《Renewable Energy》：Enhanced solar chimney design with double-glass Photovoltaic panels and nanoparticle-enriched paraffin for combined ventilation and power generation
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研究通过在倾斜烟囱通道底部集成双玻光伏面板和纳米增强石蜡基储热单元，优化太阳能烟囱系统性能。采用ANSYS Fluent模拟不同倾角（30°/45°/60°）和配置组合，发现PV-TES-Porous foam配置使平均吸热板温度提升6.13%，60°倾角下入口质量流量增15%，储热液相分数提高47%，同时电气效率提升1.4%。
M. Sheikholeslami | J.H.K. AL-Behadili
伊朗伊斯兰共和国巴博尔诺希尔瓦尼技术大学机械工程系
摘要
本研究探索了一种新颖的方法，通过在倾斜的烟囱通道顶部安装双层玻璃光伏（PV）面板，并在底部安装石蜡基热能存储（TES）单元来提高太阳能烟囱的性能。TES中的石蜡（RT25）通过添加MgO纳米颗粒进行了改良，并使用多孔氧化铝泡沫进一步优化了其热导率。系统在三种倾斜角度（30°、45°和60°）下进行了分析，并模拟了多种配置：传统的太阳能烟囱、仅装有PV的烟囱、同时装有PV和TES的烟囱，以及结合了多孔泡沫的PV-TES集成烟囱。模拟使用了ANSYS FLUENT软件，并考虑了伊拉克摩苏尔地区的特定气象数据（热流、空气温度和风速）。空气区域内的湍流气流（包括浮力效应）采用RNG k-ε方法进行建模，辐射热传递则采用表面到表面（S2S）模型进行计算。性能评估通过空气区域的等温线以及TES中的温度和液体分数分布来进行。主要研究发现表明，与传统系统相比，PV-TES-多孔泡沫配置使吸热器的平均温度提高了约6.13%。将烟囱倾斜角度从30°增加到60°时，入口质量流量增加了约15%。在30°倾斜角度下，系统的最大可用热输出为388.76 W，当角度从60°调整回30°时，热输出增加了23.14%。此外，在60°倾斜角度下，多孔泡沫的使用使TES中的液体分数提高了47%。仅在30°时电气效率最低，而在系统配备了多孔TES并在60°下运行时，电气效率提高了1.4%。
引言
电力生成可以通过光伏效应直接实现，即将阳光转化为电能；或者通过太阳能热能装置间接实现。太阳能烟囱发电厂（SCPP）是一种创新系统，有助于减少对传统能源的依赖[1]。自20世纪80年代以来，由于其利用太阳能热能的能力，SCPP受到了广泛关注。它们环保、寿命长且无需水冷。此外，SCPP可以独立于天气条件运行，因为集热器能够吸收直射和散射的太阳辐射。它们的建造相对简单，使用的材料也较为便宜。太阳能烟囱作为SCPP的核心组成部分，是利用太阳能发电的有效方法。许多研究探讨了SCPP作为可持续能源的潜力，特别强调了它们的发电能力[2]。该结构包括一个透明的太阳能壁和一个热吸热器，后者可以提升烟囱通道内的空气温度。这种设计为降低能源需求同时提高浅层城市隧道系统的消防安全性能提供了实用的解决方案[3]。太阳能烟囱可以集成到建筑物的屋顶或墙壁中[4]。Cuce等人[5]通过3D建模研究了SCPP的优化，重点关注了集热器和烟囱的倾斜角度。他们的研究发现，该装置可实现最高的功率输出为216.853 kW。
