文摘
淡水短缺是增加全球的许多地方;为了满足这种需求,海水淡化是最好的选择,电能消费升级是由于城市化和工业化。可持续生产的电力和淡水可以通过一个集成photovoltaic-thermal (PVT)模块加强太阳能仍然(SSS)。目前的研究主要集中在理论建模PVT-SSS海水淡化系统热效率评价、能源效率、淡水生产力和电力生产。太阳仍然生产力将受到水的深度,绝缘厚度、玻璃覆盖材料、厚度和倾向,和操作等因素预热输入供水和水的盐度。比较分析了的夏天,冬天,和多雨的气候条件Vellore镇(12.9165°N, 79.1325°E),泰米尔纳德邦。在目前的工作,基于质量和能量平衡是一个热力学模型为PVT-SSS开发系统,并通过数值方法解决。采用四阶龙格-库塔技术使用Python程序解决热力学仿真模型。模型得到的结果描述,夏天,冬天,和多雨的气候季节,PV / T-SSS决心的淡水生产率是12.18公斤/米2天,6.67公斤/米2天,2.77公斤/米2的一天。另外,是发现电效率的夏天,冬天,雨季是8.91%,9.135%,和9.53%,分别。最大和最小淡水生产1668公斤/米2和1218公斤/米2是观察的深度2厘米、5厘米。
1。介绍
淡水短缺是大多数发展中国家遇到的关键问题。淡水是用于各种活动,包括饮用和清洗。水也是用来发电和农业灌溉。河流和湖泊淡水的主要来源,约占世界上2%的总供水。在全世界范围内,大约有4亿立方米的淡水被冻结在冰川,冰帽,和积雪,离开我们只有约0.6%的淡水可供消费,这是不足以满足整个人口的需求。淡水并不总是容易获得对人类消费:从河流中提取大量(特别是在干燥的地方)可能很困难,和地下水开采会破坏海洋生物通过改变海洋盆地盐的水平。专家还担心未来气候变化可能导致更少的降雨和过度使用地下水,可能导致前所未有的全球淡水储备的消耗。到2025年,世界人口预计将跨越80亿人,导致对淡水资源的需求增长了56%。由于淡水资源,如此低的可用性有18个国家超过一半的人口居住在缺水的地方是一个日常的问题(1]。由于城市化和人口增长所带来的用水需求上升,地下水的水平正在下降。鉴于印度海岸相对漫长的东西方,海水淡化厂有很多潜力和空间扩张(2]。全世界约有7.5亿人无法获得干净的饮用水(3]。82%的人无法获得饮用水居住在农村地区,而18%在城市地区。数以百万计的发展中45个国家的农村地区的妇女和儿童从遥远的每天花1.4亿小时取水,经常肮脏的来源,包括那些使用地下水和其他自然水源的饮用水(3,4]。综合能源系统是一个快速修复国家的电力和能源短缺和为社会提供一些积极成果。此外,它可以减少对电的依赖日常必需品(5]。
除了淡水,电力需求稳步增加在国家政治场景(步骤)。将会有一个轻微的转变,从煤炭和可再生能源将增加从2020年的不到30%的生产超过2030年的40%。履行所有承诺宣布将导致进一步的40%增加到2050年的电力需求:加快转变煤炭生产混合和增加可再生能源的份额到2030年约为45% (6]。
最重要的全球问题之一的21世纪是保护环境和气候。清洁能源和能源效率这个问题可能的解决方案。热泵是一种古老的技术,常用于家庭和工业热的目的。此外,热泵是一种节能的方式为企业来满足他们的热水需求(7]。
作为一个小说,并承诺高效太阳能的使用方法,光照效果用于集成热电联产的淡水和电力。灵活MnO / C nanoparticle-based太阳蒸发器建立为了实现热电和太阳同时蒸发界面。两用太阳能蒸发器使用低品位热量从水蒸发三个太阳射线下执行其功能。热电转换产生的最大输出电压330 mV。这项工作表明适应性和健壮的承诺太阳能热电联产的蒸发器淡水和权力不仅协助废塑料的回收再利用和碳中和的追求还为大规模太阳能能源供应持续创造机会(8]。
一个可行的方法,同时解决能源和水的挑战是有效地收集太阳能蒸汽和电力的创建。然而,建设高效和容易扩大蒸汽和电力光热光谱分析材料热电联产仍然具有挑战性。更重要的是,在太阳能蒸发、混合设备产生开路电压为0.3 V,输出功率为1.6 W m−23阳光下照射。因此,集成与协同太阳能热利用设备开辟了一个绿色的方式向同时太阳能蒸汽和发电在偏远和资源受限的地区9]。
