В работе рассматривается математическое моделирование интенсивности солнечного излучения внутри солнечного коллектора прямого поглощения с наножидкостью в качестве теплоносителя. Цель исследования – на основе моделирования процессов внутри наножидкостного солнечного коллектора прямого поглощения выполнить расчет интенсивности солнечного излучения внутри коллектора, провести вычислительные эксперименты по установлению зависимости интенсивности солнечного излучения от материалов базовой жидкости и диспергированных в ней частиц. Для решения поставленной задачи использованы методы математического моделирования и вычислительной математики. Разработана математическая модель, основанная на уравнении ослабления светового потока в наножидкости, учитывающем рэлеевское рассеяние. В ходе работы проведены численные эксперименты, реализованные с использованием авторского программного комплекса, позволяющие исследовать зависимость интенсивности солнечного излучения от глубины коллектора, спектральных характеристик излучения и параметров наночастиц. Результаты численного моделирования показали, что материал и размер наночастиц, а также их объемная доля оказывают значительное влияние на поглощение солнечного излучения. Установлено, что применение наножидкостей с высоким коэффициентом поглощения позволяет повысить эффективность поглощения солнечной энергии и оптимизировать параметры солнечного коллектора. Данные результаты могут быть использованы при проектировании высокоэффективных солнечных энергетических систем.
The paper considers mathematical modeling of solar radiation intensity inside a direct absorption solar collector with a nanofluid as a heat carrier. The purpose of the study is to calculate the solar radiation intensity inside the collector based on modeling of processes inside a direct absorption nanofluid solar collector, to conduct computational experiments to establish the dependence of solar radiation intensity on the materials of the base fluid and the particles dispersed in it. To solve the problem, methods of mathematical modeling and computational mathematics were used. A mathematical model was developed based on the equation of attenuation of the luminous flux in a nanofluid, taking into account Rayleigh scattering. In the course of the work, numerical experiments were carried out using the author’s software package, allowing us to study the dependence of solar radiation intensity on the collector depth, spectral characteristics of radiation and nanoparticle parameters. The results of numerical modeling showed that the material and size of nanoparticles, as well as their volume fraction, have a significant effect on the absorption of solar radiation. It has been established that the use of nanofluids with a high absorption coefficient allows increasing the efficiency of solar energy absorption and optimizing the parameters of the solar collector. These results can be used in the design of highly efficient solar energy systems.
1. Gaur A.S., Fitiwi D.Z., Curtis J. Heat pumps and our low-carbon future: A comprehensive review // Energy Research & Social Science. 2021. Vol. 71. P. 101764. DOI: 10.1016/j.erss.2020.101764.
2. Gorji T.B., Ranjbar A.A. Thermal and exergy optimization of a nanofluid-based direct absorption solar collector // Renewable Energy. 2017. Vol. 106. P. 274–287. DOI: 10.1016/j.renene.2017.01.031.
3. Balakin B.V., Kosinska A., Kutsenko K.V., Zhdaneev O.V. Direct absorption solar collector with magnetic nanofluid: CFD model and parametric analysis // Renewable Energy. 2019. Vol. 136. P. 23–32. DOI: 10.1016/j.renene.2018.12.095.
4. Nguyen L.V., Kosinski P., Balakin B.V., Kosinska A. Direct absorption solar collector: Use of nanofluids and biodegradable colloids // International Journal of Thermal Sciences. 2023. Vol. 190. P. 108292. DOI: 10.1016/j.ijthermalsci.2023.108292.
5. Struchalin P.G., Yunin V.S., Kutsenko K.V., Nikolaev O.V., Vologzhannikova A.A., Shevelyova M.P., Gorbacheva O.S., Balakin B.V. Performance of a tubular direct absorption solar collector with a carbon-based nanofluid // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2021. Vol. 179. P. 121717. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.
6. Said Z., Hachicha A.A., Aberoumand S., Yousef A.A., Sayed E.T., Bellos E. Recent advances on nanofluids for low to medium temperature solar collectors: energy, exergy, economic analysis and environmental impact // Progress in Energy and Combustion Science. 2021. Vol. 84. P. 100898. DOI: 10.1016/j.pecs.2020.100898.
7. Pandey K.M., Chaurasiya R. A review on analysis and development of solar flat plate collector // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. Vol. 67. P. 641–650. DOI: 10.1016/j.rser.2016.09.078.
8. Sarsam W.S., Kazi S.N., Badarudin A. A review of studies on using nanofluids in flat-plate solar collectors // Solar Energy. 2015. Vol. 122. P. 1245–1265. DOI: 10.1016/j.solener.2015.10.032.
9. Вихтенко Э.М., Манжула И.С. Программный комплекс для проведения математического моделирования интенсивности солнечного излучения внутри наножидкостного солнечного коллектора прямого поглощения // Перспективы науки. 2024. № 5 (176). С. 105–111.
10. Vital С.V.P., Farooq S., de Araujo R.E., Rativa D., Gómez-Malagón L.A. Numerical assessment of transition metal nitrides nanofluids for improved performance of direct absorption solar collectors // Applied Thermal Engineering. 2021. Vol. 190. P. 116799. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2021.116799.
11. Pilkington S., Norton B. Optical design of collimators for solar concentrators // Solar Energy. 2007. № 81 (2). С. 218–224.
12. Tyagi H., Phelan P., Prasher R. Predicted Efficiency of a Low-Temperature Nanofluid-Based Direct Absorption Solar Collector // Journal of Solar Energy Engineering. 2009. Vol. 131, Is. 4. DOI: 10.1115/1.3197562.
13. MiePlot. A computer program for scattering of light from a sphere using Mie theory & the Debye series. [Электронный ресурс]. URL: http://www.philiplaven.com/mieplot (дата обращения: 20.02.2025).
14. Придворов В.В., Манжула И.С. Исследование зависимости интенсивности светового потока от свойств среды, используемой в качестве базовой жидкости в солнечном коллекторе прямого поглощения // ТОГУ-Старт: фундаментальные и прикладные исследования молодых. Материалы региональной научно-практической конференции. Хабаровск. 2022. С. 48–57.
15. Sheikholeslami M., Farshad S.A., Ebrahimpour Z., Said Z. Recent progress on flat plate solar collectors and photovoltaic systems in the presence of nanofluid: A review // Journal of Cleaner Production. 2021. Vol. 293. P. 126119. DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.126119.