太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化中金納米棒流體光學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究

楊茜茹，沈 朝，張春曉，張承虎

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 建筑學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.寒地城鄉(xiāng)人居環(huán)境科學(xué)與技術(shù)工業(yè)和信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150090)

太陽(yáng)能被廣泛認(rèn)為是最有前途的能源，并因此引起了許多研究者的關(guān)注[1-4].太陽(yáng)能利用的最基本方法是光熱轉(zhuǎn)換.間接吸收太陽(yáng)能集熱器的傳熱過(guò)程存在大量的熱量流失，光熱轉(zhuǎn)換效率低.為了改善傳熱和降低成本，直接吸收太陽(yáng)能集熱器在20世紀(jì)80年代被引進(jìn)[5].

納米流體可以有效地改善液體的熱物理性質(zhì)，提高工質(zhì)在太陽(yáng)光譜波長(zhǎng)范圍內(nèi)的吸收性能.Mehrali等[6]利用石墨烯-銀納米流體研究了直接吸收式太陽(yáng)能集熱器全光譜光熱轉(zhuǎn)換.研究結(jié)果表明，集熱器的效率可達(dá)77%.西安交通大學(xué)張煜等人[7]實(shí)驗(yàn)測(cè)定集熱器內(nèi)為純水時(shí)集熱器效率39.99%，使用金納米流體時(shí)集熱器的效率高達(dá)78.75%，并且所用金納米顆粒的等離激元共振發(fā)生在波長(zhǎng)500 nm左右，集熱器內(nèi)的光譜強(qiáng)度在該波段附近明顯減弱.這是因?yàn)楫?dāng)表面等離子體共振效應(yīng)被激發(fā)時(shí)，光的吸收和散射可顯著增強(qiáng)[8].

影響直接吸收式太陽(yáng)能集熱器轉(zhuǎn)換效率的因素很多，包括太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、體積分?jǐn)?shù)、質(zhì)量流率和光學(xué)厚度，很多研究者對(duì)這些影響進(jìn)行了研究.宗美林等[9]實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同質(zhì)量濃度水基碳納米管納米流體的光熱轉(zhuǎn)化效率.結(jié)果表明，納米流體的光熱轉(zhuǎn)換效率隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低，最高為37.31%.Gupta等[10]在研究中指出，Al2O3納米流體直接吸收式太陽(yáng)能集熱器在流量1.5 L/min的情況下熱效率相比去離子水提高了8.1%，2 L/min的工況下可提高4.2%.

對(duì)于非球狀納米顆粒，不同入射角度將因尺寸影響引起不同程度的等離子激元效應(yīng).現(xiàn)有研究對(duì)于非球狀納米顆粒入射情況研究甚少.段慧玲等[11]實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同形狀的金納米顆粒在水中形成的混合等離子體納米流體的光熱特性.實(shí)驗(yàn)表明，與單組分納米流體相比，等離子體混合納米流體的消光譜得到了拓寬.

為了得到納米流體的光譜吸收特性，測(cè)定流動(dòng)過(guò)程納米流體溫升，通過(guò)精確流速控制，測(cè)試納米流體的透射率，從而準(zhǔn)確掌握實(shí)際應(yīng)用效率很有必要.金納米棒顆粒較容易地合成，并且通過(guò)調(diào)整長(zhǎng)徑比可以簡(jiǎn)單地調(diào)整其光學(xué)性能[12].為了測(cè)試納米棒流體的光學(xué)特性，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，研究其于直接吸收式太陽(yáng)能集熱器的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，通過(guò)精確流速控制，準(zhǔn)確掌握實(shí)際應(yīng)用效率.

1 納米流體的制備

水基金納米棒流體從北京百歐泰生物科技有限公司購(gòu)得.所購(gòu)置納米流體吸光度光譜如圖1所示.

圖1 所購(gòu)置納米流體吸光度光譜

用去離子水稀釋后采用超聲波清洗機(jī)振蕩得到三種不同體積分?jǐn)?shù)的金納米棒流體(0.3 ppm、0.1 ppm和0.05 ppm)，其吸光度光譜如圖2所示.24 h后仍未在燒瓶底部觀(guān)察到顆粒沉降，可用于本實(shí)驗(yàn)研究.采用分光光度計(jì)測(cè)試其透過(guò)率.