所有生物都需要淡水,尽管它只占世界的2%到3%的总供水。科学家和技术人员越来越关注革命低成本的海水淡化方法,由于担心全球淡水储备耗尽。需要更多的淡水日常需求由于人口增长,增加了工业化、城市化;这需要通过海水淡化可以满意10]。
海水淡化是一种技术,可以确保水安全通过减少要求地下水和地表水,从而减少经济和社会问题。直接太阳能海水淡化为国内水生产可能是一个可行的选择,特别是在沙漠和孤立的地方。各种技术包括多级闪蒸(MSF), multieffect蒸馏(地中海),蒸汽压缩(VC)、加湿除湿(HD)、反渗透(RO)、离子交换(IE)、电渗析(ED),溶剂萃取法(SE)海水淡化。然而,这些技术是昂贵的,特别是大量的淡水生产是不可取的。和使用常规能源(化石燃料)来驱动这些系统有害的环境影响。像太阳这样的可再生能源,风能、地热、生物质能,海洋已经能够部分满足全世界的能源需求。一个最重要的可再生能源,可以代替化石燃料的能源,导致全球变暖,是太阳能。太阳能也是廉价而充足的。因此,尤其是在农村或偏远地区,太阳能海水淡化是最合适的可再生技术,没有污染11]。
研究已经证明,太阳能蒸馏蒸馏器可以使用太阳能净化受污染的湖泊(12,13,海水14),和地下水15为遥远的提供饮用水,沿海和农村地区。
更有效的太阳能技术中提取饮用水的盐水还是太阳能。在农村地区,没有权力,这个配置可以有效地结合起来。提高太阳能的标准仍然的输出或蒸馏水被发现提高水的温度已经出现在太阳仍然[16]。但太阳能蒸馏器有低效率将海水转化成饮用水,所以增加蒸发率和生产率的淡水,我们可以选择加强太阳能蒸馏器。一个受欢迎的和负担得起的太阳仍叫分层的系统太阳能比basin-type太阳能仍然提供了更多的淡水。由于薄水层,迫使流概念,步进剧照明显更大的蒸发率(17]。几项研究已经进行一步太阳能蒸馏器的性能分析;PV和PVT-based近年来海水淡化已经完成。因为他们将太阳辐射转换为电能,太阳能光伏系统是一个可持续的能源。他们目前有很多承诺履行城市的扩大能源需求。最广泛的广告系统是太阳能光伏系统(18]。光伏模块的性能进一步的影响,因为大量的达到他们的太阳能转换为热能在高温(19]。整体的能量产生的光伏模块减少由于光伏模块的温度上升,下降也会导致一个大电流(电压和适度上升20.]。提高光伏组件的性能,利用被动和主动冷却方法(21]。主动冷却的光伏模块需要一个电源之间的传热率增加光伏模块和冷却介质。在活跃的冷却方法,用于液态冷却泵,并用于基于air冷却风扇(22]。
为了分析小说的热力学性能螺钉expander-based太阳能热能源植物,本文提供了关键的想法。太阳能发电系统提出了基于蒸汽兰金循环:水作为工作流体和存储抛物槽收藏者用作热来源,和螺旋扩张器作为权力的机器。因为螺丝扩展器可以在偏离设计的工作条件在一些情况下,当安装在直接蒸汽发电太阳能发电厂,学习扩展下的性能波动的工作情况是一个至关重要的问题。当前工作的主要目标是开发一个热力学模型探讨能源优势的建议下电力系统偏离设计的操作条件和波动的太阳辐射23]。
这项研究表明一种新型太阳能热植物可以提供机械功率使用一种改进的安排定日镜Scheffler类型的太阳能接收器与螺旋式蒸汽扩展器。Scheffler接收器似乎执行比抛物槽收藏家由于密实度较高的焦接收机将对流和辐射热损失降到最低甚至在高蒸发温度。同时,蒸汽螺旋扩张器容量的机器可以用来产生机械功率与令人满意的效率也承认两相混合物和进一步的优势相比,汽轮机:工作流体速度低、低操作压力,避免过热。在这项研究中,一种新型的直接蒸汽太阳能电厂提出了基于一个SRC。水作为工作流体和传热介质,而Scheffler太阳能接收器被用作热来源和生产机械,分别为(24]。
盐水吸收热量,由于太阳能光伏的温度降低。同时,活跃混合海水淡化系统的光伏电池的效率增加由于光伏细胞壁的温度下降。结果,单晶有源混合型太阳能海水淡化系统总热和电效率比标准高出25%的被动系统(25]。
