[논문 리뷰] The effects of graphite nanoparticles, phase change material, and film cooling on the solar still performance

Swellam W. Sharshir, Guilong Peng외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 06.

Solar-Powered Water Purification Methods참고 문헌 48인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 그래핀 나노입자, 상변화물질(PCM), 유리 필름 냉각을 융합한 방식으로 태양수증기 Still의 성능 향상을 조사한다. 모든 세 가지 수정을 적용한 하이브리드 시스템은 기존 태양수증기 Still 대비 73.80% 높은 증류 수확량을 기록했으며, 이는 0.5 cm의 염수 깊이에서 최적 성능을 발휘한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 나노재료 처리 및 열 에너지 관리 기법을 통해 기존 태양수증기 Still의 열효율과 생산성을 향상시키기 위해.
• 그래핀 나노입자, 상변화물질(PCM), 유리 필름 냉각의 개별적 및 병합 효과가 태양수증기 Still 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 다양한 수정 구성을 기반으로 증류 수확량을 최대화하는 데 최적의 염수 깊이를 규명하기 위해.
• 다양한 고급 열 관리 기법을 통합한 하이브리드 태양수증기 Still 시스템의 성능 향상 정도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 네 가지 다른 태양수증기 Still 구성을 제작하였다: (A) 그래핀 나노입자 전용, (B) 나노입자 + PCM, (C) 나노입자 + 유리 필름 냉각, (D) 세 가지 수정 모두 적용.
• 그래핀 나노입자를 염수에 분산시켜 태양 복사 흡수 능력과 열전도도를 향상시켰다.
• 상변화물질(PCM)을 Still 내부 벽면에 통합하여 일조가 극대화되는 시간대에 열 에너지를 저장하고, 어두운 시간대에 방출하도록 하였다.
• 응축 표면에 유리 필름 냉각을 적용하여 온도 기울기를 낮추어 응축 속도를 향상시키고 잠열 전달량을 증가시켰다.
• 모든 구성에 대해 동일한 환경 조건에서 성능을 평가하였으며, 각 구성의 일일 증류 수확량을 측정하였다.
• 염수 깊이를 0.5 cm, 1.0 cm, 1.5 cm로 변화시켜 구성 (A) 및 (B)에서의 생산성에 미치는 영향을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 그래핀 나노입자, PCM, 필름 냉각이 태양수증기 Still 생산성에 미치는 개별적 및 병합 효과는 무엇인가?
• RQ2 그래핀 나노입자의 추가가 염수 내 태양 복사 흡수 및 열전도도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 PCM 통합이 비일조 기간 동안 열 에너지 저장 및 방출에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 유리 필름 냉각이 응축 효율 향상 및 응축 표면 온도 저하에 얼마나 효과적인가?
• RQ5 수정된 태양수증기 Still에서 최대 증류 수확량을 얻을 수 있는 염수 깊이는 얼마인가?

주요 결과

• 그래핀 나노입자, PCM, 필름 냉각을 모두 적용한 태양수증기 Still은 기존 Still 대비 최대 73.80% 높은 생산성 향상을 기록하였다.
• 오직 그래핀 나노입자만 적용한 구성은 증류 수확량을 50.28% 향상시켰으며, 주로 태양 복사 흡수 능력 향상과 열전도도 향상 덕분이었다.
• 나노입자와 PCM의 조합은 생산성 향상률이 65.00%에 달했으며, 이는 비피크 시간대에 효과적인 열 에너지 저장 및 방출이 이루어졌음을 시사한다.
• 나노입자와 함께 필름 냉각을 적용한 구성은 성능을 56.15% 향상시켰으며, 이는 응축 표면 온도를 낮추어 응축 속도를 증가시키는 데 효과적이라는 것을 입증한다.
• 모든 구성에서 최적의 염수 깊이는 0.5 cm였으며, 이는 열 저항이 감소함에 따라 효율성이 높아지기 때문이다.
• 염수 깊이가 생산성에 미치는 영향은 특히 구성 (A) 및 (B)에서 가장 두드러졌으며, 더 깊은 수층은 열전달 효율을 떨어뜨렸다.