直接吸收式太阳能集热纳米流体光热特性研究

　　采用两步法配制了Co-H2O 纳米流体，针对不同粒径、不同质量分数、不同pH 值的纳米流体，与去离子水一起同步测试了其光热转换特性。实验结果表明: 纳米流体的温升速率及集热量明显优于去离子水的。纳米流体质量分数有一最佳值，实验中质量分数为0. 1%时效果最好，其最高温度要比纯水高出30.3%。30 nm Co-H2O 纳米流体的光吸收能力要强于50 nm Co-H2O 纳米流体的。pH 值对光热特性有较大影响，实验中pH = 8 效果最佳。Co-H2O 纳米流体优异的光吸收性能表明其有望运用在直接吸收式太阳能系统中。

　　纳米流体是指以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或非金属氧化物粒子而形成的一种新型的传热冷却工质。自从Choi提出这个概念以来，纳米流体的研究至少开展了18 年，研究者在热物性、强化换热特性、蓄冷特性等方面进行了大量研究，显示出纳米流体良好的传热性能。近几年有学者开始开展纳米流体在太阳能热利用方面的研究，太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。太阳能热利用最关键的是如何提高集热器的集热效率。而提高效率可以从优化集热器结构以及开发出新型的集热工质两方面入手，鉴于目前传统的平板和真空管式集热器都是采用间接集热方式，太阳辐射在通过选择性涂层吸收并转化为热量后，还必须通过涂层涂覆的金属板或玻璃管壁的导热才能传递至工作介质，这种非直接的吸收过程大大影响了集热器效率的提高。1975 年Minardi提出一种直接吸收式太阳能集热器，集热器中的工作流体黑液直接吸收太阳能，有利于减少热损失，提高热效率。

　　由于纳米颗粒的小尺寸效应、量子效应、大比表面积效应以及界面原子排列和键组态的无规则特性使得纳米微粒的光学特性有了较大的变化，具有特殊的光吸收性质。考虑到纳米颗粒优异的光吸收性能和纳米流体良好的热输运性能，已有研究者提出将纳米流体用作直接吸收式太阳能集热器的循环工质，利用纳米流体直接吸收太阳辐射能，以达到提高集热器热效率的目的。国内广东工业大学的毛凌波，浙江大学的赵佳飞、骆仲泱，上海电力大学的朱群志，青岛科技大学的朱海涛等都开展了这方面的研究。

　　纳米流体的光热转换特性研究对其作为太阳能集热介质具有重要的意义，它直接反应了纳米流体的太阳光吸收能力，以上文献中针对光热特性的影响因素研究还是不多而且不够全面。因此，有必要针对纳米流体的光热特性做进一步的研究。

　　本文配制了不同质量分数、不同粒径的Co-H2O纳米流体，研究了粒径、质量分数、pH 值对纳米流体光热特性的影响。旨在探讨纳米流体运用于直接吸收式太阳能集热器的可行性，并为使纳米流体具有最佳的光热特性提供指导。

　　1、实验部分

　　1. 1、纳米流体配制

　　本实验采用两步法制备纳米流体，实验中的纳米钴由上海超威纳米科技有限公司提供，首先称取一定量的纳米粉体，将其与去离子水混合，然后添加一定量的分散剂( 本实验选用十二烷基苯磺酸钠为分散剂) ，使用HCl 和NaOH 溶液调节悬浮液pH =8，经机械搅拌器搅拌30 min 后，形成纳米粒子悬浮液，再经超声振动40 min( 功率90 W) 后形成纳米流体，实验中pH 值采用pHS-25 精密pH 计测试，超声清洗器为KQ2200DE。纳米流体的质量分数分别为0.2%，0.1%，0.04%，0.02%，0.01%。分散剂的用量参考文献，质量分数分别为0.12%，0.06%，0.03%，0.015%，0.0075%。纳米流体的体积分数与质量分数的换算可通过式(1) 进行计算，结果见表1 所示。

　　式中，f v为Co 纳米颗粒的体积分数；fm为Co 纳米颗粒的质量分数；ρf为基液的密度，kg /m³；ρp为Co 纳米颗粒的密度，kg /m³。图1 是两种不同粒径纳米钴的SEM 图像，形状为近球形，有少部分颗粒聚集在一起，但整个纳米颗粒分散较好，粒子平均粒径为50 和30 nm。图2 是本实验制备的不同浓度的Co-H2O 纳米流体(Co:30nm) 的照片，其稳定时间约为10 天。

图1 纳米粒子Co的SEM 图像

表1 质量分数对应的体积分数

　　3、结语

　　在水中添加纳米粒子改变了水的太阳能光谱吸收特性，纳米粒子优异的光吸收性能使得纳米流体整体的光热转换能力加强。粒子质量分数对纳米流体的光热特性影响较大，其温升速率随着粒子质量分数的增加而加大，但是粒子添加量也不宜过多，本实验最佳为0.1%，其最高温度比水的高出30.3%。pH 值会影响纳米流体的稳定性，从而影响其光吸收能力，所以配置纳米流体时要注意调节悬浮液的pH值，本实验pH = 8 效果最佳。

　　另外，粒径的大小也会影响纳米流体的光热性能，粒径越小光吸收能力越强，导热系数也越大。本实验中的Co-H2O 纳米流体具有磁性，磁场对纳米流体的辐射特性有一定的影响，所以，后期将继续研究交变磁场和均匀磁场对纳米流体光热特性的影响，以期进一步提升纳米流体的光热转换能力。