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Jun 12, 2023

Melhorando a transferência de calor em energia solar

Relatórios Científicos volume 13,

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 9476 (2023) Citar este artigo

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O objetivo desta pesquisa é explorar o uso de navios movidos a energia solar (SPS) como um meio de reduzir as emissões de gases de efeito estufa e a dependência de combustíveis fósseis na indústria marítima. O estudo se concentra em melhorar a eficiência da transferência de calor em SPS empregando nanofluidos híbridos (HNF) contendo nanotubos de carbono (CNTs). Além disso, uma nova abordagem utilizando energia renovável e controle eletromagnético é proposta para melhorar o desempenho do SPS. A pesquisa implementa o tipo não newtoniano de Maxwell e o modelo de fluxo de calor de Cattaneo–Christov em coletores solares de calha parabólica usados ​​para navios. O estudo realiza experimentos teóricos e simulações para avaliar a condutividade térmica e a viscosidade do HNF baseado em CNT. Várias propriedades, incluindo radiação térmica solar, dissipação viscosa, velocidade escorregadia e meios porosos, são avaliadas para determinar a eficácia do transporte térmico em SPS. A pesquisa emprega variáveis ​​de similaridade para simplificar as equações diferenciais parciais complexas em equações diferenciais ordinárias e as resolve usando o método espectral de colocação de Chebyshev. Os resultados indicam que o nanofluido híbrido MWCNT-SWCNT/EO melhora significativamente a condutividade térmica, aumentando assim a transferência de calor. O HNF apresenta uma taxa de eficiência de aproximadamente 1,78% com uma taxa de eficiência mínima de 2,26%.

A demanda global por energia continua a aumentar, mas o esgotamento dos combustíveis fósseis e o custo crescente das fontes tradicionais de energia, como a eletricidade, levaram os cientistas a mudar seu foco para a energia renovável nos últimos anos1. Gerar eletricidade a partir de fontes sustentáveis ​​é uma forma ecológica de produzir energia, uma vez que não emite gases com efeito de estufa. Em contrapartida, a queima de combustíveis fósseis emite dióxido de carbono na atmosfera, contribuindo para o aquecimento global2. Além disso, os ambientalistas acreditam firmemente que o uso de recursos sustentáveis ​​pode ter um impacto significativo na diminuição da poluição por carbono e na redução da taxa de aquecimento global3. Nos últimos anos, a energia solar tornou-se uma opção amplamente discutida para energia sustentável devido à sua acessibilidade, ausência de emissões nocivas e impacto ambiental mínimo, tornando-a uma escolha altamente atraente para a produção de energia4. A energia solar tem o maior potencial para uso a longo prazo, acessibilidade e o menor impacto negativo no meio ambiente entre todas as fontes de energia. Com utilização adequada, essa fonte de energia tem potencial para gerar cerca de quatro vezes a quantidade de energia que está sendo usada atualmente no mundo5. Estudos recentes mostram que as emissões globais de CO2 devem diminuir 75% até 2050, em comparação com os níveis registrados em 19856. Segundo um estudo realizado pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos, a quantidade de energia solar que chega à superfície da Terra em apenas 90 minutos são suficientes para atender às demandas mundiais de energia por um ano inteiro7. Em um relatório dos Estados Unidos, descobriu-se que a energia solar pode servir como um substituto natural para outras formas de energia. Além disso, os sistemas de energia solar podem gerar energia térmica que pode ser utilizada para fins de aquecimento e resfriamento. Portanto, a principal preocupação agora é descobrir a maneira mais eficaz de aproveitar a energia do sol.

Dois métodos proeminentes para converter luz solar em eletricidade são atualmente amplamente utilizados e devem ser familiares para você: sistemas fotovoltaicos (PV) e energia solar concentrada (CSE)8. Os sistemas fotovoltaicos têm inúmeras aplicações, incluindo (a) Geração de eletricidade para residências e empresas9 (b) Fornecimento de energia para espaçonaves e satélites10 (c) Alimentação de vários tipos de veículos, como carros, ônibus e barcos, e (d) Fonte de alimentação de área remota (RAPS) sistema que consiste em geradores, iluminação pública e dispositivos de comunicação sem fio que fornecem eletricidade para áreas localizadas longe dos centros urbanos. Em resumo, os sistemas fotovoltaicos fornecem uma maneira ecológica, acessível e de baixa manutenção de produzir eletricidade sustentável e que pode funcionar independentemente da rede elétrica. Um dispositivo fotovoltaico consiste principalmente de um material semicondutor que conduz eletricidade através de elétrons. Ao contrário dos condutores, que podem conduzir um número ilimitado de elétrons, os semicondutores possuem propriedades únicas que lhes permitem regular o fluxo de elétrons. Esse recurso torna os semicondutores componentes valiosos para dispositivos fotovoltaicos. Enquanto isso, o CSP é um método de gerar eletricidade a partir dos raios solares usando superfícies reflexivas ou tecnologia ótica para concentrar e focalizar a luz do sol em uma área muito pequena. Essa luz solar concentrada é convertida em calor, que pode ser usado para criar vapor que alimenta uma turbina e gera eletricidade11. As usinas CSP podem produzir grandes quantidades de eletricidade e são particularmente benéficas em áreas com altos níveis de radiação solar. Além disso, essas plantas podem ser construídas em grande escala. Para gerar eletricidade a partir da energia solar, é utilizada a tecnologia de energia solar concentrada, que envolve o foco dos raios solares em uma pequena área por meio de refletores ou óticas. Esse processo cria calor que pode ser usado para produzir eletricidade passando por um gerador elétrico. No entanto, é importante observar que nem todas as tecnologias dependem de espelhos para concentrar a luz do sol, pois algumas usam ótica ou outros sistemas. Deve-se ressaltar também que a conversão da luz solar em calor ocorre por meio de um processo físico denominado absorção12. De acordo com a ref13, áreas caracterizadas por climas secos e quentes, como Califórnia e Arizona, nos Estados Unidos, são propícias ao desenvolvimento de usinas maiores que utilizam energia solar concentrada. Esta forma de energia renovável é preferida em relação às alternativas não renováveis, como os combustíveis fósseis, devido à sua ecologia e à falta de emissões de poluentes nocivos. Em conclusão, a energia solar é uma opção limpa e sustentável, preferida em relação às fontes de energia tradicionais.