Optimizing Photovoltaic-Thermal (PVT) Systems with CuO-Cu/Water Nanofluids: Experimental and 4E Analysis Under Extreme Climatic Conditions

تستهدف الدراسة المقترحة استقصاء التأثيرات المتعلقة بالطاقة والإكسرجي والاقتصاد والبيئة (تحليل 4E) الناتجة عن دمج تقنيات تبريد متقدمة داخل نظام كهروضوئي-حراري (PVT) لتعزيز الكفاءة في ظل المناخ القاسي في الكويت. تتناول الدراسة ثلاث استراتيجيات للتبريد: مائع نانوي من أكسيد النحاس (CuO)، مائع نانوي من النحاس (Cu)، ومائع نانوي هجين يجمع بين CuO وCu، حيث يتم تعليق هذه الموائع في ماء منزوع الأيونات (DI) كأساس سائل. سيتم مقارنة هذه التكوينات مع الألواح الكهروضوئية غير المبردة والأنظمة المبردة بالماء DI لتقييم التحسينات النسبية في الأداء. يتميز النظام بأنابيب نحاسية ملحومة بلوح امتصاص نحاسي، مشكّلة مبادلاً حرارياً مثبتاً خلف الوحدة الكهروضوئية. ستدور الموائع النانوية عبر الأنابيب لتبديد الحرارة، مما يحافظ على درجات حرارة التشغيل المثلى ويعزز إنتاج الطاقة. سيتم تغيير بعض المعايير الأساسية—مثل تركيب المائع النانوي، وتركيزه، ومعدل التدفق، ودرجة الحرارة—لتقييم تأثيرها على تبديد الحرارة، والكفاءة الكهربائية، والأداء العام للنظام، مع التركيز على تقليل فقدان الإكسرجي. سيتم إجراء الاختبارات في العالم الواقعي خلال أشهر الصيف القصوى في الكويت (يونيو إلى أغسطس) من الساعة 7:00 صباحاً حتى 6:00 مساءً لتسجيل الأداء في ظل الظروف القاسية. ستشمل الدراسة أيضاً تقييم الجدوى الاقتصادية من خلال مقارنة تكلفة إنتاج الطاقة مع الطرق المعتمدة على الوقود الأحفوري، مع التركيز على التوفير في استهلاك الوقود وتقليل الانبعاثات. الهدف الأساسي من هذا البحث هو تطوير حل تبريد فعال باستخدام الموائع النانوية المتقدمة لتعظيم إنتاج الطاقة، وإطالة عمر التشغيل، وتقليل خسائر الإكسرجي. من خلال تعزيز الكفاءة وتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، تهدف الدراسة إلى دعم انتقال الكويت نحو الطاقة المستدامة. من المتوقع أن يتفوق المائع النانوي الهجين، بفضل موصليته الحرارية العالية، على الموائع النانوية الفردية، مما يحقق مكاسب كبيرة في الكفاءة. ستوفر النتائج رؤى أساسية لتوسيع تقنيات الطاقة المتجددة ودمج أنظمة التبريد المتقدمة في البنية التحتية للطاقة في الكويت.

The proposed study investigates the energy, exergy, economic, and environmental (4E) impacts of integrating advanced cooling techniques within a photovoltaic-thermal (PVT) system to enhance efficiency under Kuwait’s harsh climate. The research evaluates three cooling strategies: copper oxide (CuO) nanofluid, copper (Cu) nanofluid, and a hybrid CuO-Cu nanofluid, all suspended in deionized (DI) water as the base fluid. These configurations will be compared against uncooled PV panels and DI water-cooled systems to assess their relative performance improvements. The system features copper tubes soldered to a copper absorber plate, forming a heat exchanger mounted behind the PV module. The nanofluids will circulate through the tubes, dissipating heat to maintain optimal operating temperatures and boost energy output. Key parameters—including nanofluid composition, concentration, flow rate, and temperature—will be varied to evaluate their effect on heat dissipation, electrical efficiency, and overall system performance, with a focus on minimizing exergy destruction. Real-world testing will be conducted during Kuwait’s peak summer months (June to August) from 7:00 AM to 6:00 PM to capture performance under extreme conditions. Economic feasibility will also be evaluated by comparing the cost of energy generation with fossil fuel-based methods, emphasizing savings in fuel consumption and emissions. The primary goal of this research is to develop an efficient cooling solution using advanced nanofluids to maximize energy output, extend operational lifespan, and reduce exergy losses. By enhancing efficiency and minimizing CO2 emissions, the study aims to contribute to Kuwait’s transition toward sustainable energy. It is anticipated that the hybrid nanofluid, with superior thermal conductivity, will outperform individual nanoflu