雷暉，汪孔祥，馬維剛，謝華清，于偉

(1.上海第二工業(yè)大學(xué)上海熱功能材料工程技術(shù)研究中心，工學(xué)部環(huán)境與材料工程學(xué)院，上海，201209；2.上海第二工業(yè)大學(xué)電子廢棄物資源化協(xié)同創(chuàng)新中心，上海，201209；3.清華大學(xué)工程力學(xué)系，熱科學(xué)與動力工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100084)

近年來，隨著環(huán)境污染的加劇和能源需求的增加，可再生清潔能源的開發(fā)與利用成為了研究重點(diǎn)[1]。太陽能因其清潔無污染，而且能量巨大而受到越來越多的關(guān)注。太陽輻射在1 h內(nèi)到達(dá)地球表面的能量超過人類1年消耗的能量[2?3]。然而，較低的集熱器效率是太陽能應(yīng)用技術(shù)所面臨的主要挑戰(zhàn)之一[4]。與太陽能光伏發(fā)電、太陽能光化學(xué)等相比，太陽能光熱利用是最直接和最有效的方法之一[5]，將吸收的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，可用于加熱工作流體和加熱太陽能蒸餾器中的水，甚至可用于太陽能光熱發(fā)電。集熱器光熱轉(zhuǎn)換效率是太陽能熱利用的關(guān)鍵問題[6]。在傳統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，高效率的選擇性吸收涂層通常用于吸收太陽輻射并將熱量傳遞到工作流體。對于這種表面吸收系統(tǒng)，吸收表面在整個系統(tǒng)中溫度最高，熱損失較高[7]。更重要的是，熱傳導(dǎo)是工作流體獲得熱量的主要途徑，這將導(dǎo)致集熱器系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生高熱阻。MINARDI 等[8]提出了直接式太陽能集熱器(DASC)的概念。DASC 的顯著優(yōu)點(diǎn)是直接由工作流體吸收太陽能，可以減少熱量傳輸過程中的損失。然而，仍有2 個因素限制了DASC 的發(fā)展：工作流體(例如水、醇類和油類)的光熱轉(zhuǎn)化性能和導(dǎo)熱性差。STEPHEN等[9]提出了納米流體的概念。納米流體是將納米粒子分散到基液中形成的懸浮液，這為克服工作流體光熱轉(zhuǎn)換性能和導(dǎo)熱性能差的缺點(diǎn)以及DASC的發(fā)展提供了新的思路。近年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，各種納米材料作為納米流體的填料，用于提高太陽輻射吸收性能和導(dǎo)熱性能，如Ag，Au，Cu，CuO，Al2O3，TiO2和碳納米管(CNT)、石墨、石墨烯等[10?15]。由于納米流體改變了光學(xué)吸收的類型，極大地提高了工作流體的性能和DASC收集器效率，具有寬帶太陽能吸收特性的納米材料為DASC 帶來了新的機(jī)遇。此外，JEON 等[16?18]研究了不同結(jié)構(gòu)的納米粒子對于光熱性能的影響，例如球體、核?殼和棒狀結(jié)構(gòu)的納米粒子。他們還測試了不同幾何形狀接收器的光熱性能，例如管狀和矩形[19?20]。此外，DASC 的光學(xué)吸收特性已得到驗(yàn)證[21?23]。除了工作流體對太陽能的高吸收性能外，還有另外2個關(guān)鍵因素制約DASC的吸收器效率：光學(xué)邊界條件和收集器溫度均勻性。SHARAF等[24]提出納米流體的光熱轉(zhuǎn)化效率不是提高收集器效率的決定性因素，收集器的底面光學(xué)邊界條件對收集器效率有顯著影響。DROTNING[25]通過攪拌使大體積納米流體的溫度均勻，提高了整個系統(tǒng)的內(nèi)能。石墨烯納米片?乙二醇納米流體具有寬帶太陽能吸收特性，本文主要研究其在不同光照模式下的光熱轉(zhuǎn)化性能、頂部光照型DASC、底部光照型DASC以及側(cè)面光照型DASC分別被用于計(jì)算DASC的吸收器效率，同時(shí)，對不同光學(xué)模式下DASC的能量耗散結(jié)構(gòu)進(jìn)行探討，得到更有效的吸收太陽能的方法。最后，通過對比3種實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出一種可以在沒有任何外力的情況下提高納米流體的體積溫度均勻性和系統(tǒng)穩(wěn)定性的實(shí)驗(yàn)方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料和實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)中采用的藥品為石墨烯納米片、乙二醇溶液、聚乙烯吡咯烷酮，均來自中國國藥試劑有限公司，無需進(jìn)一步純化即可使用。所用的儀器設(shè)備為：NA1860超聲清洗機(jī)(蘇州九宇自動化設(shè)備有限公司)、TG16-WS 臺式高速離心機(jī)(長沙高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)湘儀離心機(jī)儀器有限公司)、FA1004N 電子天平(上海菁海儀器有限公司)。

