광전지 냉각관 내 하이브리드 나노유체 흐름

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8202(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

이번 연구에서는 폐열을 활용하고 효율을 높이기 위해 열전 발전기(TEG) 레이어를 기존 PVT(광발전-열) 모듈 레이어와 결합했습니다. 셀 온도를 낮추기 위해 PVT-TEG 장치 하단에 냉각 덕트가 있습니다. 덕트 내부의 유체 유형과 덕트 구조에 따라 시스템 성능이 달라질 수 있습니다. 그래서 순수 물 대신 하이브리드 나노유체(Fe3O4와 MWCNT와 물의 혼합물)를 대체하고 3가지 다양한 단면 구성[STR1(원형), STR2(마름모형), STR3(타원형)]을 구현했습니다. 튜브를 통해 하이브리드 나노유체의 비압축성 층류 흐름을 풀었고, 패널의 고체층에서는 광학 분석을 통해 열원을 포함하는 순수 전도 방정식을 시뮬레이션했습니다. 시뮬레이션에 따르면 세 번째 구조(타원형)가 가장 좋은 성능을 가지며 입구 속도가 증가하면 전체 성능이 약 6.29% 향상됩니다. 동일한 비율의 나노입자를 사용하는 타원형 디자인의 열적 및 전기적 성능 값은 각각 14.56%와 55.42%입니다. 최적의 설계로 비냉각식 대비 약 16.2% 정도 전기효율이 향상됩니다.

에너지는 산업뿐만 아니라 사회의 국내 수요를 충족시키는 데에도 중요하기 때문에 어느 국가에서나 경제적으로 중요한 의미를 갖습니다. 이 에너지는 전기, 화학, 열 등 다양한 형태를 취할 수 있습니다. 전통적으로 화석연료는 이러한 에너지 수요를 충족시키기 위해 사용되어 왔지만 쉽게 보충될 수 없는 유한한 자원입니다. 인간이 화석 연료를 소비하는 속도는 자연적으로 대체되는 속도를 훨씬 초과합니다1. 따라서 화석 연료에 대한 지속 가능한 대안을 찾는 것은 장기적인 에너지 수요를 충족하는 데 필수적입니다. 지속가능한 에너지는 현재 상황에 긍정적인 변화를 가져올 수 있는 잠재력을 지닌 핵심 이슈입니다2. 화석 연료는 환경 오염에 기여할 뿐만 아니라 고갈 문제에도 직면해 있습니다. 따라서 이러한 자원이 환경에 미치는 영향을 줄이기 위해 증가하는 에너지 수요를 충족시키기 위해 재생 에너지에 대한 요구가 증가하고 있습니다. 태양 에너지 비용이 화석 연료보다 낮아지면서 화석 연료에 대한 수요가 감소하는 경향이 있습니다. 태양에너지는 태양에너지로부터 열과 전기를 생산하는 PVT(Photovoltaic Thermal) 장치를 포함한 다양한 시스템을 통해 활용될 수 있습니다3. PV 장치는 입사된 방사선을 전기로 변환하기 위해 적용되며 태양광의 전체 에너지 중 20%만 변환되고 나머지는 낭비됩니다4. 그러나 작동 온도가 상승하면 전환율이 감소할 수 있으며 이러한 온도 상승으로 인해 태양광 패널의 구조적 무결성이 손상될 수 있습니다5. PV 패널의 전기적 성능(Eel)을 향상시키려는 노력에는 작동 온도를 낮추는 작업이 포함되며, 이는 열 흡수 장치를 사용하여 달성할 수 있습니다. 연구자들은 셀 온도를 낮추기 위해 PVT 장치라는 방법을 연구했습니다6. PVT 시스템은 전기와 열의 동시 생성을 가능하게 합니다7,8. Elqady et al.9는 태양광 패널의 냉각 성능을 향상시키기 위해 방열판의 크기를 최적화하기 위한 연구를 조사했습니다. 그들의 연구 결과는 최적의 설계 지점을 갖춘 덕트를 식별한 후 3D 모델을 사용하여 PVT의 효율성을 평가했습니다. 달성된 최대 전력 성능은 17.45%로, 이는 일반적인 CPV/T 시스템에 비해 거의 40%에 달하는 상당한 개선을 보여줍니다. Raza 등10은 집중형 PV(CPV) 장치의 뒷면으로 사용할 고성능 복합 재료를 설계하기 위한 계산 방법론을 제시했습니다. 제안된 복합재는 유망한 잠재력을 보여주며 전기 출력이 4.3% 향상되고 모듈 내구성이 향상됩니다. Li 등11은 태양광 패널 냉각을 위한 새롭고 다양한 접근 방식을 제시했습니다. 그들은 제안된 시스템을 사용하면 PV의 성능이 약 19% 향상된다는 것을 발견했습니다.