Аннотация результатов, полученных в 2019 году
За отчетный период были достигнуты следующие результаты: 1) разработана конструкция и создан полномасштабный прототип солнечного коллектора прямого поглощения на основе наножидкости, проведены теплогидравлические испытания устройства. Номинальная площадь коллектора 1.9 кв.м., КПД прототипа в режиме поверхностного облучения зачерненной поверхности находится в диапазоне 72%-85%, что соответствует серийным коммерческим аналогам.  2) созданы вспомогательные экспериментальные установки для исследования теплоотдачи и деградации поверхности стенок канала при использовании наножидкостей. Проведены фоновые замеры эрозионного износа поверхности медных трубок. 3) разработаны мишени-ресиверы для использования наножидкости в гелиоконцентраторе под давлением до 2 атм. 4) разработаны теория и численные модели течения, теплообмена, поглощения теплового излучения и статистики слипания частиц в наножидкости. Все теоретические результаты поверены путем сравнения с экспериментальными измерениями. 5) согласно теоретическим данным, оптимальный состав "оптической" наножидкости определяется толщиной слоя жидкости, в котором полностью поглощается падающее тепловое излучение. Для разработанного прототипа солнечного коллектора прямого поглощения оптимальная массовая концентрация наночастиц составляет 0,05%. 6) синтезированы стабильные наножидкости на водной основе с углеродными нанотрубками и наночастицами магнетита. Размер частиц в наножидкости не превышает 400 нм. 7) разработаны теория и численная модель придонной области геотермального теплообменника, проведена оптимизация состава наножидкости для эффективного теплообмена в скважине. Для стандартной геометрии геотермального теплообменника и наножидкости на водной основе с наночастицами оксида алюминия оптимальная объемная доля наночастиц варьируется в интервале 5-6%, на дне теплообменника возможно формирование депозита размером не более 15% от общего объема частиц в системе. 8) разработана численная CFD-модель эрозионного износа поверхности типового сантехнического колена наночастицами. Построены карты эрозионного износа поверхности. По результатам численного моделирования сделан вывод, что наибольший износ достигается в случае слипания наночастиц в агломераты размером 1 мкм. 

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
На втором этапе проекта были проведены комплексные испытания разработанного солнечного коллектора прямого поглощения с использованием двух типов наножидкости: наножидкости на основе 200-нм графеновых нанотрубок и гибридной наножидкости, синтезированной на основе смеси 30-нм наночастиц оксида железа и графеновых нанотрубок. Было изучено влияние магнитного поля на эффективность работы коллектора с гибридной наножидкостью. Для оптимизации работы коллектора была разработана полномасштабная компьютерная модель устройства и проведены симуляции работы солнечного коллектора в более широком диапазоне изменения эксплуатационных параметров, чем в экспериментах. В результате проведенных испытаний и численного моделирования было получено, что наибольшая эффективность коллектора достигает 90% при использовании наножидкости с 0,01% масс. графеновых нанотрубок. Измеренные значения КПД превышают аналогичные характеристики коммерческих солнечных коллекторов и прототипов солнечных коллекторов прямого поглощения, разработанных другими научными группами. Графеновая наножидкость имеет хорошие эксплуатационные свойства, невысокую стоимость (ок. 200 руб/кг), не блокирует трубки и не образует масштабных отложений внутри трубок коллектора. Согласно данным численного моделирования, оптимум концентрации нанотрубок корректируется до 0,006% масс. Гибридная наножидкость в эквивалентной концентрации наночастиц показала себя менее эффективной, зарегистрированный КПД коллектора был в среднем ниже на 15%, чем для графеновых нанотрубок; наличие постоянного магнитного поля существенным образом не влияет на КПД при данной концентрации наночастиц. Создан лабораторный прототип геотермального теплообменника, который представляет собой уменьшенную пропорционально до 1,8 м копию коаксиального скважинного теплообменника, размещенного внутри вертикальной колоны кварцевого песка. Проведены тестовые пуски прототипа с водой в качестве теплоносителя на мощности до 440 Вт и расходе до 120 л/ч. Получены распределения температуры теплоносителя по высоте, а также радиальные распределения температуры грунта на разных уровнях теплообменника. Для оптимизации работы теплообменника разработана полномасштабная компьютерная модель теплообменника, модель поверена относительно экспериментов с погрешностью в интервале 8-20%. Для использования в теплообменнике были синтезированы стабильные наножидкости на основе наночастиц оксида алюминия с массовой долей частиц до 5%. Выполнены измерения размера агломератов наночастиц в полученных пробах, средний размер составляет 250 нм. Проведены аналитические замеры коэффициента теплопроводности наножидкости при различных концентрациях оксида алюминия. Согласно полученным результатам, 5% наночастиц алюминия способны увеличить теплопроводность наножидкости до 14% относительно теплопроводности базовой жидкости. Полученные данные по теплопроводности хорошо согласуются с результатами, полученными другими научными группами. Опубликованы 3 работы в международных изданиях, выполнены доклады на 2 конференциях.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На третьем этапе проекта были проведены комплексные исследования наножидкостей на основе оксида алюминия и их применение в геотермальном теплообменнике. Созданы стабильные наножидкости на основе оксида алюминия с массовыми концентрациями от 1 до 8%. Выполнены измерения времени стабильного статического состояния проб и размеров агломератов наночастиц во времени. Средний размер агломератов не зависит от концентрации оксида алюминия в пробе и составляет 183 нм. Так же измерены коэффициенты теплопроводности и вязкости наножидкостей в зависимости от концентраций наночастиц. Максимальные значения относительных вязкости и теплопроводности равны 1,2 и 1,15 соответственно, что хорошо согласуется с результатами, полученными другими научными группами. Проведены эксперименты с использованием базовой жидкости и наножидкостей в лабораторном прототипе геотермального теплообменника, который представляет собой 1,8-метровый коаксиальный скважинный теплообменник, размещенный внутри вертикальной колоны кварцевого песка. Проведены измерения подогревов теплоносителей в теплообменнике при расходах от 40 до 120 л/ч. Получены распределения температуры грунта по высоте и по радиусу. Рассчитанные коэффициенты производительности и добротности превышают единицу, что подтверждает целесообразность использования наножидкостей в качестве теплоносителей в геотермальном теплообменнике. Экономический интегральный эффект выгоды использования геотермального теплообменника с наножидкостью может достигать сотен тысяч рублей. Проведены эксперименты по задержке агломератов наночастиц оксида алюминия в грунте в случае протечки в теплообменнике. С увеличением толщины слоя грунта, проходимой наножидкостью, уменьшается средний размер агломератов, при этом в короткий временной интервал наножидкость теряет свою стабильность и все наночастицы выпадают в осадок. Создана совместная система геотермального теплообменника и солнечного коллектора с целью реализации «дозарядки» грунтовой колонны. Наножидкость за счет большего коэффициента теплоотдачи наиболее эффективна в сравнении с базовой жидкостью. Выполнен расчёт гибридной фотоэлектрической системы с использованием в качестве теплоносителя воздуха, воды, наножидкости с частицами серебра, коммерческого теплоносителя Duratherm S и Duratherm S (ITO) с наночастицами оксида индия и олова. Электрический КПД солнечной панели повышается до 23,5% при использовании наножидкости. Общий КПД при охлаждении наножидкостью в среднем превышает на 20% общий КПД при охлаждении Duratherm S (ITO). Результаты работы опубликованы в 2 международных журналах, один из которых имеет в квартиль Q1.