[論文レビュー] The effects of graphite nanoparticles, phase change material, and film cooling on the solar still performance

Swellam W. Sharshir, Guilong Peng+4 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2016

Solar-Powered Water Purification Methods参考文献 48被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、グラファイトナノ粒子、相変化材料（PCM）、ガラスフィルム冷却の併用による太陽光蒸留装置の性能向上を検討した。3つの改良を組み合わせたハイブリッドシステムは、従来の太陽光蒸留装置と比較して蒸留水出力を73.80%向上させた。最適な性能は0.5 cmの塩水深さで得られた。

ABSTRACT

In this paper, we performed four modifications on the solar still, as (A) adding the graphite nanoparticles, (B) the graphite nanoparticles together with the phase change material (PCM), (C) the graphite nanoparticles together with glass film cooling, and (D) graphite nanoparticles with both PCM and glass film cooling. The effects of modifications are measured and compared with each other. The productivities of modified (A), (B), (C), and (D) solar stills are enhanced by about 50.28%, 65.00%, 56.15% and 73.80%, respectively, as compared with the conventional solar still. The influences of saline water depths on the performance of modifications (A) and (B) are also considered. Results revealed that the best output yield is obtained for 0.5cm water depth for all solar stills.

研究の動機と目的

• ナノ修飾と熱エネルギー管理を用いて、従来の太陽光蒸留装置の熱効率と生産性を向上させること。
• グラファイトナノ粒子、相変化材料（PCM）、ガラスフィルム冷却の個別および複合効果が太陽光蒸留装置の性能に与える影響を評価すること。
• 複数の改良構成において、蒸留水出力を最大化する最適な塩水深さを同定すること。
• 複数の高度な熱管理技術を統合したハイブリッド太陽光蒸留システムの性能向上を定量的に評価すること。

提案手法

• 4つの異なる太陽光蒸留装置の構成を製作した：(A) グラファイトナノ粒子のみ、(B) ナノ粒子＋PCM、(C) ナノ粒子＋ガラスフィルム冷却、(D) 3つの改良をすべて組み合わせたもの。
• グラファイトナノ粒子を塩水に分散させ、太陽放射吸収性および熱伝導性を向上させた。
• 相変化材料（PCM）を蒸留装置の内壁に統合し、ピーク日射時における熱エネルギーの貯蔵と、日差しの少ない時期における放出を可能にした。
• 凝縮面にガラスフィルム冷却を適用し、温度勾配を低く保つことで凝縮速度を向上させ、顕熱移動を増加させた。
• 同一の環境条件下で性能を評価し、各構成における1日当たりの蒸留水出力を測定した。
• 塩水深さを0.5 cm、1.0 cm、1.5 cmに変化させ、構成(A)および(B)における生産性への影響を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラファイトナノ粒子、PCM、フィルム冷却が太陽光蒸留装置の生産性に与える個別および複合効果は何か？
• RQ2 グラファイトナノ粒子の添加が塩水中の太陽放射吸収性および熱伝導性に与える影響は何か？
• RQ3 PCMの統合が、日差しのない時期における熱エネルギーの貯蔵および放出をどの程度向上させるか？
• RQ4 ガラスフィルム冷却は、凝縮効率の向上および凝縮面温度の低下にどの程度効果的か？
• RQ5 どの塩水深さが、改良された太陽光蒸留装置における最大の蒸留水出力をもたらすか？

主な発見

• グラファイトナノ粒子、PCM、フィルム冷却をすべて組み合わせた太陽光蒸留装置は、従来の装置と比較して最大73.80%の生産性向上を達成した。
• グラファイトナノ粒子のみを用いた構成は、蒸留水出力を50.28%向上させ、主に太陽放射吸収性および熱伝導性の向上によるものであった。
• ナノ粒子とPCMの組み合わせは、ピーク時以外の時間帯における効果的な熱エネルギー貯蔵と放出を示し、生産性が65.00%向上した。
• ナノ粒子とフィルム冷却の併用は、凝縮面温度を低下させることで凝縮速度を向上させた結果、性能が56.15%向上した。
• すべての構成において、最大の生産性を得られる最適な塩水深さは0.5 cmであり、深さが小さいほど熱抵抗が低くなるため、効率が向上した。
• 塩水深さの影響は、構成(A)および(B)において最も顕著であり、水層が深くなると熱伝達効率が低下した。