水基金纳米流体的实验表征和统计分析：光学特性和光热转换效率

研究背景

直接吸收太阳能集热器(DASC)将传热流体（HTF）直接暴露于入射辐射中，由传热流体而非表面直接吸收热量可以避免传统的集热器相关的热损失。目前，通常采用纳米流体(NFs)用作HTFs。NFs是将纳米颗粒(NPs)的悬浮液均匀分散在基流体中，以获得改进的导热性能和传热性能。一些特殊金属NPs（包括Au、Ag、Cu、Al和Li等），在某些太阳光波长下表现出表面等离子体共振（SPR），具有增强吸收特性的潜力。特别的，Au NPs具有良好的胶体性和热稳定性、高的电导率和热导率，在阳光光谱的宽波长范围内具有较强SPR，成为了DASC的太阳能纳米流体的良好候选材料。西班牙海梅一世大学Leonor Hernández课题组采用统计分析的方法量化分析了金纳米流体水溶液的光学和光热性质与纳米颗粒粒径、浓度等相关参数间的相互作用关系。

相关成果以“Experimental Characterization and Statistical Analysis of Water-Based Gold Nanofluids for Solar Applications Optical Properties and Photothermal Conversion Efficiency”为题，发表在期刊《Solar RRL》（IF= 8.582）上。

研究内容

金作为SPR的金属材料之一，是利用这一特性来提高太阳能纳米流体的太阳辐射吸收能力的良好候选材料。本文系统的研究了水性金纳米流体对于DASC的适用性。分别制备了不同粒径5nm、20nm，以及不同Au浓度5.1ppm、28.2ppm和51.3ppm的纳米流体，用于评估相关变量对与DASC光热性能相关的几个性质的研究的影响。并得到相关重要的结论:

1)在PTE实验中达到的最高温度(低于40℃)下，两种尺寸的商用Au 纳米流体均表现出良好的胶体稳定性；

(2)消光系数的测量结果表明，纳米流体在吸收可见光辐射光谱波长内的太阳辐射方面优于水；

3)对于Au NP尺寸，纳米流体在5 nm和20 nm时分别呈现出516和520 nm的等离子体共振波长。该波长与浓度无关，随着NP的增加而增加；

4)粒径对消光系数的影响与Au浓度无关。纳米流体在51.3 ppm浓度下的性能最好；

5) NPs的加入对吸收光的比例有积极影响，光被吸收的穿透距离显著减小。这对于在设计DASC时减少尺寸和成本非常重要；

6) PTE计算采用了两种方法：第一种计算方法不考虑热损失，第二种计算方法考虑热损失。虽然两种PTE计算的绝对值不同，但与水相关的PTE增强在两种情况下显示出相似的趋势；

7)对所有测试的纳米流体 PTE均增强。在51.3 ppm浓度下，NP为5 nm的纳米流体可获得与基液相比最大121%的PTE增强；

8)统计分析可以用来评估输入变量对PTE结果的影响，证实了NP粒径和Au浓度([Au])在统计学上显著影响PTE；

9)对于整个数据集，D-PTE之间的相关性不具有统计学意义。因此，这些变量对之间没有统计学上的相关性，而[Au]-PTE之间在统计学上存在显著的正相关性；

10) Au浓度虽然对PTE有正向影响，但在测量浓度范围内PTE的增加不是线性的；

11) 鉴于文献中PTE的高度分散，不易将结果与之前的工作进行对比。轮询调度测试可能可以克服这种高分散，并帮助推进太阳能纳米流体在DASC的潜在应用。

从未来DASC工业应用的角度来看，本文的结果强调了使用较小尺寸的NP的优势(较低的Au浓度显著提高了PTE结果)和减少所需的纳米流体体积以减少集电极深度，两者都对DASC成本有积极影响。

研究数据

图1. 被测样品照片。

图2. PTE测试的实验装置。

图 3. 太阳(实线)和人工阳光模拟器(虚线)光谱。

图4. 金纳米颗粒：a) 5 nm，b) 20 nm。

图5. 5 nm和20 nm的商用金纳米颗粒的粒径分布随温度的变化。

图6. 基流体(水)和水基金纳米流体(NFs)的消光系数。

图7. 吸收光与基液(水)和水基Au NFs穿透距离的比值。

图8. 基液(水)和水基金NFs的温度变化与辐照时间的关系。

图9. 与水相关的 NFs 的 PTE 增强。

图10. 本文研究所用的统计方法

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/solr.202200104

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