整理：李鸿飞

本文介绍了由浙大骆仲泱、肖刚、倪明江团队提出的一种以纳米流体为工质的直接吸收式太阳能吸热器。通过求解控制方程建立吸热器的仿真模型，考虑纳米粒子的吸收和散射以及基体的吸收来分析系统效率和温度分布，预测结果与实验相一致。相比于基液，纳米流体的出口温度提高了30-100K，光热效率提高了2-25％。体积分数为0.01％石墨纳米流体的光热效率是涂层吸热器的122.75％。

摘要

纳米流体是基液中悬浮纳米粒子的胶体，具有良好的辐射吸收和传热性能，是一种基于直接吸收（DAC）概念的太阳能吸热器的有潜力的工作流体。本文介绍了由浙大骆仲泱、肖刚、倪明江团队提出的一种以纳米流体为工质的直接吸收式太阳能吸热器。通过求解颗粒介质的辐射传递方程，结合导热和对流换热方程，基于DAC概念建立了纳米流体吸热器的仿真模型，考虑纳米粒子的吸收和散射以及基体的吸收来分析系统效率和温度分布，预测结果与实验相一致。相比于基液，纳米流体的出口温度提高了30-100K，光热效率提高了2-25％。体积分数为0.01％石墨纳米流体的光热效率是涂层吸收吸热器的122.75％。研究表明，即使是低含量的纳米流体对太阳能也能很好的吸收，并可以提高出口温度和系统效率。

1、简介

纳米流体是工程上在基液中悬浮纳米粒子的胶体。在辐射特性方面，纳米流体可以吸收或选择性地吸收太阳辐射。它们可以用于汽车应用，疾病治疗，电气设备冷却和太阳能等方面。

直接太阳辐射吸收集热（DAC）概念是在20世纪80年代提出的。与通过光谱选择吸收性涂层吸收太阳辐射的商业真空管吸热器相比，DAC系统直接吸收太阳辐射因此可以减少传热过程热阻。基于DAC的容积式太阳能吸热器，小颗粒吸热器和其他类型的吸热器已经被提出用于太阳能热应用。随着纳米技术的发展，加入低含量颗粒可以提高太阳辐射的吸收，而且纳米颗粒的极小尺寸可以避免泵和管道的堵塞。

本文在求解辐射传输方程时仔细考虑了纳米流体层的辐射传输，通过DAC吸热器中的导热和对流耦合建模来研究纳米流体的DAC吸热器的温度分布和性能，对纳米流体的辐射和导热特性进行了实验研究。根据结果对直接吸收式吸热器的效率进行了计算，并用于验证模型和优化太阳能纳米流体吸热器的设计。

2、模型

图1是基于DAC设计的太阳能吸热器的原理图，纳米流体从右向左水平流动，上方有厚度为5mm的玻璃平板覆盖。假设流体层的边界是半透明的，不发光和漫反射。纳米流体层假设为悬浮有球形颗粒的胶体。纳米流体层和玻璃盖中的辐射和导热得到充分发展。在玻璃盖的顶部界面处，存在对流和辐射损失，两侧为绝热，吸热器底部为绝热，假设入口流体温度和环境温度均为300K。纳米颗粒吸收和散射热辐射，基质吸收辐射。系统的效率可以由下式表示：

纳米流体的导热系数通过实验测得，由图2可以看出，纳米流体导热系数随着温度的升高导热系数减小。可以发现，所有实验的纳米颗粒均提高了基液的导热系数，其中体积分数5%的石墨纳米颗粒提高了68.9%的导热性能。

图 2各种纳米流体导热系数随温度的变化

3、实验装置和方法

3.1 纳米流体的准备

在本研究中，通过两步法制备纳米流体，其中将TiO₂，Al₂O₃，Ag，Cu和SiO₂等纳米颗粒以及石墨和碳纳米管直接加入Texatherm油中以制备稳定的悬浮胶体。 纳米粒子的尺寸如表1所示。十六烷基三甲基溴化铵作为分散剂以SN比为0.3添加。

3.2 DAC太阳能吸热器

实验系统的原理图如图3所示。实验系统由冷水箱，蠕动泵，热水箱，安捷伦数据采集设备和太阳辐射模拟灯组成。太阳辐射模拟灯有9个氙灯，最大功率为54千瓦。每个灯的功率和位置可以分别调节，以调节集中点的大小和强度。吸热器是一个10厘米宽，2.5厘米深的铝通道，石棉包裹在其周围以减少热量损失。在吸热器中插入7个热电偶来获得温度分布。纳米流体以稳定的入口温度从冷罐中流入吸收器吸收辐射然后流入热水箱。

