研究背景

现如今，太阳能利用技术不断发展，光热转换效率低是其主要的局限性之一，因此人们在提高太阳能利用效率方面做了大量的工作。太阳能热发电是一种很有前途的太阳能利用方式，它将太阳能转化为热能，然后直接发电。作为一种有效的太阳能收集方法，直接吸收式太阳能集热器（DASCs）利用水、熔盐等工作流体将太阳能转化为热能。而这些常见的工作流体通常对太阳辐照的吸收能力较弱，这在很大程度上限制了太阳能集热器的能源效率。在这种情况下，一种在基液中悬浮纳米颗粒的新型工作流体——纳米流体被提出来，以提高DASCs中工作流体的光吸收和传热能力。而单组分纳米流体光吸收特性存在吸收峰或者对某一段波长的光存在强吸收性质，因此很难找到光吸收光谱与太阳光谱完全匹配的单组分纳米流体，为此湖南大学郑雄副教授团队通过引入MWCNTs和SiC纳米颗粒进行调控纳米流体的光吸收性能，从而有效提高DASC的光热转换效率。

相关成果以“Enhanced photothermal conversion performance of MWCNT/SiC hybrid aqueous nanofluids in direct absorption solar collectors”为题发表在期刊《Journal of Molecular Liquids》（IF=6，JCR一区，）上。文章第一作者为湖南大学硕士研究生包艳琼，通讯作者为湖南大学郑雄副教授。

研究结论

在直接吸收太阳能集热器(DASC)中，工作液体被用来吸收全波段太阳能并将其直接转化为热量，为了DASC高效收集和转换太阳能并实现广泛应用，为了寻找一种具有良好光热转换能力的纳米流体，本研究提出了一种同时含有SiC纳米颗粒和MWCNTs的新型混合水性纳米流体。MWCNTs对近红外光具有良好的吸收能力，而SiC纳米颗粒对紫外光和可见光具有优异的吸收能力，该混合纳米流体克服了单组分纳米流体的缺点，利用MWCNTs和SiC纳米颗粒的互补光学特性实现了良好的宽光谱太阳能吸收。由于MWCNT/SiC混合纳米流体中MWCNTs和SiC纳米颗粒在光吸收性能和导热性能中体现出正向耦合作用，使MWCNT/SiC混合纳米流体的光热转换能力有了显著的提升。并对其不同组分混合纳米流体的光热转换特性进行分析研究，得出当MWCNTs浓度为5ppm和SiC纳米颗粒浓度为40ppm的MWCNT/SiC混合纳米流体在一个太阳光强度照射1小时后，光热转化效率达到最高值为64.7%。由于DASC的深度设计及其重要，因此研究不同深度对能量的收集的影响，在该浓度下，MWCNTs/SiC 杂化纳米流体的深度在15.8mm下收集的能量达到98%。该研究推动了MWCNT/SiC混合纳米流体作为光吸收工作流体在太阳能集热器中的应用。

研究数据

图1 光热转换测试系统示意图

图2 纳米颗粒的形态和纳米流体的稳定性测试

图3 MWCNT浓度对纳米流体透射率的影响

图4 MWCNT、SiC和杂化纳米颗粒在两种浓度下的吸收率曲线

图5 不同SiC浓度下纳米流体的消光系数、吸收的太阳能功率谱和太阳能加权吸收分数

图6 纳米流体的导热性和增强作用

图7 辐照1小时后不同深度和SiC浓度纳米流体的温升分布和光热转换效率以及与文献对比情况

图8 三种纳米流体辐照1小时后的能量分布

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167732223013818?dgcid=author#f0005