圖2 不同體積分?jǐn)?shù)納米流體吸光度

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

為了測(cè)試納米棒流體的光學(xué)特性，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，其原理圖如圖3所示.直接吸收式太陽(yáng)能集熱器等效實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括蠕動(dòng)泵、太陽(yáng)光模擬器、模擬集熱器.將存放待實(shí)驗(yàn)的納米流體的燒杯置于恒溫水浴進(jìn)行入口溫度調(diào)控，納米流體通過(guò)蠕動(dòng)泵驅(qū)動(dòng).供回水管道上均設(shè)有溫度采集點(diǎn)，利用T型熱電偶進(jìn)行流體溫度測(cè)定.實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1.

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)的搭建，如圖4.本系統(tǒng)的模擬集熱器采用設(shè)計(jì)的玻璃器皿，如圖5所示，該器皿為方形結(jié)構(gòu)(60 mm×60 mm，h=10 mm)，置于木板上，內(nèi)部空腔注入所研究納米流體，進(jìn)水口和出水口設(shè)在器皿對(duì)稱(chēng)端面.

圖4 納米流體光學(xué)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)

圖5 納米流體載液實(shí)物圖

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

金納米棒流體的有效熱增益可以用公式(1)計(jì)算.

Qu=Qmcp(To-Ti)

(1)

式中：Qm是金納米棒流體質(zhì)量流量，kg/min；納米流體入口溫度Ti；納米流體出口溫度To；納米流體熱容量cp(J/kg·℃).

進(jìn)入系統(tǒng)的太陽(yáng)能總量可由式(2)計(jì)算，環(huán)境溫度Ta，太陽(yáng)輻射照度IT(W/m2)，集熱器表面積Ac.

Qin=ACIT

(2)

集熱器光熱轉(zhuǎn)換效率ηi由式(3)計(jì)算.

(3)

2.3 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行工況

通過(guò)實(shí)驗(yàn)探討了納米流體的流速在不同工況運(yùn)行條件下對(duì)金納米棒流體光熱轉(zhuǎn)換效率的影響.本次研究所開(kāi)展實(shí)驗(yàn)運(yùn)行工況如表2所示.

表2 納米流體光學(xué)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 光照強(qiáng)度對(duì)納米流體光學(xué)特性的影響

3.1.1 光照強(qiáng)度對(duì)納米流體出口溫度的影響

為了探究光照強(qiáng)度對(duì)納米流體出口溫度的影響，測(cè)試分析了0.05 ppm金納米棒流體，400 W/m2、600 W/m2和800 W/m2三種輻射強(qiáng)度的等效太陽(yáng)光照射時(shí)金納米棒流體的溫升情況.從圖6中可以看出，隨著時(shí)間推移，集熱器出口流體溫度逐漸升高.光照強(qiáng)度越大，金納米棒流體所能達(dá)到的終溫越高，升溫幅度越大.對(duì)于靜止進(jìn)口溫度為24℃的納米流體，在800 W/m2的輻射照度下，出口溫度可以達(dá)到37.7℃，溫度都能提高13.7℃.

圖6 納米流體不同光照強(qiáng)度金納米棒流體溫升曲線(xiàn)

3.1.2 光照強(qiáng)度對(duì)納米流體吸熱量的影響

流速是所探究影響納米流體吸熱能力的重要因素，流速影響金納米棒顆粒的排列形式，從而影響納米流體的光譜透過(guò)率.圖7顯示了不同流速情況下的0.05 ppm金納米棒流體在不同光照強(qiáng)度下的吸熱量.光照強(qiáng)度越大，納米流體的吸熱量越大.例如，對(duì)于0.5 mL/min流速，在400 W/m2照射下，達(dá)到穩(wěn)定溫度的過(guò)程中能吸收3 474.68 J熱量，在600 W/m2照射下，達(dá)到穩(wěn)定溫度的過(guò)程中能吸收5 400.76 J熱量，在800 W/m2照射下，過(guò)程中能吸收6 629.98 J熱量.