4 结果与讨论

4.1 辐射特性

图4（a）显示，当深度增加时纳米流体的透射率下降。图4反映了纳米流体对入射辐射的吸收性增加了至少是基液的5倍（除了SiO₂）。SiO₂纳米流体的吸收效果最差，而Cu和Al₂O₃纳米流体的效果最好，它们几乎吸收了全部的辐射。由于纳米粒子的小尺寸效应，非常低浓度纳米流体的吸收性就能取得显着改善。大体上本研究中的大部分纳米粒子都适用于太阳能应用。

图 4纳米流体的光谱透射率

4.2 系统效率

图5展示了太阳能吸热器的出口温度和系统效率。出口温度是稳定状态下流出面上的平均温度，随着入口流速的增加而减小，因此环境热损失减小，系统效率升高。图5（a）和（b）表示在入口速度一定时，出口温度随入射辐射强度增加而增加，吸热器的整体温度以及热损失随着入射辐射的增加而上升，同时系统效率降低。当入射辐射强度为4000W / m²时，光热效率最大增幅为50％。

图5（b）表明出口温度随着入射辐射强度的增加而增加。除TiO₂以外，纳米流体的出口温度比油基流体有明显的改善。入射辐射量增加时，不同纳米流体的出口温度差别变大，最大差值在25K以内。当入射辐射强度为8000W / m²时，出口温度最多升高70K。图5（c）显示出口温度随入口速度的增加而降低。如图5（d）所示，在不同入口速度下，效率可提高2-25％。

图5表明，吸热器的性能在一定程度上取决于纳米流体中纳米颗粒的材料。根据效率值，纳米流体的顺序可以表示为：C≈Ag≈Al₂ O₃> SiO₂≈0.01％Cu> 0.025％Cu> TiO₂。

图 5吸热器的系统效率及出口温度

一般来说，预测与实验结果一致。但由于颗粒团聚（如图6），团簇的当量直径是不确定的且大于原始颗粒尺寸，同时团簇的形状改变。由于纳米流体的吸收性能随颗粒尺寸的增大而增大，因此实验的透射率小于计算值，实验的光热效率高于计算值。

图 6铜纳米颗粒发生团聚现象

4.3 温度及辐射分布

图7展示了不同工质的吸热器的横截面温度及辐射分布。其中，在玻璃盖的下侧有黑色涂层的结构如图7(d1)和(d2)以代表涂层吸收吸热器。图7（a2）和（b2）表明，因为添加了纳米粒子，入射辐射在吸热器的上部流层中可以被完全吸收。对于不同的纳米流体，辐射吸收分布是不同的，纳米流体的辐射分布对温度分布的影响比对油的影响更大。

在垂直方向上，温差更为显着，数据表明纳米流体比油具有更高的辐射吸收。吸热器中的温度分布表明，体积吸收特性大大降低了对环境的热损失。图7（b1）和图7（c1）的平均出口温度分别为489K和481K，均高于涂层吸收吸热器(d1)的出口温度。体积分数0.01％石墨和0.5％Al₂O₃纳米流体的光热效率分别为涂层吸收吸热器的122.7％和117.5％。

图 7流体中温度分布和辐射分布。(a1)和(a2)为基质油，(b1)和(b2)为体积分数0.01%石墨纳米流体，(c1)和(c2)为体积分数0.5% Al₂O₃纳米流体，(d1)和(d2)为玻璃盖有黑色涂层的基质油

5、结论

本文研究了纳米流体的DAC太阳能吸热器的性能改进。通过将微粒介质中的辐射传热与DAC吸热器中的导热和对流传热相结合，提出了预测光热效率的模拟模型，并与实验结果相一致，主要结论如下：

(1) 纳米流体的热导率随着温度的升高而降低，热导率随着纳米颗粒含量的增加而增加。纳米流体的辐射特性与深度有关，低体积分数的纳米流体也能有效地增强200-2000nm波长辐射的吸收。

(2) 纳米流体的出口温度和效率分别比油提高了30-100K和2-25％。除了TiO₂之外，纳米颗粒（C，Ag，SiO₂，Al₂O₃，Cu）能提高DAC吸热器的效率。根据效率值，纳米流体的性能顺序可以表示为：C≈Ag≈Al₂ O₃> SiO₂≈0.01％Cu> 0.025％Cu> TiO₂。

(3) 体积分数0.01％石墨和体积分数0.5％Al₂O₃纳米流体的光热效率分别为涂层吸收吸热器的122.7％和117.5％。

参考文献

LuoZ, Wang C, Wei W, et al. Performance improvement of a nanofluid solar collectorbased on direct absorption collection (DAC) concepts[J]. International Journalof Heat and Mass Transfer, 2014,75:262-271.