較分析では、IL+水/アルミナ、パーム油/MXene、および水単独と比較して、IL+水/MXeneイオナノ流体が最高の熱効率、電気効率、および全体的な伝熱効率を示すことが示されている。また、IL+水/アルミナ、パーム油/MXeneを用いた場合には、水/アルミナ、パーム油/MXeneと比較して、電気効率が最大13.95%、熱効率が最大81.15%となり、伝熱係数も12.6%、パーム油/MXeneと比較して2%増加することが明らかになった。結論として、MXeneを分散させたイオナノ流体は、熱伝達率を大幅に向上させることができ、システム効率を向上させることができるため、熱伝達アプリケーションの分野で大きな可能性を秘めていることが実証された。

In recent years, solar energy technologies have developed an emerging edge. The incessant research to develop a power source alternative to fossil fuel because of its scarcity and detrimental effects on the environment is the main driving force. In addition, nanofluids have gained immense interest as superior heat transfer fluid in solar technologies for the last decades. In this research, a binary solution of ionic liquid (IL) + water based ionanofluids is formulated successfully with two dimensional MXene (TiC) nano additives at three distinct concentrations of 0.05, 0.10, and 0.20 wt % and the optimum concentration is used to check the performance of a hybrid solar PV/T system. The layered structure of MXene and high absorbance of prepared nanofluids have been perceived by SEM and UV-vis respectively. Rheometer and DSC are used to assess the viscosity and heat capacity respectively while transient hot wire technique is engaged for thermal conductivity measurement. A maximum improvement of 47% in thermal conductivity is observed for 0.20 wt % loading of MXene. Furthermore, the viscosity is found to rise insignificantly with addition of TiC by different concentrations. Conversely, viscosity decreases substantially as the temperature increases from 20 °C to 60 °C. However, based on their thermophysical properties, 0.20 wt % is found to be the optimum concentration. A comparative analysis in terms of heat transfer performance with three different nanofluids in PV/T system shows that, IL+ water/MXene ionanofluid exhibits highest thermal, electrical, and overall heat transfer efficiency compared to water/alumina, palm oil/MXene, and water alone. Maximum electrical efficiency and thermal efficiency are recorded as 13.95% and 81.15% respectively using IL + water/MXene, besides that, heat transfer coefficients are also noticed to increase by 12.6% and 2% when compared to water/alumina and palm oil/MXene respectively. In conclusion, it can be demonstrated that MXene dispersed ionanofluid might be great a prospect in the field of heat transfer applications since they can augment the heat transfer rate considerably which improves system efficiency.