不同光学边界条件强化石墨烯−乙二醇纳米流体吸收器的集热性能

雷晖，汪孔祥，马维刚，谢华清，于伟

(1.上海第二工业大学上海热功能材料工程技术研究中心，工学部环境与材料工程学院，上海，201209；2.上海第二工业大学电子废弃物资源化协同创新中心，上海，201209；3.清华大学工程力学系，热科学与动力工程教育部重点实验室，北京，100084)

近年来，随着环境污染的加剧和能源需求的增加，可再生清洁能源的开发与利用成为了研究重点[1]。太阳能因其清洁无污染，而且能量巨大而受到越来越多的关注。太阳辐射在1 h内到达地球表面的能量超过人类1年消耗的能量[2−3]。然而，较低的集热器效率是太阳能应用技术所面临的主要挑战之一[4]。与太阳能光伏发电、太阳能光化学等相比，太阳能光热利用是最直接和最有效的方法之一[5]，将吸收的太阳辐射能转化为热能，可用于加热工作流体和加热太阳能蒸馏器中的水，甚至可用于太阳能光热发电。集热器光热转换效率是太阳能热利用的关键问题[6]。在传统的光热转换系统中，高效率的选择性吸收涂层通常用于吸收太阳辐射并将热量传递到工作流体。对于这种表面吸收系统，吸收表面在整个系统中温度最高，热损失较高[7]。更重要的是，热传导是工作流体获得热量的主要途径，这将导致集热器系统内部产生高热阻。MINARDI 等[8]提出了直接式太阳能集热器(DASC)的概念。DASC 的显著优点是直接由工作流体吸收太阳能，可以减少热量传输过程中的损失。然而，仍有2 个因素限制了DASC 的发展：工作流体(例如水、醇类和油类)的光热转化性能和导热性差。STEPHEN等[9]提出了纳米流体的概念。纳米流体是将纳米粒子分散到基液中形成的悬浮液，这为克服工作流体光热转换性能和导热性能差的缺点以及DASC的发展提供了新的思路。近年来，随着纳米技术的发展，各种纳米材料作为纳米流体的填料，用于提高太阳辐射吸收性能和导热性能，如Ag，Au，Cu，CuO，Al2O3，TiO2和碳纳米管(CNT)、石墨、石墨烯等[10−15]。由于纳米流体改变了光学吸收的类型，极大地提高了工作流体的性能和DASC收集器效率，具有宽带太阳能吸收特性的纳米材料为DASC 带来了新的机遇。此外，JEON 等[16−18]研究了不同结构的纳米粒子对于光热性能的影响，例如球体、核−壳和棒状结构的纳米粒子。他们还测试了不同几何形状接收器的光热性能，例如管状和矩形[19−20]。此外，DASC 的光学吸收特性已得到验证[21−23]。除了工作流体对太阳能的高吸收性能外，还有另外2个关键因素制约DASC的吸收器效率：光学边界条件和收集器温度均匀性。SHARAF等[24]提出纳米流体的光热转化效率不是提高收集器效率的决定性因素，收集器的底面光学边界条件对收集器效率有显著影响。DROTNING[25]通过搅拌使大体积纳米流体的温度均匀，提高了整个系统的内能。石墨烯纳米片−乙二醇纳米流体具有宽带太阳能吸收特性，本文主要研究其在不同光照模式下的光热转化性能、顶部光照型DASC、底部光照型DASC以及侧面光照型DASC分别被用于计算DASC的吸收器效率，同时，对不同光学模式下DASC的能量耗散结构进行探讨，得到更有效的吸收太阳能的方法。最后，通过对比3种实验结果提出一种可以在没有任何外力的情况下提高纳米流体的体积温度均匀性和系统稳定性的实验方法。

1 实验

1.1 实验原料和实验仪器

实验中采用的药品为石墨烯纳米片、乙二醇溶液、聚乙烯吡咯烷酮，均来自中国国药试剂有限公司，无需进一步纯化即可使用。所用的仪器设备为：NA1860超声清洗机(苏州九宇自动化设备有限公司)、TG16-WS 台式高速离心机(长沙高新技术产业开发区湘仪离心机仪器有限公司)、FA1004N 电子天平(上海菁海仪器有限公司)。

1.2 石墨烯纳米片−乙二醇纳米流体的制备

将0.5 g 石墨烯纳米片和10 mL 聚乙烯吡咯烷酮置于490 mL 乙二醇中超声震荡12 h，得到石墨烯纳米片浓缩液。再分别加入乙二醇溶液配制质量分数为0.001%，0.003%，0.005%，0.007%，0.01%的石墨烯−乙二醇纳米流体。

1.3 材料的表征

用X 线衍射仪(德国D8 Advance 公司的XRD)和扫描电子显微镜(日本日立S4800 公司的扫描电子显微镜)分析纳米颗粒的晶体结构和形态。采用紫外−可见近红外分光光度计(UV−Vis NIR，Carry 5000)测量了纳米流体的光学性质。

1.4 光热性能评价

为了更好地评价纳米流体的光热吸收特性，采用对比实验的方法，在3种测试方法中，采用的光照模型如图1(a)～1(c)所示。为了更好地反映测试系统中纳米流体的温度场分布，将比色皿插入9根如图1(d)所示的K型热电偶进行温度测试。热电偶呈3×3(3 排×3 个)均匀分布在集热器中心截面，且测温探头位于比色皿中心位置。并根据热电偶的分布方式，将比色皿分为9块区域进行研究。

