Ricerca scientifica propone di ridurre le temperature dei moduli fotovoltaici-termici con ferro e ossido di rame

Un gruppo internazionale di scienziati ha proposto di utilizzare nanofluidi a base di ossido di rame (CuO) e ossido di ferro (Fe2O3) per raffreddare le temperature di esercizio degli impianti fotovoltaici-termici (PVT).

“Il presente studio offre una valutazione dell’energia e dell’exergia per un sistema PVT considerando le leggi termodinamiche utilizzando nanofluidi di CuO e Fe2O3 a diverse frazioni volumetriche, fatti circolare in uno scambiatore di calore posto sul retro del modulo fotovoltaico” hanno dichiarato i ricercatori, precisando che la loro analisi si è basata su un modello numerico 2D sviluppato con il software MATLAB.

L’impianto sperimentale è stato costituito da un modulo fotovoltaico da 50 W e da un modulo PVT da 50 W che si appoggiava a uno scambiatore di calore con tubi a serpentina posti su una piastra assorbente in rame. Nel mezzo, il gruppo ha utilizzato un grasso termico ad alta conducibilità e spessore, mentre lo scambiatore di calore è stato ricoperto da uno strato isolante. Il lato posteriore del PVT è stato coperto con una lastra di alluminio per ridurre al minimo la dissipazione del calore.

“Un serbatoio d’acqua di raffreddamento con una capacità di 35 litri viene utilizzato per raffreddare il nanofluido in uscita facendolo circolare in una bobina posta nel serbatoio d’acqua per dissipare la temperatura” ha dichiarato il gruppo. “Il modulo fotovoltaico e i sistemi PVT sono stati fissati con un angolo di inclinazione di 14,8 gradi sull’area aperta del tetto”.

Sia il CuO che il Fe2O3 sono stati prima sintetizzati e poi aggiunti all’acqua deionizzata (DI) per creare il nanofluido. In entrambi i casi, il nanofluido conteneva CuO e Fe2O3 in frazioni di volume dello 0,2% e dello 0,3%. Il sistema è stato misurato nella città di Miskolc, nel nord-est dell’Ungheria, dalle 8:30 alle 15:00. Le condizioni e i sistemi sono stati ricreati nel modello numerico per la compressione.

“È stato osservato un buon accordo tra i calcoli numerici e le misurazioni sperimentali, con lievi deviazioni dovute alle incertezze delle misurazioni e alle ipotesi del modello numerico” hanno affermato gli scienziati. “Le NRs di Fe2O3 e le NPs di Cuo sintetizzate con successo hanno migliorato l’efficacia dei nanofluidi, riducendo positivamente la temperatura delle celle fotovoltaiche e migliorando l’energia e l’exergia”.

Per entrambi i nanofluidi, i risultati migliori sono stati ottenuti con frazioni di volume dello 0,3%. Il CuO è stato in grado di ridurre la temperatura delle celle fotovoltaiche del 23,49% e il Fe2O3 del 34,58%. Hanno anche aumentato l’efficienza elettrica rispettivamente del 9,21% e del 10,30%. “La temperatura delle celle fotovoltaiche si è ridotta con l’aumentare della sospensione del nanomateriale nel fluido ospite, aumentando l’efficienza elettrica di circa il 9,2% e l’11,18% quando sono state raffreddate con i nanofluidi CuO e Fe2O3, rispettivamente, più del raffreddamento ad acqua, che ha raggiunto il 6,12%”, hanno sottolineato.

“La circolazione dei nanofluidi CuO e Fe2O3 nello scambiatore di calore ha aumentato l’assorbimento di temperatura dal lato posteriore del modulo fotovoltaico, incrementando l’efficienza termica di circa il 38,92% e il 43,3%, mentre il raffreddamento con acqua di rete ha migliorato l’efficienza solo del 23%”, hanno concluso gli studiosi. “Il raffreddamento con nanofluidi ha influenzato le perdite di energia e la generazione di entropia più del raffreddamento con acqua. L’aumento maggiore della distruzione di energia è stato del 26,06%, mentre la generazione di entropia è stata ridotta del 68,15% quando il raffreddamento è stato effettuato con il nanofluido Fe2O3. Al contrario, il raffreddamento con il nanofluido CuO ha aumentato la distruzione di energia e ridotto la generazione di entropia del 15,43% e del 51,72%”.

I risultati della ricerca sono stati presentati nell’articolo “Experimental and numerical study of a photovoltaic/thermal system cooled by metal oxide nanofluids” pubblicato sull’Alexandria Engineering Journal. Il gruppo di ricerca ha accolto accademici dell’Università ungherese di Miskolc, dell’Università tecnica meridionale dell’Iraq, dell’Università di Misan e dell’Università per il petrolio e il gas.