敏感性分析是进行混合photovoltaic-thermal热水系统与水的自然循环et al。研究显示,太阳能光伏系统将太阳能辐射转换成电能最高效率的9 - 15%,根据太阳能电池的类型。超过80%的太阳能光落在光伏(PV)反映细胞或转化为热能而不是转换为电能。因此,混合光伏和热(PV / T)收藏家已经发展产生能量和热量26]。Kumar和女子进行生命周期分析的一个斜坡混合PVT活跃太阳能仍然和观察到淡水的混合的每日产量仍然是3和5倍的被动式太阳能仍然27]。
从广泛的文献回顾,得出了众多作品进行了传统太阳能蒸馏器,PVT系统,仍然PVT太阳能系统,和一些工作PVT加强太阳能蒸馏器。研究相关PVT-SSS系统不同位置不是报道;因此,性能的评估是当前研究的主要话题是PVT-SSS系统对不同季节Vellore镇,印度、气候条件。一个热力学模型来估计淡水生产力,发电,系统的效率。验证了模型与实验数据在文献中报道,和结果比较三个气候条件。
2。方法
在系统中,图1显示了注入盐水从水箱PV / T收集器,它充当一个预热器,增加蒸发率的盐水温度上升。光伏电池收集器供应电力泵盐水。提供额外附加的泵功率,使用一个单独的泵。当阳光透过玻璃进入仍然盖,它由吸收器板封闭,吸收的热量。此外,吸收器的热板接收到水中,增加温度。蒸发蒸汽形式当盐水浓缩跑下楼梯。后的蒸汽凝结内一侧玻璃盖,淡化海水淡水创建。数据2和3显示了能量分布、水和能量流在瑞士和PVT系统,分别。
2.1。技术规格
各种仪器已经用来测量性能和生产率取决于参数(11]。不同组件的温度仍然诸如水,玻璃表面,和盆地测量通过计算能量方程,这样的天气条件下,风速度,和外面的环境温度记录被用作常数参数。结果是在协议与现有文献比较分析的验证和评价。
2.2。理论的考虑
盆地板的能量平衡28)是
盐水的能量平衡28)是
玻璃罩的能量平衡28)是
的电力输出PVT水收集器(11]
光伏/ T-SSS的电气性能(11]
3所示。验证
未知变量使用龙格-库塔方法求解和验证当前文学的热模型对实验数据(11]。中提到的设计参数表1- - - - - -3。方程给出了平均相对误差,可用于比较仿真结果和实验数据(29日]。
在哪里实验路线和吗模拟和实验数据。
表4显示了对比实验结果与现有的模型。分析和实验数据显示相同的模式,太阳辐射强度的变化。 , ,和平均相对误差为0.62%,1.99%,和6.77%,分别。我们的数学模型的分析结果和Naroei et al。11)实验结果有很好的一致性。理论技术和数学模型是因此可靠的解决方案。实验结果和数学模型之间的差异数据所示4- - - - - -6。这些数据进一步验证当前数学模型(30.- - - - - -32]。
淡水的日产量是显示在图4。理论和实验参数加强太阳能仍然与PV / T比较形象。图显示之间的平均误差为6.77参数的实验和理论价值。
理论和实验之间的平均误差参数如图5情节PV / T收藏家的温度和时间是0.62%。
的实际和模拟值盐水的温度随着时间的推移图所示6。参数的实验和理论之间的平均差异值是1.99%。
4所示。结果和讨论
4.1。设计方法
PVT取水了太阳能仍然(SSS),泵和其他设备是实验装置的一部分。从早上8点到下午5点,结果被验证。每隔半小时在Vellore用来记录测试数据。创建了热模型,并使用信息从数据评估文学。
4.2。数学模型
一个计算机模拟程序创建使用Python编程求解控制方程。理论数值模拟测试在Excel中探讨操作参数对性能的影响和淡水产量。彻底非线性微分方程模型用于解释热运输和能源过程中主动太阳能蒸馏系统的主要组件。体积的蒸馏水和冷凝器的温度覆盖利用这些方程计算了各种系统配置。解决了系统的热力学模型,利用能量平衡方程如玻璃盖,盐水,盆地覆盖,理论结论。
热力学模型简化了以下假设:(1)盐水的质量、盆地和玻璃罩是常数(2)整体传热系数保持不变(3)所有组件的比热是保持恒定的(4)玻璃盖的温度是保持不变
下面是一些重要仍然考虑利用计算: , , , W / m2°C, W / m2°C, W / m2°C,= 8.1028 W / m2°C, W / m2°C。Vellore,泰米尔纳德邦,经历了一个比较检查在夏天,冬天,和多雨的气候条件。使用数据从文学、操作因素对效率的影响,评估生产力和输出功率。
