ננו-נוזלים בקולטי שמש

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

ננו-נוזלים בקולטי שמש הם מרכיב במערכת של קולט שמש הסופגים את האנרגיה של קרינת השמש באמצעות ננו-חלקיקים הנמצאים בתווך נוזלי המכונה "ננו-נוזל". הננו-נוזל יכול להתפזר ולקלוט את קרינת השמש בצורה טובה ויעילה, לכן קולטי שמש עם ננו נוזלים יעילים יותר מקולטי שמש קונבנציונליים. נמצא ששימוש בננו-נוזלים עבור חימום הוא מהיר ואפקטיבי, יותר מהעברת חום שגרתית במים ומלחים נוזליים. הננו-נוזלים סופגים ומפזרים את עוצמת קרינת השמש שעוברת דרכם בצורה יעילה יחסית לנוזלים אחרים.

ננו-נוזל הינו נוזל המכיל חלקיקים בגודל ננומטרי הנקראים ננו-חלקיקים. ננו-חלקיקים שנמצאים בננו-נוזל עשויים בדרך כלל ממתכות, תחמוצות, קרביד, וננו-צינורות פחמן [1]. ננו-נוזלים הם בעלי תכונות של קיבול והעברת חום ולכן הם בעלי פוטנציאל יישומי גבוה. הם גורמים לשיפור במוליכות התרמית ובמקדם העברת החום. הוספת ננו-נוזלים בקולטי שמש משפרת את העברת החום ועל ידי כך הופכת את עבודת קולט השמש ליעילה יותר.

רקע[עריכת קוד מקור | עריכה]

הפקת אנרגיה ממקורות מתחדשים היא אחת מהאתגרים הגדולים של המאה שלנו. כמות קרינת השמש, לאורך שעה על פני השטח של כדור הארץ, גדולה מצריכת האנרגיה שצורך האדם לאורך שנה. האתגר טמון ביעילות איסוף והמרת האנרגיה,אחת השיטות של איסוף האנרגיה היא על ידי קולטים סולריים. הסוג הנפוץ של קולט הוא סופג שחור, אשר תפקידו להמיר את אנרגיית השמש לאנרגיית חום ולעביר את החום לנוזל הזורם בצינורות של הקולט. במקרה זה היעילות מושפעת לא רק באיכות החום הנקלט אלא גם באופן העברתו. שיפור העברת החום יכול להתרחש על ידי שימוש בננו-נוזלים. אנרגיה סולארית היא אחד המקורות הטובים ביותר של אנרגיה מתחדשת שאינה מזהמת את הסביבה. קולטי שמש המשתמשים בקליטה ישירה של קרני השמש הוצעו עבור מגוון יישומים, כגון חימום מים, אך היעילות של קולטים אלה מוגבלת בשל קיבול חום נמוך של נוזל העבודה (מים). פיזור כמויות זעירות של ננו-חלקיקים לתוך נוזלי בסיס ידועים, הינם בעלי השפעה משמעותית על מאפיינים אופטיים, כמו גם על תכונות פיזיקליות של נוזלי הבסיס. מאפיינים אלו יכולים לשמש כדי ללכוד ולהעביר ביעילות את אנרגיית השמש. שיפור ביכולת הספיגה של עוצמת קרינת השמש מאפשרת להעברת חום גדולה יותר וכתוצאה מכך להעברת חום יעילה יותר.

מקדם העברת חום למול טמפרטורה. ניתן לראות שמקדם העברת החום גדל כאשר משתמשים בבנו-נוזלים בטמפרטורות נמוכות.(המקדם C שמופיע בחלק הימני של התמונה הוא מקדם נרמול התלוי בסוג הקולט, כך שלמשל עבור השיפוע החד ביותר יש צורך במקדם הגדול ביותר - קו אדום).

מנגנון פעולה[עריכת קוד מקור | עריכה]

מוליכות תרמית של מוצקים הינה גדולה יותר מנוזלים.[2] ,[3] יתרונם של נוזלים היא ביכולתם להסיעה את החום ממקום למקום על ידי תהליך של זרימה. נוזלים בשימוש נפוץ ביישומי העברת חום כגון: מים, אתילן גליקול, ושמן מנוע הינם בעלי מוליכות תרמית נמוכה בהשוואה למוליכות תרמית של מוצקים, בעיקר מתכות אך יתרונם ביכולת העתקת החום והסעתו. תוספת של חלקיקים מוצקים בנוזלים יכולה להגדיל את המוליכות התרמית של נוזלים. ניתן לראות בבגרף את המוליכות התרמית של נוזלים וכן של מוצקים (מתכות). לא ניתן להוסיף חלקיקים מוצקים גדולים עקב הבעיות העיקריות הבאות:

  • התערובות אינן יציבות ולכן מתרחשת שקיעה.
  • הנוכחות של חלקיקים מוצקים גדולים דורשת כוח שאיבה גדול ועלות גדולה.
  • חלקיקים מוצקים עשויים לעכל את קירות הערוץ.