1.2 石墨烯納米片?乙二醇納米流體的制備

將0.5 g 石墨烯納米片和10 mL 聚乙烯吡咯烷酮置于490 mL 乙二醇中超聲震蕩12 h，得到石墨烯納米片濃縮液。再分別加入乙二醇溶液配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001%，0.003%，0.005%，0.007%，0.01%的石墨烯?乙二醇納米流體。

1.3 材料的表征

用X 線衍射儀(德國D8 Advance 公司的XRD)和掃描電子顯微鏡(日本日立S4800 公司的掃描電子顯微鏡)分析納米顆粒的晶體結(jié)構(gòu)和形態(tài)。采用紫外?可見近紅外分光光度計(jì)(UV?Vis NIR，Carry 5000)測量了納米流體的光學(xué)性質(zhì)。

1.4 光熱性能評價(jià)

為了更好地評價(jià)納米流體的光熱吸收特性，采用對比實(shí)驗(yàn)的方法，在3種測試方法中，采用的光照模型如圖1(a)～1(c)所示。為了更好地反映測試系統(tǒng)中納米流體的溫度場分布，將比色皿插入9根如圖1(d)所示的K型熱電偶進(jìn)行溫度測試。熱電偶呈3×3(3 排×3 個)均勻分布在集熱器中心截面，且測溫探頭位于比色皿中心位置。并根據(jù)熱電偶的分布方式，將比色皿分為9塊區(qū)域進(jìn)行研究。

每個單位吸收的能量Qi為

式中：cp為納米流體的比熱容，J/(kg?K)；mi為納米流體的質(zhì)量，kg；Te為瞬態(tài)溫度，K；Tam為環(huán)境溫度，K；ΔTi為溫度差，K。

整個系統(tǒng)的總能量由式(2)得到：

光熱轉(zhuǎn)換效率作為描述光熱轉(zhuǎn)換特性的重要指標(biāo)，可由下式得出：

圖1 先照測試系統(tǒng)Fig.1 Irradiation testing system

式中：A為輻照面積，m；G為輻照強(qiáng)度，W/m2；?t為光照時(shí)間，s。

2 結(jié)果與討論

2.1 石墨烯納米片表征結(jié)果

石墨烯納米片的表征結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出：石墨烯呈片狀，所制備的石墨烯納米片寬度約為30 μm，長度約為70 μm。所使用的石墨烯納米片在(002)，(101)，(102)和(110)處均有峰值，與PDF卡99-0057對比，發(fā)現(xiàn)其具有良好的純度。

2.2 光熱性能研究

2.2.1 透射光譜分析

圖3所示為石墨烯納米片納米流體的透射光譜圖及輻照圖。由圖3(a)可知：納米流體的透過率遠(yuǎn)低于基液乙二醇的透過率，由此可以說明添加少量的石墨烯納米片可以大幅度地提高流體的光吸收性能。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的太陽光輻照度圖由下式可得：

式中：Sm(λ)為納米流體的太陽輻照度；T(λ)為納米流體的透過率；SAM1.5為標(biāo)準(zhǔn)太陽輻照度。

在圖3(b)中，輻照曲線與坐標(biāo)軸所圍成的面積表示流體吸收太陽光能量?？擅黠@地看出隨著納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米流體吸收的太陽的能量也逐漸增多，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%時(shí)，其吸收的能量趨近于光譜輻射的能量。

2.2.2 光熱轉(zhuǎn)化效果分析

圖2 石墨烯納米片表征結(jié)果Fig.2 Characterization results of graphene nanosheet

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)石墨烯納米片納米流體的透射光譜圖及輻照圖Fig.3 Transmission spectroscopies and irradiation diagrams of graphene nano-fluid with different mass fractions

