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Sep 04, 2023

Análise energética, exergética e econômica (3E) de planos

Relatórios Científicos volume 13,

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 411 (2023) Citar este artigo

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O uso da energia solar é uma das estratégias mais proeminentes para enfrentar os desafios atuais de gerenciamento de energia. A energia solar é utilizada em vários setores residenciais através de coletores solares de placas planas. A eficiência térmica dos coletores solares de placa plana é melhorada quando os fluidos de transferência de calor convencionais são substituídos por nanofluidos porque oferecem propriedades termofísicas superiores aos fluidos de transferência de calor convencionais. Produtos químicos concentrados são utilizados em técnicas convencionais de síntese de nanofluidos, que produzem bi-produtos tóxicos perigosos. A presente pesquisa investiga os efeitos de novos nanotubos de carbono-água tratados com ácido gálico funcionalizado covalentemente verde no desempenho de coletores solares de placa plana. GAMWCNTs são altamente estáveis ​​no fluido base, de acordo com técnicas de análise de estabilidade, incluindo espectroscopia ultravioleta-visível e potencial zeta. A avaliação experimental mostra que as propriedades termofísicas do nanofluido são melhores do que as da água deionizada do fluido base. A energia, exergia e análise econômica são realizadas usando concentrações de 0,025%, 0,065% e 0,1% em peso de GAMWCNT-água em vazões de massa variadas 0,010, 0,0144, 0,0188 kg/s. A introdução do nanofluido GAMWCNT melhorou o desempenho térmico dos coletores solares de placa plana em termos de eficiência energética e exergética. Há um aumento na eficiência com o aumento do fluxo de calor, taxa de fluxo de massa e concentração de peso, mas um declínio é visto quando a temperatura de entrada aumenta. De acordo com as descobertas experimentais, a maior melhoria na eficiência energética é de 30,88% para uma concentração de peso de 0,1% do nanofluido GAMWCNT a 0,0188 kg/s em comparação com o fluido de base. A eficiência exergética do coletor aumenta com o aumento da concentração de peso e diminui com o aumento da vazão. A maior eficiência exergética é alcançada com concentração de GAMWCNT de 0,1% e taxa de fluxo de massa de 0,010 kg/s. Os nanofluidos GAMWCNT têm valores mais altos para o fator de atrito em comparação com o fluido base. Há um pequeno incremento no poder de bombeamento relativo com o aumento da concentração de peso do nanofluido. Valores de índice de desempenho superiores a 1 são alcançados para todas as concentrações de GAMWCNT. Quando o coletor solar térmico é operado a 0,0188 kg/s e 0,1% de concentração de peso do nanofluido GAMWCNT, a maior redução de tamanho, 27,59%, é alcançada em comparação com um coletor solar de placa plana com água como fluido de transferência de calor.

A população mundial e o consumo de energia estão se expandindo rapidamente. A industrialização e a globalização das culturas humanas modernas são as principais causas desse aumento no consumo de energia. A Agência Internacional de Energia prevê que, até o final de 2040, o consumo global de energia crescerá cerca de 30%1. Os combustíveis fósseis atendem a 86% da demanda mundial de energia2. As reservas mundiais de combustíveis fósseis estão se esgotando rapidamente e o meio ambiente está severamente poluído. O desafio na era atual é atender às demandas de energia sem degradar ainda mais o meio ambiente. O Objetivo de Desenvolvimento Sustentável 7 torna-se um desafio que enfrenta todos os países e afeta a todos. O objetivo fundamental do Objetivo de Desenvolvimento Sustentável 7 é alcançar energia econômica, limpa, eficiente, confiável e acessível a todas as pessoas. Como os recursos energéticos convencionais são finitos, a busca por fontes alternativas de energia tem se intensificado em todo o mundo. Os recursos de energia renovável provaram que podem atender à necessidade de energia limpa3.

Devido à sua acessibilidade e disponibilidade, a energia solar está em maior demanda do que outros recursos de energia renovável. A energia solar pode ser utilizada de diversas formas. O calor solar pode ser utilizado para várias aplicações, incluindo aquecimento de ambientes, água quente doméstica, resfriamento e até aquecimento de processos4,5. A coleta e conversão de energia solar é um foco fundamental neste setor de energia. A energia do sol pode ser facilmente captada e convertida em energia térmica ou elétrica. Diferentes equipamentos e tecnologias, como coletores fotovoltaicos e solares térmicos, podem realizar esse processo de conversão de energia. Os coletores solares empregam um fluido de troca de calor para converter a energia solar em energia térmica. A placa absorvedora do coletor capta a energia solar e a transfere para o fluido absorvedor, aumentando sua energia interna, que posteriormente pode ser utilizada para diversas finalidades. Coletores solares de placa plana (FPSC) sem concentração óptica são utilizados na faixa de temperatura de 40 a 100 °C. Eles são adequados para aplicações domésticas devido à sua simplicidade, facilidade de manutenção e custos operacionais mínimos. O FPSC tem eficiência e temperatura de saída relativamente baixas. Materiais, design6, revestimento na placa coletora7, ângulo de inclinação8, condições climáticas9 e fluido de trabalho10 são fatores que influenciam a eficácia dos coletores solares de placa plana. Substituir um fluido de maior condutividade térmica por água pura (que serve como fluido de trabalho) é uma das maneiras mais fáceis e eficazes de melhorar a eficiência.