Migliorare il trasferimento di calore nel solare

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 9476 (2023) Citare questo articolo

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Lo scopo di questa ricerca è esplorare l’uso di navi a energia solare (SPS) come mezzo per ridurre le emissioni di gas serra e la dipendenza dai combustibili fossili nel settore marittimo. Lo studio si concentra sul miglioramento dell’efficienza del trasferimento di calore negli SPS impiegando nanofluidi ibridi (HNF) contenenti nanotubi di carbonio (CNT). Inoltre, viene proposto un nuovo approccio che utilizza energia rinnovabile e controllo elettromagnetico per migliorare le prestazioni dell'SPS. La ricerca implementa il modello non newtoniano del flusso di calore di tipo Maxwell e Cattaneo-Christov nei collettori solari parabolici utilizzati per le navi. Lo studio conduce esperimenti teorici e simulazioni per valutare la conduttività termica e la viscosità dell'HNF basato su CNT. Varie proprietà, tra cui la radiazione solare termica, la dissipazione viscosa, la velocità scivolosa e i mezzi porosi, vengono valutate per determinare l'efficacia del trasporto termico nell'SPS. La ricerca utilizza variabili di similarità per semplificare le complesse equazioni differenziali alle derivate parziali in equazioni differenziali ordinarie e le risolve utilizzando il metodo spettrale di collocazione di Chebyshev. I risultati indicano che il nanofluido ibrido MWCNT-SWCNT/EO migliora significativamente la conduttività termica, migliorando così il trasferimento di calore. L'HNF presenta un tasso di efficienza di circa l'1,78% con un tasso di efficienza minimo del 2,26%.

La domanda globale di energia continua ad aumentare, ma l’esaurimento dei combustibili fossili e il crescente costo delle fonti energetiche tradizionali, come l’elettricità, hanno portato negli ultimi anni gli scienziati a spostare la loro attenzione verso le energie rinnovabili1. Generare elettricità da fonti sostenibili è un modo ecologico di produrre energia poiché non rilascia gas serra. Al contrario, la combustione di combustibili fossili emette anidride carbonica nell’atmosfera, contribuendo al riscaldamento globale2. Inoltre, gli ambientalisti credono fermamente che l’utilizzo di risorse sostenibili possa avere un impatto significativo sulla riduzione dell’inquinamento da carbonio e sul rallentamento del tasso di riscaldamento globale3. Negli ultimi anni, l’energia solare è diventata un’opzione ampiamente discussa per l’energia sostenibile grazie alla sua accessibilità, alla mancanza di emissioni nocive e al minimo impatto ambientale, che la rendono una scelta molto attraente per la produzione di energia4. L’energia solare ha il più alto potenziale di utilizzo a lungo termine, accessibilità e il minor impatto negativo sull’ambiente tra tutte le fonti energetiche. Se utilizzata correttamente, questa fonte di energia ha il potenziale di generare circa quattro volte la quantità di energia attualmente utilizzata in tutto il mondo5. Studi recenti hanno dimostrato che si prevede che le emissioni globali di CO2 diminuiranno del 75% entro il 2050, rispetto ai livelli registrati nel 19856. Secondo uno studio condotto dal Dipartimento dell'Energia statunitense, la quantità di energia solare che raggiunge la superficie terrestre in bastano solo 90 minuti per soddisfare il fabbisogno energetico mondiale di un anno intero7. In un rapporto proveniente dagli Stati Uniti si è scoperto che l'energia solare può fungere da sostituto naturale di altre forme di energia. Inoltre, i sistemi di energia solare possono generare energia termica che può essere utilizzata per scopi di riscaldamento e raffreddamento. Pertanto, la preoccupazione principale ora è capire il modo più efficace per sfruttare l’energia solare.

Due metodi importanti per convertire la luce solare in elettricità sono attualmente ampiamente utilizzati e dovrebbero esserti familiari: i sistemi fotovoltaici (PV) e l’energia solare concentrata (CSE)8. I sistemi fotovoltaici hanno numerose applicazioni, tra cui (a) Generazione di elettricità per case e aziende9 (b) Fornitura di energia per veicoli spaziali e satelliti10 (c) Alimentazione di vari tipi di veicoli come automobili, autobus e barche e (d) Alimentazione di aree remote (RAPS) sistema costituito da generatori, lampioni e dispositivi di comunicazione wireless che forniscono elettricità ad aree situate lontano dai centri urbani. In breve, i sistemi fotovoltaici forniscono un modo ecologico, conveniente e che richiede poca manutenzione per produrre elettricità sostenibile e in grado di funzionare indipendentemente dalla rete elettrica. Un dispositivo fotovoltaico è costituito principalmente da un materiale semiconduttore che conduce l'elettricità attraverso gli elettroni. A differenza dei conduttori, che possono condurre un numero illimitato di elettroni, i semiconduttori possiedono proprietà uniche che consentono loro di regolare il flusso di elettroni. Questa caratteristica rende i semiconduttori componenti preziosi per i dispositivi fotovoltaici. Nel frattempo, CSP è un metodo per generare elettricità dai raggi del sole utilizzando superfici riflettenti o tecnologia ottica per concentrare e focalizzare la luce solare su un'area molto piccola. Questa luce solare concentrata viene convertita in calore, che può essere utilizzato per creare vapore che alimenta una turbina e genera elettricità11. Gli impianti CSP possono produrre grandi quantità di elettricità e sono particolarmente utili in aree con elevati livelli di radiazione solare. Inoltre, questi impianti possono essere costruiti su larga scala. Per generare elettricità dall'energia solare, viene utilizzata la tecnologia dell'energia solare concentrata che prevede la focalizzazione dei raggi del sole su una piccola area attraverso riflettori o ottiche. Questo processo crea calore che può poi essere utilizzato per produrre elettricità facendola passare attraverso un generatore elettrico. Tuttavia, è importante notare che non tutte le tecnologie si affidano agli specchi per concentrare la luce solare, poiché alcune utilizzano l’ottica o altri sistemi. Va inoltre tenuto presente che la conversione della luce solare in calore avviene attraverso un processo fisico chiamato assorbimento12. Secondo il rif13, le aree caratterizzate da climi secchi e caldi come la California e l’Arizona negli Stati Uniti favoriscono lo sviluppo di impianti più grandi che utilizzano energia solare concentrata. Questa forma di energia rinnovabile è preferita rispetto alle alternative non rinnovabili come i combustibili fossili per la sua ecocompatibilità e l’assenza di emissioni di inquinanti nocivi. In conclusione, l’energia solare è un’opzione pulita e sostenibile da preferire rispetto alle fonti energetiche tradizionali.