納米流體在不同的光照模式下，內(nèi)部的溫度場分布是不相同的，如圖4所示。由圖4可見：在頂部輻射模式下，工作流體具有明顯的分層現(xiàn)象，溫度場的分布較為明顯，且上下層納米流體在質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)溫差較大；隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，上下層溫差減小，但同層之間的溫度相差較小。在底部輻射的模式下，納米流體上下層溫差較小，這主要是因?yàn)榧{米流體內(nèi)部產(chǎn)生明顯對流使得溫度上下分布更加均勻，且對流的強(qiáng)度隨著納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而逐漸增強(qiáng)。在側(cè)面照射模式下，工作流體也存在一定的溫度場分布，但流體內(nèi)部的溫度場分布均勻，沿光程方向不存在較大的溫差分層。

圖5所示為不同模式下納米流體的吸收能量和光熱轉(zhuǎn)換效率。表1和表2所示分別為不同模式下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體吸收的能量和光熱轉(zhuǎn)換效率。

圖4 納米流體在不同光照模式下的溫度場曲線Fig.4 Temperature field curves of nanofluid under different irradiation modes

圖5 不同模式下納米流體的吸收能量和光熱轉(zhuǎn)換效率Fig.5 Absorbed energies and photothermal conversion efficiencies of nanofluid under different irradiation modes

表1 不同模式下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體吸收的能量Table 1 Absorbed energies of nanofluid with differentmass fractions under different irradiation modes J

表2 不同模式下不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米流體的光熱轉(zhuǎn)換效率Table 2 Photothermal conversion efficiencies of nanofluid with different mass fractions under different irradiation modes %

從圖5可以看出：納米顆粒的加入有效地提升了集熱工質(zhì)對太陽輻射的吸收。在3種模式下，以納米流體作為集熱工質(zhì)，集熱器效率可以提升1倍。不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米流體在3種模式下也具有不同的特征，在較低質(zhì)量分?jǐn)?shù)(小于0.003%)下，側(cè)面光照模式下納米流體所吸收的能量相比較其他2種模式具有明顯的優(yōu)勢，在較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)下(大于0.003%)，底面光照模式有明顯的優(yōu)勢。這主要是因?yàn)樵陧斆婀庹漳Ｊ较?，由于納米流體良好的光學(xué)吸收特性，表層流體將吸收大量輻射，僅有少量的輻射能夠穿過表層納米流體進(jìn)入下層納米流體，因此，這部分流體在短時(shí)間內(nèi)將達(dá)到較高溫度，而下層流體僅能吸收少量的輻射，升溫速度慢，在納米流體內(nèi)部逐漸形成溫度梯度。而溫度升高后，流體的密度降低。密度較低的高溫流體處于集熱器頂部，密度較大的低溫流體處于集熱器的底部，這樣就導(dǎo)致集熱器內(nèi)部的流體溫度梯度逐漸增大并趨于穩(wěn)定。光照表面的高溫區(qū)域暴露在環(huán)境中，與環(huán)境進(jìn)行熱對流交換，這樣極大地增加了集熱器的熱損失，故頂面光照模式下集熱率效率較低。

在側(cè)面光照模式下，納米流體側(cè)面的光照表面吸收了大量的熱量，在垂直方向上的流體密度近似相同，在重力的作用下垂直方向上流體保持相對穩(wěn)定。同樣，由于納米顆粒對于光譜輻射良好的吸收特性，沿光程方向產(chǎn)生了溫度梯度，在同一水平面上溫度分布不均勻?qū)е缕湓趦?nèi)部產(chǎn)生貝納德對流，使非光照表面的納米流體能夠迅速地與光照表面進(jìn)行熱量交換，從而降低了整體系統(tǒng)的熱量損失，集熱率效率較高。

3 結(jié)論

1)以乙二醇為基液時(shí)，集熱器集熱工質(zhì)在加入石墨烯納米片后集熱器集熱效率是純基液的2倍。

2)在頂面光照模式下，納米流體作為集熱工質(zhì)具有明顯的溫度分層以及穩(wěn)定的溫度梯度，這種現(xiàn)象極大地降低了集熱器效率。

3)在側(cè)面和底面光照的模式下，納米流體由于其優(yōu)良的光譜吸收特性，自發(fā)產(chǎn)生了宏觀對流現(xiàn)象，宏觀對流的產(chǎn)生極大地提高了納米流體的溫度不均勻性，顯著地提升了集熱器效率，相比于頂部光照模式，效率最大提高約12%。