Yüksek ışınım koşullarında düz plaka güneş kolektöründe MoS2/su nanofluid akışının ısıl akışkan ve ekserji özellikleri

Güneşten Gelen Sıcak Su Daha Akıllıca

Birçok hane için, özellikle güneşli bölgelerde, su ısıtma faturaların büyük bir kısmını tüketir ve iklimi ısıtan emisyonlara yol açar. Bu çalışma, çatı tipi yaygın güneşli su ısıtıcılarının içinde dolaşan akışkanı değiştirerek bunları önemli ölçüde daha etkili hale getirmenin bir yolunu araştırıyor. Saf su yerine araştırmacılar, az miktarda molibden disülfür (MoS₂) parçacıkları içeren su bazlı bir sıvıyı test ettiler; amaç Güneş enerjisinin daha fazlasını yakalamak, sistemin ömrü boyunca maliyetleri düşürmek ve kirliliği azaltmaktı—tüm bunlar tanıdık düz plaka güneş panellerini yeniden tasarlamadan.

Neden Çok Küçük Parçacıklar Büyük Fark Yaratabilir

Evsel sıcak su için yaygın olarak kullanılan standart düz plaka güneş kolektörleri, Güneş’te ısınan ve suyun ısıyı taşıdığı siyah metal bir panel gibi çalışır. Sorun şu ki su özellikle iyi bir ısı iletkeni değildir; bu yüzden yakalanan güneş enerjisinin bir kısmı depolama tankına ulaşmadan kaybolur. Yazarlar bunu, suya çok küçük MoS₂ parçacıkları dağıtarak, yani bir nanofluid oluşturarak ele aldı. Katmanlı, ısı ileten yapıları ve güçlü güneş emilimleriyle bilinen bu parçacıklar sıvının ısıyı daha etkili şekilde soğurmasına ve iletmesine yardımcı oluyor. İncelenen sistem, çatı kolektörü, sıvıyı dolaştıran bir pompa ve dikey bir sıcak su tankı ile İran’daki tipik bir tek aile konutunu modelliyor ve tüm yıl boyunca bilgisayar simülasyonlarıyla değerlendirilmiştir.

Sistemin Bir Yıl Boyunca Nasıl Test Edildiği

Kısa laboratuvar denemelerinin ötesine geçmek için ekip, enerji sistemleri simülasyonunda yaygın kullanılan TRNSYS ile detaylı bir dijital model oluşturdu ve bunu İran’ın çok güneşli şehirlerinden Ahvaz’daki açık hava test düzeneğinden alınan gerçek ölçümlerle doğruladı. Modelin yararlı ısı çıktısı tahminlerini, hem açık hem bulutlu koşullarda gerçek bir kolektörden alınan verilerle karşılaştırdılar. Eşleşme yakındı—hatalar yalnızca birkaç yüzde puandı—bu da sanal sistemin tüm yıl performansını güvenle incelemeye uygun olduğunu gösterdi. Simülasyonlarda üç akışkan seçeneği incelendi: saf su, hacimce %0,5 MoS₂ içeren su ve hacimce %1 MoS₂ içeren su; ayrıca sıcaklık dalgalanmalarını dengelemek için alümina parçacıkları içeren balmumu bazlı bir depolama malzemesiyle geliştirilmiş özel bir sıcak su tankı da dahil edildi.

Daha Fazla Isı, Güneşin Daha İyi Kullanımı ve Daha Düşük Maliyet

Tüm mevsimler boyunca, %1 MoS₂ içeren nanofluid en iyi performansı gösterdi. Özellikle birkaç ekstra derece kazanmanın en kritik olduğu soğuk aylarda, kolektör çıkışındaki sıcaklık saf suya kıyasla yaklaşık %20 yükseldi ve sistem tarafından ortalama elde edilen yararlı ısı %13’e kadar arttı. Panelin gelen güneş ışığının ne kadarının kullanılabilir ısıya dönüştüğünü gösteren genel verimi de özellikle ilkbahar ve sonbaharda birkaç yüzdelik puan arttı. Yakalanan enerjinin ne kadarının gerçekten işe yarar işe dönüşebileceğini izleyen "ekserji" adı verilen daha gelişmiş bir ölçüt ise daha da iyileşti: %1 nanofluid ekserji çıktı ve ekserji verimliliğini yaklaşık %20–22 oranında artırırken iç kayıpları hafifçe azalttı. Pratikte bu, sistemin mevcut güneş enerjisinin daha büyük bir payını düşük kaliteli ısı olarak boşuna harcamak yerine etkin şekilde kullanması demekti.

Paradan Tasarruf ve Önlenen Emisyonlar

Geliştirilmiş kolektör aynı güneşten daha fazla sıcak su sağladığı için, nanoparçacıkların ek maliyeti olsa bile yararlı ısı birimi başına maliyet düşer. Çalışma, yatırım, bakım ve malzeme maliyetlerini sistem ömrü boyunca yaygınlaştıran Eşdeğer Isı Maliyeti (Levelized Cost of Heat) adlı bir metriği hesapladı. En parlak yaz koşullarında, %1 MoS₂ akışkan, yararlı ısı için kilovat-saat başına yaklaşık 0,77 dolar gibi bir asgari ısı maliyeti sağladı ve yıl boyunca yüksek kaliteli (ekserji) çıktıya bağlı maliyeti saf suya kıyasla yaklaşık %3–5 oranında azalttı. Çevresel açıdan, daha iyi performans gösteren sistem su ısıtımı için aksi halde yakılacak elektrik veya yakıtı daha fazla ikame ederek, zirve dönemlerinde ayda en fazla 44 kilogram karbondioksit salımından kaçınabiliyor. Çevresel ve ekonomik perspektifleri birleştiren göstergeler de iyileşti; her yatırılan dolar için daha fazla kirliliğin önlendiği görüldü.

Günlük Hayatta Bu Ne Anlama Geliyor

Uzman olmayanlar için sonuç şu: standart bir düz plaka güneş su ısıtıcısının içindeki çalışma sıvısını değiştirmek, donanımı yeniden tasarlamadan önemli kazanımlar sağlayabilir. Bu çalışmanın yüksek güneş koşullarında, %1 düzeyinde MoS₂ nanoparçacık dozu kolektörün daha fazla güneş ışığını sıcak suya dönüştürmesini sağladı, uzun vadeli ısıtma maliyetlerini düşürdü ve sera gazı emisyonlarını azalttı; ayrıca yıl boyunca sistemin mevcut güneş enerjisini daha dengeli kullanmasını iyileştirdi. Gelecekte uzun dönem stabilitenin ve gerçek dünyadaki bakım gereksinimlerinin doğrulanması gerekse de, sonuçlar nanofluid bazlı kolektörlerin güneşli bölgelerde daha temiz ve daha verimli hane içi sıcak su sistemleri için umut verici bir sonraki adım olduğunu öne sürüyor.

Atıf: Chammam, A., Widatalla, S., AlMohamadi, H. et al. Thermofluid and exergy characteristics of MoS₂/water nanofluid flow in a flat‑plate solar collector under high‑irradiance conditions. Sci Rep 16, 11628 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43090-x

Anahtar kelimeler: güneşle su ısıtma, nanofluidler, düz plaka kolektörler, enerji verimliliği, yenilenebilir ısıtma