בשל חסרונות אלה, שימוש של חלקיקים מוצקים לא הפך לאפשרי כמעט. התפתחות הננוטכנולוגיה אפשרה שימוש בננוחלקיקים בקוטר קטן יותר מ-10 ננומטר. נוזלים אלו בעלי מוליכות תרמית גבוהה יותר ידועים בתור הננו-נוזלים.

מקדם העברת חום של חומרים בהשוואה לננוחלקיק ננוצנוריות פחמן (9)

השוואת ביצועים (קולטים עם ובלי ננו-חלקיקים)[עריכת קוד מקור | עריכה]

בעשר השנים האחרונות, נערכו ניסויים רבים באופן נומרי ואנליטי כדי לאמת את החשיבות של הננו-נוזלים. מהטבלה הבאה[4] ניתן לראות באופן חד משמעי שקולטים המבוססים על הננו-נוזלים בעלי יעילות גבוהה יותר מקולטים קונבנציונליים. ההבדל המהותי בין הקולט הקונבנציונלי לבין הקולט המבוסס על ננו-נוזל טמון במצב של חימום הנוזל עליו מתבצעת העבודה. במקרה הראשון אור השמש נקלט על ידי משטח ואחר כך עובר לנוזל העבודה (דרך שלב ביניים) ובמקרה השני אור השמש נקלט באופן ישיר על ידי נוזל העבודה (דרך מוליך קרינה). המקלט אשר קולט את הקרינה מעביר את האנרגיה לננו-נוזל באמצעות פיזור וקליטה.

איור 3 -טבלת השוואת ביצועים

יתרונות השימוש בננו-נוזלים[עריכת קוד מקור | עריכה]

ננו-נוזלים בעלי היתרונות הבאים בהשוואה לנוזלים קונבנציונליים, אשר הופך אותם מתאימים לשימוש בקולטי שמש:

  • הננו-חלקיקים המומסים בנוזלים (ננו –נוזל) משפרים את המוליכות התרמית ומיעילים מערכות העברת חום. העברת החום וקיבול החום של הנוזל ניתן להתאמה על ידי שינוי בריכוז, גודל, צורה, סוג החומר של הננו-חלקיקים.
  • הננו-חלקיקים המומסים בנוזלים הם בעלי שטח פנים גדול ולכן מגדילים את קיבול חום של הנוזל.
  • תמיסה של ננו-חלקיקים יכולות לעבור דרך משאבות באופן אידאלי.
  • ננו-נוזל יכול להיות סלקטיבי מבחינה אופטית (ספיגה גבוהה בטווח השמש והספק קרינה סגולי נמוך בתווך האינפרא-אדום).

ראו גם[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ננוטכנולוגיה
  2. קולט שמש
  3. ננוחלקיק
  4. מוליכות תרמית
  5. ננו-צינורית פחמן

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ Dongsheng Wen and Yulong Ding. "Effective Thermal Conductivity of Aqueous Suspensions of Carbon Nano tubes (Carbon Nanotube Nanofluids)" Journal of Thermophysics and Heat Transfer, Vol. 18, No. 4 (2004), pp. 481-485". 
  2. ^ Dongsheng Wen, Yulong Ding. "Experimental investigation into the pool boiling heat transfer of aqueous based γ-alumina nanofluids Journal of Nanoparticle Research June 2005, Volume 7, Issue 2-3, pp 265-274". 
  3. ^ Min-Sheng Liu, Mark Ching-Cheng Lin, C.Y. Tsai, Chi-Chuan Wang. "Enhancement of thermal conductivity with Cu for nanofluids using chemical reduction method International Journal of Heat and Mass Transfer Volume 49, Issues 17–18, August 2006, Pages 3028–3033". 
  4. ^ Vikrant Khullar and Himanshu Tyagi. "Application of nano fluids as the working fluids in concentrating parabolic collector, Proceedings of the 37th National conferences Fluid mechanics and Fluid Power December 16-18, IIT Madras". 

...