圖7 金納米棒流體不同光照強(qiáng)度吸熱量對(duì)比

3.1.3 光照強(qiáng)度對(duì)集熱器光熱轉(zhuǎn)化效率的影響

研究了不同流速下不同光照強(qiáng)度金納米棒流體的光熱轉(zhuǎn)換效率，如圖8所示，光照強(qiáng)度的增加會(huì)導(dǎo)致光熱轉(zhuǎn)換效率的降低，流速越低，光熱轉(zhuǎn)換效率越低.對(duì)于光照強(qiáng)度為400 W/m2的情況來(lái)說(shuō)，隨著流速的增大，光熱轉(zhuǎn)換效率逐漸增大，在流速為0.75 mL/min時(shí)達(dá)到接近58%的值.在一定流速控制下，光照強(qiáng)度越小，納米流體的光熱轉(zhuǎn)換效率越高，在一定輻照時(shí)間內(nèi)，入射太陽(yáng)輻射會(huì)被納米流體吸收，光照強(qiáng)度越大，納米流體達(dá)到了更高的平衡溫度，吸熱量的增加導(dǎo)致集熱器表面以及頂部納米流體溫度的升高從而增加散失到環(huán)境中的熱量.

圖8 不同流速金納米棒流體光熱轉(zhuǎn)換效率

3.2 納米流體濃度對(duì)納米流體光學(xué)特性的影響

3.2.1 納米流體濃度對(duì)納米流體出口溫度的影響

調(diào)整太陽(yáng)光模擬器使得輻射照度為800 W/m2，不同流速不同濃度金納米棒流體集熱器出口納米流體溫度如圖9所示.隨著金納米棒顆粒濃度的增加，納米流體進(jìn)出口溫差增大.納米流體的溫升速率和達(dá)到穩(wěn)定后的最大平衡溫度均有所提高.例如對(duì)于靜止進(jìn)口溫度為22.29 ℃的納米流體，在800 W/m2的輻射照度下，去離子水的出口溫度可以達(dá)到37.53 ℃，0.3 ppm的金納米棒流體的出口溫度可以達(dá)到40.1 ℃.

圖9 納米流體不同濃度金納米棒流體溫升曲線(xiàn)

3.2.2 納米流體濃度對(duì)納米流體吸熱量的影響

如圖10所示，增大濃度納米流體的吸熱量會(huì)增加.當(dāng)納米粒子數(shù)目增加時(shí)，納米流體對(duì)所有波段輻射能量的消光能力均增加，這導(dǎo)致了納米流體體積內(nèi)的光譜輻射熱流通量的衰減從而引起納米流體吸熱量的增加.對(duì)于0.75 mL/min流速，在800 W/m2照射下，達(dá)到穩(wěn)定溫度的過(guò)程中，去離子水能吸收6 630.04 J熱量，0.05 ppm的納米流體能吸收7 330.39 J熱量，0.1 ppm的納米流體能吸收8 157.15 J熱量，0.3 ppm的納米流體能吸收9 044.93 J熱量.

圖10 金納米棒流體不同濃度吸熱量對(duì)比

3.2.3 納米流體濃度對(duì)集熱器光熱轉(zhuǎn)化效率的影響

分析了相同光照強(qiáng)度條件下的不同濃度金納米棒流體的光熱轉(zhuǎn)換效率.不同流速金納米棒流體光熱轉(zhuǎn)換效率如圖11所示.可以看出濃度的增加可以提高納米流體光熱轉(zhuǎn)換效率，流速越大，納米流體光熱轉(zhuǎn)換效率越大.對(duì)于0.3 ppm濃度的金納米棒流體在0.75 mL/min流速控制下的光熱轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到52.3%相比較同條件下的去離子水光熱轉(zhuǎn)換效率在20%，納米流體的光熱轉(zhuǎn)換效率提高了162%左右.

圖11 不同流速金納米棒流體光熱轉(zhuǎn)換效率

4 結(jié)論

本文對(duì)金納米棒流體光熱特性的影響因素進(jìn)行了分析.探究了光照強(qiáng)度以及納米流體濃度對(duì)于金納米棒流體光熱特性的影響.所研究的納米流體在所探究的濃度范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的光熱轉(zhuǎn)換效率，隨著濃度的增加，光熱轉(zhuǎn)換效率提高.得出以下結(jié)論：

(1)對(duì)于0.5 mL/min流速控制時(shí)，600 W/m2的照射，納米流體出口溫度相較400 W/m2的照射下提升18.5%；

(2)納米流體濃度增大，吸熱量會(huì)增加.對(duì)于0.3 ppm濃度的金納米棒流體在0.75 mL/min流速控制下的光熱轉(zhuǎn)換效率相比同條件下的去離子水提高了162%左右；

(3)0.3 ppm的金納米棒流體在0.75 mL/min流速控制時(shí)，接受800 W/m2的照射，光熱轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到52.3%，相較無(wú)流速控制的效率提升162%.