每个单位吸收的能量Qi为

式中：cp为纳米流体的比热容，J/(kg∙K)；mi为纳米流体的质量，kg；Te为瞬态温度，K；Tam为环境温度，K；ΔTi为温度差，K。

整个系统的总能量由式(2)得到：

光热转换效率作为描述光热转换特性的重要指标，可由下式得出：

图1 先照测试系统Fig.1 Irradiation testing system

式中：A为辐照面积，m；G为辐照强度，W/m2；∆t为光照时间，s。

2 结果与讨论

2.1 石墨烯纳米片表征结果

石墨烯纳米片的表征结果如图2所示。由图2可以看出：石墨烯呈片状，所制备的石墨烯纳米片宽度约为30 μm，长度约为70 μm。所使用的石墨烯纳米片在(002)，(101)，(102)和(110)处均有峰值，与PDF卡99-0057对比，发现其具有良好的纯度。

2.2 光热性能研究

2.2.1 透射光谱分析

图3所示为石墨烯纳米片纳米流体的透射光谱图及辐照图。由图3(a)可知：纳米流体的透过率远低于基液乙二醇的透过率，由此可以说明添加少量的石墨烯纳米片可以大幅度地提高流体的光吸收性能。不同质量分数的太阳光辐照度图由下式可得：

式中：Sm(λ)为纳米流体的太阳辐照度；T(λ)为纳米流体的透过率；SAM1.5为标准太阳辐照度。

在图3(b)中，辐照曲线与坐标轴所围成的面积表示流体吸收太阳光能量。可明显地看出随着纳米流体质量分数的增加，纳米流体吸收的太阳的能量也逐渐增多，在质量分数为0.01%时，其吸收的能量趋近于光谱辐射的能量。

2.2.2 光热转化效果分析

图2 石墨烯纳米片表征结果Fig.2 Characterization results of graphene nanosheet

图3 不同质量分数石墨烯纳米片纳米流体的透射光谱图及辐照图Fig.3 Transmission spectroscopies and irradiation diagrams of graphene nano-fluid with different mass fractions

纳米流体在不同的光照模式下，内部的温度场分布是不相同的，如图4所示。由图4可见：在顶部辐射模式下，工作流体具有明显的分层现象，温度场的分布较为明显，且上下层纳米流体在质量分数较低时温差较大；随着质量分数增大，上下层温差减小，但同层之间的温度相差较小。在底部辐射的模式下，纳米流体上下层温差较小，这主要是因为纳米流体内部产生明显对流使得温度上下分布更加均匀，且对流的强度随着纳米流体质量分数的增大而逐渐增强。在侧面照射模式下，工作流体也存在一定的温度场分布，但流体内部的温度场分布均匀，沿光程方向不存在较大的温差分层。

图5所示为不同模式下纳米流体的吸收能量和光热转换效率。表1和表2所示分别为不同模式下不同质量分数纳米流体吸收的能量和光热转换效率。

图4 纳米流体在不同光照模式下的温度场曲线Fig.4 Temperature field curves of nanofluid under different irradiation modes

图5 不同模式下纳米流体的吸收能量和光热转换效率Fig.5 Absorbed energies and photothermal conversion efficiencies of nanofluid under different irradiation modes

表1 不同模式下不同质量分数纳米流体吸收的能量Table 1 Absorbed energies of nanofluid with differentmass fractions under different irradiation modes J

表2 不同模式下不同质量分数纳米流体的光热转换效率Table 2 Photothermal conversion efficiencies of nanofluid with different mass fractions under different irradiation modes %

从图5可以看出：纳米颗粒的加入有效地提升了集热工质对太阳辐射的吸收。在3种模式下，以纳米流体作为集热工质，集热器效率可以提升1倍。不同质量分数的纳米流体在3种模式下也具有不同的特征，在较低质量分数(小于0.003%)下，侧面光照模式下纳米流体所吸收的能量相比较其他2种模式具有明显的优势，在较高质量分数下(大于0.003%)，底面光照模式有明显的优势。这主要是因为在顶面光照模式下，由于纳米流体良好的光学吸收特性，表层流体将吸收大量辐射，仅有少量的辐射能够穿过表层纳米流体进入下层纳米流体，因此，这部分流体在短时间内将达到较高温度，而下层流体仅能吸收少量的辐射，升温速度慢，在纳米流体内部逐渐形成温度梯度。而温度升高后，流体的密度降低。密度较低的高温流体处于集热器顶部，密度较大的低温流体处于集热器的底部，这样就导致集热器内部的流体温度梯度逐渐增大并趋于稳定。光照表面的高温区域暴露在环境中，与环境进行热对流交换，这样极大地增加了集热器的热损失，故顶面光照模式下集热率效率较低。

在侧面光照模式下，纳米流体侧面的光照表面吸收了大量的热量，在垂直方向上的流体密度近似相同，在重力的作用下垂直方向上流体保持相对稳定。同样，由于纳米颗粒对于光谱辐射良好的吸收特性，沿光程方向产生了温度梯度，在同一水平面上温度分布不均匀导致其在内部产生贝纳德对流，使非光照表面的纳米流体能够迅速地与光照表面进行热量交换，从而降低了整体系统的热量损失，集热率效率较高。

3 结论

1)以乙二醇为基液时，集热器集热工质在加入石墨烯纳米片后集热器集热效率是纯基液的2倍。

2)在顶面光照模式下，纳米流体作为集热工质具有明显的温度分层以及稳定的温度梯度，这种现象极大地降低了集热器效率。

3)在侧面和底面光照的模式下，纳米流体由于其优良的光谱吸收特性，自发产生了宏观对流现象，宏观对流的产生极大地提高了纳米流体的温度不均匀性，显著地提升了集热器效率，相比于顶部光照模式，效率最大提高约12%。