Ag@SiO2核壳纳米流体分频液的制备及其在光伏光热(PV/T)系统中的性能研究

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纳米流体分频型光伏光热(PV/T)系统是有效利用太阳能的方式之一,但目前该研究仍面临着纳米分频液与光伏电池匹配度差、在聚光下难以长期稳定工作等难题。研究表明Ag@SiO2核壳纳米颗粒因其稳定的性质和对太阳光短波波段有显著的吸收而在PV/T系统应用中有广阔的前景。但Ag@SiO2核壳纳米颗粒的制备方法普遍较为复杂,且化学法制备的Ag@SiO2核壳纳米颗粒往往有形貌模糊、尺寸不均、分散不好等缺点,因此本文提出了一种快捷简单的方法制备了分散均匀且核壳结构分明的Ag@SiO2核壳纳米颗粒,并将其分别分散于丙二醇水溶液和丙二醇-硫酸钴混合溶液中作为PV/T系统的分频液,表征了纳米流体的光学性能并通过实验和数值模拟探究了上述纳米流体分频时PV/T系统的电热效率,通过优值函数(MF)评价了系统的性能。(1)在总结前人方法的基础上提出了一种快速制备Ag@SiO2核壳纳米颗粒的方法,得到了结构清晰、粒径均匀、分散良好的纳米颗粒,讨论了Ag@SiO2核壳纳米颗粒的生长机理并通过控制变量法探索了制备该纳米颗粒的最佳条件,最终确定反应体系为乙醇-水(体积比为4:1)混合溶液,反应温度为25℃,溶液pH值为8-9。(2)制备了稳定性良好的丙二醇-水混合基(丙水基)Ag@SiO2纳米流体和丙二醇-硫酸钴混合基(丙硫基)Ag@SiO2纳米流体。研究了纳米流体的光谱透过率和分频效率,结果表明,丙水基纳米流体和丙硫基纳米流体的光谱透过率与光伏电池的光谱响应曲线相似,且纳米流体的分频效率均高于纯基液,其中分频性能最好的是25.4 mg/L的丙硫基纳米流体,作为硅电池和砷化镓电池分频液时的分频效率分别为39.73%和24.59%。(3)搭建了室内实验平台,考察了Ag@SiO2纳米流体分频的PV/T系统的电热效率,并利用优值函数(MF)评价了系统的性能。结果表明,丙水基纳米流体可以输出≥49℃的温度,足以满足寒冷地区生活用热的需求。丙硫基纳米分频液比同浓度的丙水基纳米流分频液更易获得较高的输出温度,但同时其对电效率的降低也更多。电热价值比(w)为3时,丙硫基纳米流体在硅光伏光热系统中的分频性能较好,25.4 mg/L和50.8 mg/L的丙硫基纳米流体均获得了高达1.68的MF值;丙水基纳米流体也在硅光伏光热系统中有较好的分频性能,其中最高的MF值由浓度为5.1 mg/L和25.4 mg/L的纳米流体获得,均为1.50。另外,随着w增加,Ag@SiO2纳米流体分频的PV/T系统的MF不断下降,说明该系统在热能稀缺的地区的优越性更高。(4)设计了Ag@SiO2纳米流体分频的聚光光伏光热(CPV/T)接收器,通过建立能量平衡方程并利用Matlab计算研究了接收器的效率以及MF值随聚光比、光程等参数变化的趋势。结果表明,接收器的电热效率均随着聚光比的增加先增后减。基于硅电池的CPV/T接收器的MF值随光程的增加而升高,而基于砷化镓电池的接收器的MF值则随光程的增加而减小。另外,Ag@SiO2纳米流体分频的CPV/T接收器在w较小时的MF值均高于w较大时的MF。
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