Direk absorbsiyonlu güneş kollektörlerinde kullanılan nanoakışkanların-termofiziksel ve optik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of nano-fluid phsical and optical properties used in direct absorption solar collector
Yazar: JASIM MOHAMMAD ABID ABID
Danışman: PROF. DR. RAFET YAPICI ; DR. ÖĞR. ÜYESİ AMAR HASAN HAMEED
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yenilenebilir ve çevre dostu bir kaynak olarak güneş enerjisi, dünyanın enerji manzarasını (dağılımımı) şekillendirmede geleneksel fosil yakıtlara alternatif olarak büyük umut vaat etmektedir. Bu bağlamda, Konsantre Güneş Enerjisi (CSP) sistemleri, ısı transferi için gelen güneş radyasyonunu doğrudan emmek üzere tasarlanmış modern bir çevrim olarak ortaya çıkan Doğrudan Absorpsiyonlu Güneş Kollektörleri (DASC) ile güneş radyasyonundan yararlanır. Bu kollektörlerin absorpsiyon yeteneklerini ve genel ısı transfer verimliliğini optimize etmek için bu çalışma, nano ölçekli parçacıkların, fiziksel ve termal özelliklerini geliştirmek için kullanılan bir yöntem olan bu parçacıkların ısı transferi sıvılarının içine katılmasını araştırmaktadır.
Nanoakışkanların olağanüstü termal ve optik özellikleri, onlar çeşitli uygulamaları için büyük ilgi görmüştür. Bununla birlikte, bu sıvılar içindeki nanopartiküllerin stabilitesini korunması, çok önemli bir zorluk olmaya devam etmektedir. Optimum stabilitenin elde edilmesi, hazırlama işlemi sırasında sıcaklık, frekans, nanopartikül tipi, baz sıvı, hazırlama süresi ve çeşitli etkileyeci değişkenleri kapsayan birden fazla faktörün titizlikle değerlendirilmesini gerektirir.
Bu araştırma, nanoakışkanlar içindeki nanopartiküllerin stabilitesini elde etmeyi ve doğrulamayı amaçlayan bir dizi deney yürütürken, fiziksel ve termal özelliklerini kapsamlı bir şekilde incelemektedir. İki tür nanopartikül- bakır oksit (CuO) ve çok duvarlı karbon nanotüpler - viskozitesi değişik üç endüstriyel motor yağı (0W20, 5W30 ve 10W60) ve farklı konsantrasyonlarda damıtılmış su dahil olmak üzere dört farklı baz sıvının yanında kullanılmıştır. CuO'ya dayalı sıvılara kıyasla, MWCNT parçacıklarına dayalı nano sıvılar daha yüksek bir termal iletkenliğe sahiptir. Termal iletkenlik değeri, sırasıyla MWCNT ve CuO'ya dayalı sıvılar için %550 ve %250 artar.
Parçacık stabilitesinin değerlendirilmesi; zeta potansiyel analizi için Dinamik Işık Saçılımı (DLS), optik inceleme ve zaman içindeki potansiyel sedimantasyon eğilimlerini izlemek için spektral analiz (SPL) gibi çeşitli metodolojilerin kullanılmasını içerir.
Ayrıca, hem deneysel hem de ANSYS yazılımı kullanılarak yapılan numerik bir kapsamlı analizde, güneş kollektörlerinin performansı incelenmiş, nanoakışkan özellikleri ve bu sistemlerdeki etkinlikleri doğrulanmıştır. Sonuçlar, özellikle yüksek viskoziteli nano sıvılarla hazırlanan örneklerin çoğunda umut verici bir stabiliteyi ve nano partiküller olarak çok duvarlı karbon nanotüplerin tercih edilmesi gerektiğini göstermektedir. Ayrıca güneş kolektörlerinin performans kıyaslamaları, deneysel sonuçların simülasyon sonuçlarına neredeyse %66 oranında uyduğunu ortaya koymaktadır. Bu çalışma, verimli, uygun maliyetli ve hızlı yöntemler arayarak, çoğu sıvı için üstün stabilite sağlarken doğrudan absorpsiyonlu güneş kolektörlerinin verimliliğini optimize etmeyi amaçlamıştır. Deneysel sonuçlar ve simülasyonlar, nano sıvıların kullanımıyla güneş kolektörlerinin veriminin (13.00-14.00) saatleri arasında %53'e kadar arttığını göstermektedir.

Abstract:
Solar energy, as a renewable and environmentally friendly resource, holds immense promise as an alternative to traditional fossil fuels in shaping the world's energy landscape. Within this context, Concentrated Solar Power (CSP) systems harness solar radiation, with Direct Absorption Solar Collectors (DASC) emerging as a modern iteration designed to directly absorb incident solar radiation for heat transfer. To optimize these collectors' absorption capabilities and overall heat transfer efficiency, this study investigates the incorporation of nanoscale particles into heat transfer fluids, a method poised to enhance their physical and thermal properties.
The exceptional thermal and optical characteristics of nanofluids have drawn significant interest for their diverse applications. However, maintaining the stability of nanoparticles within these fluids remains a pivotal challenge. Achieving optimal stability necessitates meticulous consideration of multiple factors during the preparation process, encompassing temperature, frequency, nanoparticle type, base fluid, preparation duration, and various influencing variables.
This research conducts a series of experiments aimed at obtaining and verifying the stability of nanoparticles within nanofluids, while comprehensively studying their physical and thermal properties. Two types of nanoparticles – copper oxide (CuO) and multi-walled carbon nanotubes – were used alongside four different base liquids, including three industrial engine oils (0W20, 5W30 and 10W60) with varying viscosity and distilled water at different concentrations. Compared to liquids based on CuO, nanofluids based on MWCNT particles have a higher thermal conductivity. The thermal conduction rate increases by 550% and 250% for liquids based on MWCNT and CuO, respectively. Assessment of particle stability involves the use of various methodologies, such as Dynamic Light Scattering (DLS) for zeta potential analysis, optical examination, and spectral analysis (SPL) to monitor potential sedimentation trends over time.
Furthermore, in a comprehensive analysis conducted both experimentally and numerically using ANSYS software, the performance of solar collectors was examined, and their nanofluid properties and their effectiveness in these systems were verified. The results show a promising stability in most of the prepared samples, especially in high-viscosity nano-liquids and the preference of multi-walled carbon nanotubes as nanoparticles. In addition, experimental results reveal that solar collectors comply with theoretical expectations about their performance by almost 66%. This work aims to optimize the efficiency of direct absorption solar collectors while providing superior stability for most liquids by looking for efficient, cost-effective and fast methods. Experimental results and simulations show that with the use of nanoliquids, the efficiency of solar collectors increased by up to 53% during the period (13:00-14:00).