利用印楝天然提取物的金纳米颗粒的中等通量直接吸收太阳能系统的光热转换分析

研究背景

太阳能集热器通常用于使用表面吸收材料和管中的工作流体将太阳能转换为热能。在过去的二十年中，研究人员，科学家和技术人员已经使用了许多技术，通过不同类型的吸收材料，设计修改和使用纳米技术来提高太阳能集热器的热性能。最近，研究人员一直专注于一个创新的概念，即纳米流体负载的直接吸收太阳能收集器（DASC）太阳能热系统，以提高光热转换效率。在DASC系统中，工作流体或更适当体积的液体直接吸收太阳辐射，而无需吸收材料。由于工作流体的均匀温度、减少热损失和更高的光热转换效率，DASC显示出比传统表面吸收太阳能集热器（SASC）更好的前景。然而，DASC系统的性能主要取决于工作介质的光学特性。纳米粒子在基液中的分散可以显著增强工作基液的光学特性，这使得它们适用于低、中和高倍的DASC系统。等离子体纳米颗粒是非常小的金属颗粒，如Ag、Au、Cu、TiN等，其由于其支持表面等离子体共振的能力而表现出独特的光学性质。表面等离子体激元是金属中的传导电子在入射光的激发下的集体振荡。与其他纳米颗粒相比，它们是非常强的光吸收剂，并用于太阳能热转换应用。这是因为等离子体纳米颗粒表现出高的自由载流子密度，并在暴露于自然阳光时表现出局部表面等离子体共振（LSPR）效应。LSPR效应是贵金属中传导电子的集体共振，其由处于或接近共振频率的入射光触发。通过改变纳米颗粒的尺寸、形状和材料以及基础流体的折射率，可以调谐等离子体纳米颗粒的LSPR峰以用于广谱太阳能利用。在过去的几年中，许多研究已经检查了使用等离子体纳米流体的低、中和高通量DASC系统的光热转换性能。这些等离子体纳米结构的限制之一是LSPR峰位于特定的共振波长处，因此仅在太阳光谱的一部分中发生局部加热。为了克服这一点，研究人员已经专注于通过使用混合和混合纳米流体吸收太阳光谱的宽带范围。最近对低通量到高通量DASC的综述表明，与基于工作流体的其他纳米颗粒相比，等离子体纳米结构接种的纳米流体显示出巨大的潜力。众所周知，在高温范围内，这些DASC易于产生高辐射和发射损耗。此外，使用纳米流体作为工作流体仍然存在障碍，例如纳米颗粒的高成本，复杂的化学合成路线，较长时间的稳定性，以及阻碍这些新系统未来商业化的沉降或聚集。并且，大多数金属纳米颗粒是不可生物降解的，这可能导致进一步的环境问题。为了克服上段中概述的问题，印度BR博士国家理工学院机械工程系可再生能源和能源效率小组，研究展示了一种使用环保传热流体改善中等通量集中DASC系统的热性能的新概念。

相关 成果以“Photo-Thermal Conversion Analysis of a Medium-Flux Direct Absorption Solar System Using Gold Nanoparticles With Natural Extract of Azadirachta Indica”为题发表在美国机械工程师学会会刊《Journal of Solar Energy Engineering 》。

研究结论

该系统使用由印楝的天然提取物和Au等离子体纳米颗粒制备的混合传热流体。设计了一种基于非对称复合抛物面聚光器（ACPC）的聚光型DASC系统，并在不同工质条件下对该系统进行了室外实时实验研究。实践证明，FGN在太阳能蒸馏器中的简单混合方法是有效的。FGN + PCM（改型（A））、FGN+气膜冷却（改型（B））、FGN+气膜冷却（改型（C））、FGN + PCM+气膜冷却（改型（D））的生产率提高幅度分别为50.28%、65%、56.15%、73.8%。FGN和PCM提高了水的温度，FGN提高了水的饱和蒸汽压，气膜冷却提高了水玻璃温差。同时，对于改进方案（A）和改进方案（B），太阳能蒸馏器的性能随着水深的增加而降低。该研究还系统地报告了制备的传热流体的光学特性及其在环境中长时间储存的稳定性。

研究数据

图1（a）Au等离子体纳米颗粒的合成过程和（b）印楝提取物的化学合成

图2（a）合成的Au等离子体纳米颗粒相对于基础流体水的吸收光谱（样品厚度为1 cm）和（b）合成的Au等离子体纳米颗粒的HR-TEM图像，（c）Au等离子体纳米颗粒尺寸平均值42.5 nm的直方图（标准差±2.07），和（d）印楝天然提取物合成物相对于基液水的吸收光谱（样品厚度为1 cm）

图3（a）具有平面DASC系统的制造实验装置的示意图和（b）图示

图4 制备的传热流体例如印楝传热流体、Au纳米流体（4 ppm）和混合传热流体对于300- 800 nm波长的消光系数（样品流体厚度为1 cm）

图5 使用不同传热流体（例如水、印楝传热流体、Au等离子体纳米流体（4 ppm）和混合传热流体（波长范围为300-800 nm））的储存能量分数的比较

图6 印度贾朗达尔（北纬31.25度，东经75.44度）实验期间晴天的平均太阳通量（最大标准差为±61 W/m2）和平均环境温度（最大标准差为±1.51 °C）

图7 在平面DASC系统中具有不同传热流体的温度曲线，所述传热流体例如水、印楝（Azadirachta Indica）传热流体、Au等离子体纳米流体（4 ppm）和混合传热流体（工作流体的体积为200 ml，浓度比约为1）。

图8 在基于ACPC的浓缩DASC系统中具有不同传热流体的温度曲线，所述传热流体例如水、印楝（Azadirachta Indica）传热流体、Au等离子体纳米流体（4 ppm）和混合传热流体（工作流体的体积为200 ml并且浓缩比为约3.3）。

图9 不同传热流体（流体深度为2 cm）的平面DASC（最大标准偏差±0.71 °C）和基于ACPC的集中DASC系统（最大标准偏差±1.4 °C）中的温度增益

图10 在阳光暴露之前和之后，两个DASC系统中不同传热流体的吸光度（a）印楝传热流体，（b）Au等离子体纳米流体，和（c）混合传热流体（比色皿中的流体厚度为1cm;波长范围为300-800 nm）

图11（a）作为新鲜样品的制备的传热流体的照片和（b）60天后的传热流体的样品

https://doi.org/10.1115/1.4063809

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