尽管存在初始投资成本高和能量转换效率低等缺点，这种集成的太阳能上升气流发电方法为可持续和清洁能源生产提供了可行的解决方案。SCPP凭借其简单的构造和捕获太阳辐射的能力，代表了减少对化石燃料依赖的未来发展方向，更符合生态目标[6][7]。通常情况下，太阳能发电和光伏（PV）模块被视为独立的系统进行研究和使用。然而，由于它们共享土地、基础设施和太阳能辐射需求，混合型的SC-PV发电单元为可再生能源的整合提供了有前景的解决方案。Xie等人[8]研究了将退役的燃煤电厂改造为包含农业组件的混合PV/SC系统的潜力，他们的研究表明这种转换可以产生平均每天343.5 MWh的电力输出，容量增加了5.98%。Tawalbeh等人[9]研究了PV与SCPP系统的集成，展示了这种混合方法的可能性，他们的研究显示该系统可实现261 kW的电力输出。Ruiz等人[10]分析了一个结合了PV的烟囱模型，发现1.05 m3/h的冷凝水流速率可以高效维持3.8 kW的负载，同时将电网能耗降至仅44.33 W。他们的研究还发现冷却器效率提高了53%，PV面板性能提高了10%，从而使电网能源效率比达到了11.58%。Singh等人[11]通过理论研究考察了在单晶PV面板中加入SC冷却技术的影响，发现这种创新方法成功降低了面板的运行温度10°C。
通过解决传统SC系统的局限性，这种集成方法提高了性能并带来了显著的环境优势。将石蜡加入SC被证明是改善通风性能的有效方法。Dordelly等人[12]制造了两个结合了相变材料（PCMs）的太阳能烟囱原型，他们指出这种配置在排放阶段可以使表面温度保持在40°C以上长达六小时。传统的相变材料（PCMs）常常受到热导率低和熔化/固化时间长的限制。为了克服这些挑战，研究人员通过添加添加剂或高导热材料来提升其热性能，从而开发出了NEPCM（纳米增强型PCM）。Huang等人[13]研究了结合PCM的太阳能烟囱的行为，发现45°的倾斜角度不仅优化了气流速度，还延长了通风时间。Xamán等人[14]研究了PCM对太阳能烟囱的影响，发现与传统的混凝土墙相比，这种混合方法显著提高了质量流量和热性能。Nardini等人[15]研究了一种结合了SC的热能存储系统，并报告称该系统在7月份达到了57%的最高效率。Wei等人[16]开发了一种结合了PVT单元和太阳能烟囱的新通风系统，他们的结果显示这种集成系统将有效通风时间延长了约16.6%。
本研究提出了一种创新的混合型太阳能烟囱系统，该系统结合了双层玻璃PV面板和基于PCM的TES单元，以增强自然通风和可再生能源的生成。与以往将太阳能烟囱和PV系统作为独立实体进行研究的不同，本研究探讨了它们在白天冷却和夜间通风方面的综合功能。通过将RT25石蜡与MgO纳米颗粒混合并嵌入氧化铝泡沫中，提高了存储性能。此外，通过对多种倾斜角度（30°、45°和60°）的分析以及采用先进的模拟技术（包括S2S辐射和湍流建模），对该系统在现实环境条件下的性能进行了全面评估。
几何描述
本研究探讨了用于建筑物内部空气通风的太阳能烟囱系统，旨在通过集成双层玻璃光伏（PV）面板来提升其性能。所研究的概念几何结构如图1所示。
太阳能烟囱系统由面向太阳的部分组成，该部分包含三层：顶层玻璃、光伏（PV）电池和底层玻璃。玻璃层的吸收系数可以忽略不计，而光伏电池则均匀分布
结果与讨论
本文研究了一种创新的太阳能烟囱系统，旨在提高建筑物的自然通风和能源效率。该系统结合了双层玻璃PV面板和太阳能烟囱。TES使用了添加了MgO纳米颗粒的石蜡（RT25）来提高其热导率。为了进一步加速热传递，在PCM中嵌入了氧化铝泡沫。
本研究选择了符合所有模拟标准的结构化网格方法（见图3）
结论
本研究通过数值方法研究了结合了双层玻璃PV面板和添加了MgO纳米颗粒及多孔氧化铝泡沫的石蜡基热能存储单元的倾斜式太阳能烟囱。在伊拉克摩苏尔地区的实际气象条件下，对四种系统配置（倾斜角度分别为30°、45°和60°）进行了分析。结果表明，几何倾斜角度和热增强技术对系统性能起着关键作用。
作者贡献声明
M. Sheikholeslami：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、方法论、概念化。J.H.K. AL-Behadili：初稿撰写、可视化、验证、正式分析、概念化
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