4.3。评价理论观察
理论计算是使用现有的温度数据和全球太阳能辐射的天22/06/21(夏季),20/12/21(冬季),和23/09/21(雨季)Vellore,泰米尔纳德邦。
图7说明了阅读的太阳辐射强度不同的气候条件。人们已经发现,周围的最大太阳辐射是中午时间(下午11:30 AM-1: 30)。记录全球夏季太阳辐射范围,冬天,和多雨的气候条件是135.877 W / m2-777.185 W /米259.392 W / m2-527.52 W /米2和107.069 W / m2-547.862 W /米2,分别。
PVT-SSS的不同组件的变化见图8。在一个晴朗的日子,环境温度增加后中午时间(下午3:30)和达到约35.64°C,如图8。玻璃盖温度的变化从28.06°C到55.92°C在夏季的一天。相比之下在一个寒冷的天,玻璃的温度范围从19.80°C到44.92°C(图9),在雨天,发现记录的最小和最大玻璃温度为26.23°C和39.25°C,分别(图10)。
同样,图9描述了冬天,当环境温度达到低点19.81°C在8:00点,随后下降到27.64°C 3: 00点。在冬天,中午盆地板温度达到56°C(中午);在夏天,它达到67°C(中午);在潮湿的日子里,它达到47°C(1点)。
在雨天,环境温度达到最大值31.75°C,和最低环境温度记录是26.23°C。水温度变化也会观察到在所有三个不同的气候条件。水温度变化从28.07°C到64.58°C, 19.80°C到54.11°C,和26.23°C到46.28°C在夏天,冬天,分别和多雨的气候条件(数据8- - - - - -10)。
图11显示的比较淡水PVT-SSS系统生产力。夏天,冬天,和多雨的气候环境下,PVT-SSS决心的淡水产量12.18公斤/米2天,6.67公斤/米2天,2.770公斤/米2天,分别。淡水生产显示更多的在夏天比冬天和下雨天结合夏季最大接收的太阳辐射与其他季节相比。
图12说明了随着时间的变化输出电力。在整个实验过程中,太阳辐射强度的变化。没有不确定性,当太阳辐射增加,电源的输出。在三个不同的气候环境下,蒸发过程中午在顶峰时期,当太阳闪烁最耀眼的。因此,这将导致生成一个最大数量的电力。产生的能量在一个夏日被发现9.91千瓦/天。同样,在冬季的一天,这是约6.52千瓦/天,在雨天,产生的能量大约是6.72千瓦/天。
指出电效率的夏天,冬天,和多雨的气候条件是8.91%,9.53%,9.14%,如图13。由于光伏电池由盐水冷却流,他们的电效率不挣扎相当大的减少。夏季收到最太阳辐射;因此,本赛季最低的电效率。这是由于光伏电池的过度增加在这个季节。
水深的影响生产在整个雨季是如图14。在2厘米的水,蒸发率是最大。在3厘米和4厘米的水,最大的蒸发率是观察到331公斤/米2和277公斤/米2,分别。低体积热容( )确保由低水深度,增加传热而不是蓄热。因此,盐水的温度增加。
图15说明了水深的影响生产力在夏天季节。最高的蒸发率约为1668公斤/米2在2厘米水深,1453公斤/米2在3厘米水深,1218公斤/米2在5厘米水深度。
水深的影响生产在整个雨季是如图16。在2厘米的水,795公斤/米2在3厘米,667公斤/米2在5厘米的水,最大的蒸发率约为912 kg / m2是观察。
Chiranjeevi和斯33模拟一个加湿除湿融入与蒸汽吸收式制冷系统。仿真结果在25液体变阻器淡水和1 TR冷却,海拔250米3/ h的气流。淡水产生的各种参数的实验测试,结果如下:从1317毫克/升到223.8 mg / L,总溶解固体(TDS)降低。脱盐水的pH值达到7.2 - -7.5,这是在合理的范围内。所需的pH值是中性的,或7,pH值是7。脱盐水的总硬度从120 mg / L减少到32毫克/ L,和产生浊度范围从2.4到2.8南大。此外,从772.49 mg / L氯化物减少到50 mg / L。有氯化钠下降3104 mg / L为482.4 mg / L。化学需氧量(COD)分析表明,整个数量的化合物在水中可以氧化。水从80 mg / L的鳕鱼是减少到60 mg / L,及其CaCO3从84 mg / L硬度降低到28 mg / L。
