ננו-נוזלים בקולטי שמש
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 לשם 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 הוא נוזל המכיל חלקיקים בגודל ננומטרי הנקראים ננו-חלקיקים. ננו-חלקיקים שנמצאים בננו-נוזל עשויים בדרך כלל ממתכות, תחמוצות, קרביד, ננו-צינוריות 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. אנרגיה סולארית היא אחד המקורות הטובים ביותר של אנרגיה מתחדשת שאינה מזהמת את הסביבה. 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, שתפקידו 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. קולטי שמש המשתמשים בקליטה ישירה של קרני השמש הוצעו עבור מגוון יישומים, כגון חימום מים, אך היעילות של קולטים אלה מוגבלת בשל קיבול חום גבוה של נוזל העבודה (מים). לפיזור כמויות זעירות של ננו-חלקיקים לתוך נוזלי בסיס יש 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 מאפשר העברת חום גדולה יותר וכתוצאה מכך העברת חום יעילה יותר.
מנגנון פעולה
[עריכת קוד מקור | עריכה]המוליכות התרמית במוצקים גדולה יותר מנוזלים.[2][3] יתרונם של נוזלים הוא ביכולתם להסיע את החום ממקום למקום בתהליך של זרימה. לנוזלים בשימוש נפוץ ביישומי העברת חום, כגון מים, אתילן גליקול ושמן מנוע, 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 בגרף 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 של חלקיקי המוצק בנוזל.
- הנוכחות של חלקיקים מוצקים גדולים דורשת כוח שאיבה גדול ועלות גדולה.
- חלקיקים מוצקים עשויים לאכל, לסתום ולשחוק את הצנרת.
בשל חסרונות אלה, שימוש בחלקיקים מוצקים לא הפך לאפשרי כמעט. התפתחות הננוטכנולוגיה אפשרה שימוש בננו-חלקיקים בקוטר קטן מאשר 10 ננומטר. נוזלים אלו, בעלי מוליכות תרמית גבוהה יותר, ידועים בתור הננו-נוזלים.
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 הם 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.
יתרונות השימוש בננו-נוזלים
[עריכת קוד מקור | עריכה]ננו-נוזלים בעלי היתרונות הבאים בהשוואה לנוזלים קונבנציונליים, שהופכים אותם מתאימים לשימוש בקולטי שמש:
- הננו-חלקיקים המרחפים בנוזלים (ננו–נוזל) משפרים את המוליכות התרמית ומייעלים 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 אידיאלי.
- ננו-נוזל יכול להיות סלקטיבי מבחינה אופטית (ספיגה גבוהה בטווח קרינת השמש והספק קרינה סגולי נמוך בטווח האינפרא-אדום).
ראו גם
[עריכת קוד מקור | עריכה]הערות שוליים
[עריכת קוד מקור | עריכה]- ^ Dongsheng Wen and Yulong Ding (2004). "Effective Thermal Conductivity of Aqueous Suspensions of Carbon Nano tubes (Carbon Nanotube Nanofluids)". Journal of Thermophysics and Heat Transfer. 18: 481–485.
- ^ Dongsheng Wen, Yulong Ding. "Experimental investigation into the pool boiling heat transfer of aqueous based γ-alumina nanofluids". Journal of Nanoparticle Research June 2005. 7 (2–3): 265–274.
- ^ Min-Sheng Liu, Mark Ching-Cheng Lin, C.Y. Tsai, Chi-Chuan Wang (באוגוסט 2006). "Enhancement of thermal conductivity with Cu for nanofluids using chemical reduction method International". Journal of Heat and Mass Transfer. 49 (17–18): 3028–3033.
{{cite journal}}: (עזרה)תחזוקה - ציטוט: multiple names: authors list (link) - ^ 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.