5。结论
以下是本研究的主要结论:利用文献的实验数据,PV / T的热模型加上验证了太阳能,和以下主要结论:(我)在夏季,平均电效率是8.91%产生9.91千瓦/天(大约)以及淡水12.18公斤/米的生产力2一天(2)在雨季,电效率平均9.53%产生6.72千瓦/天(大约)以及淡水2.77公斤/米的生产力2一天(3)在冬季,平均电效率是9.135%产生6.52千瓦/天(大约)以及淡水6.67公斤/米的生产力2一天(iv)PVT-SSS系统采用不同水位的2厘米、3厘米、5厘米,夏季最高产量。最低的产量1218公斤/米2产生的水深5厘米,而最高产量1668公斤/米2生产2厘米深的水吗(v)PVT加强太阳能的理论模型和实证观察继续吻合较好。PVT取水时,耦合了太阳能,能源效率和淡水产量都受到两次(vi)PVT收集器的混合也仍然活跃太阳能供电泵为其他使用一整天的阳光
命名法
| : | 吸收率 |
| : | 倾斜的角度 |
| : | 有效的汇款 |
| : | 发射率 |
| : | 粘度(N·s / m2) |
| : | 效率(%) |
| : | Stefan玻耳兹曼常量(W / m2K4) |
| : | 透射率 |
| : | 水的深度 |
| : | 时间 |
| : | 全球太阳辐射(W / m2) |
| : | 能源的玻璃包括反映盆地的水通过对流 |
| : | 能量在玻璃包括反映能源盆地的水通过蒸发 |
| : | 能量在玻璃包括反映盆地水的能量通过辐射 |
| : | 汽化潜热 |
| : | 区(米2) |
| : | 热容的水盆地(J / K) |
| : | 对流传热系数(W / m2K) |
| : | 蒸发潜热(W / m2K) |
| : | 风传热系数(W / m2K) |
| : | 水深度(米) |
| : | 玻璃和大气之间的对流传热系数(W / m2K) |
| : | 导电玻璃内表面传热系数与玻璃外表面(W / m2K) |
| : | 从水中蒸发传热系数和一个玻璃盖的内表面(W / m2K) |
| : | 玻璃和大气之间的辐射传热系数(W / m2K) |
| : | 辐射传热系数从水到玻璃盖内表面(W / m2K) |
| : | 总传热系数从水到玻璃盖内表面(W / m2K) |
| : | 盆地衬套之间的对流传热系数和水质量(W / m2K) |
| : | 导热系数(W / m K) |
| : | 每小时生产率SS(公斤/米的蒸馏水2h) |
| : | 压力(Pa) |
| : | 吸热(W / m2) |
| : | 温度(°C) |
| : | 总热损失系数(W / m2K)。 |
| : | 环境 |
| : | 收集器 |
| : | 有效的 |
| : | 电 |
| : | 能源 |
| : | 蒸发 |
| : | 实验 |
| : | 玻璃盖 |
| : | - - - - - -th参数 |
| : | 损失 |
| : | 辐射 |
| : | 前 |
| : | 泰德拉 |
| : | 泰德拉或 |
| : | 热 |
| : | 天空 |
| : | 水,风 |
| : | 输入 |
| : | 输出 |
| : | 音量控制。 |
| PVT: | 混合图伏打热 |
| SS: | 太阳能仍然 |
| 瑞士: | 加强太阳能仍然 |
| PCM: | 相变材料 |
| PV / T: | 光伏/热 |
| 步骤: | 国家政治的场景。 |
数据可用性
所有的数据已经被包括在手稿。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
作者感谢提供的金融支持维特,Vellore,印度,通过种子格兰特博士SG20210279 c . Chiranjeevi副教授,机械工程学院。