基于纳米流体的直接吸收太阳能收集用于太阳能驱动海水淡化的光热性能实验研究

转自Case Studies in Thermal Engineering

论文信息：

Abdul Sattar, Bai Bofeng, Faraz Fazal. Experimental investigation of photothermal performance in nanofluid-based direct absorption solar collection for solar-driven water desalination. Case Studies in Thermal Engineering 59 (2024) 104464

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117641

研究背景

随着人口的增加和化石燃料的枯竭，能源需求与日俱增，这是工业和经济的主要问题。可再生能源被认为是满足能源需求的最佳解决方案。太阳能是广泛可用，丰富，可再生的替代能源，用于消除化石燃料的后果，并已用于许多应用，例如用于生产饮用水的海水淡化。传统的太阳能集热器不能有效地捕获辐射，因为入射太阳辐射和工作流体之间存在三个热阻。第一辐射被黑色表面板吸收，第二发热量通过传导模式传递到管子，第三发热量通过对流传热从管子传递到工作流体。为了最大限度地减少这些热损失，开发了一种体积或直接吸收太阳能集热器（DASC），用于直接吸收太阳能收集。在体积式太阳能集热器中，太阳辐射直接落在工作流体上。因此，太阳辐射和工作流体之间没有热阻。纳米流体是一个重要的研究领域，由于具有出色的传热能力，它被用于我的传热应用。然而，许多数值和实验研究表明，与二元纳米流体相比，单个纳米流体具有较低的色散稳定性、较低的太阳吸收、更高的成本和较差的传热性能，用于海水淡化的优先级较低。因此，使用单个纳米流体可以克服使用二元纳米流体的问题，以实现有效和经济的海水淡化。

研究内容

使用紫外-可见光谱技术评估纳米流体在太阳光谱可见光范围内吸收光的有效性非常重要。该技术测量光学吸收，其中纳米流体样品吸收光并将其转化为热量。评估色散稳定性和光吸收的光学吸收分析对于确定纳米流体样品是否适合用于太阳能应用（如海水淡化）非常重要。具有最高的色散稳定性被认为是太阳能收集的良好候选者。为此，使用紫外-可见分光光度计测试了纳米粒子重量为0.01%时不同纳米流体的光学吸收率。在紫外可见光区域，如图1（a-c）所示，各种纳米流体在浓度为0.01%（重量）时具有不同的吸收峰。实验结果表明，不同类型的纳米流体在紫外至可见光谱范围内表现出不同的光学吸收峰。由0.01%重量的GO、ZnO和FeO纳米颗粒组成的水基纳米流体分别在281nm、362nm和395nm的波长处表现出宽肩，如图1（a）所示。在纯GO的情况下获得最大吸收值。GO纳米流体样品的高吸收率与其深颜色、良好的分散稳定性、高吸收率和高导热率有关。虽然FeO纳米流体的吸收最少，因为与本研究中使用的其他纳米流体相比，FeO不是可见光谱中太阳能的良好吸收剂。与GO相比，本研究中所有其他纳米流体的光学吸收大部分吸收峰位于紫外到可见光区域。在图1（b-c）中，显示了二元纳米流体（GO-ZnO和GO-FeO）的光学吸光度。吸收光谱显示在可见光和红外区有吸收，但在紫外区有显着的吸收区。在两种二元（混合）组合中，吸收峰的强度随着GO浓度的降低而降低。因此，纯氧化石墨烯（100%GO）纳米流体由于最大吸收率而在所有水基纳米流体（GO、ZnO和FeO）及其复合材料（GO-ZnO和GO-FeO）中表现出最高的吸收峰。

图1 浓度为0.01wt%时的光学吸收光谱。(a) GO、ZnO和FeO的纳米流体，(b) GO-ZnO的二元纳米流体，(c) GO-FeO的二元纳米流体

在光热实验中，使用去离子水（DI水）中的微量纳米颗粒来制备纳米流体样品，用于将纳米颗粒温度视为纳米流体样品的本体流体温度。为了观察由GO、ZnO、FeO及其复合材料（GO-ZnO和GO-FeO）组成的纳米流体在直接或体积太阳能集热器中的太阳能吸收，将包括去离子水（基液）在内的所有这些类型的纳米流体在自然阳光5小时。使用三个等距热电偶来测量本工作中使用的每种类型纳米流体的平均温度。在实验开始时，在所有温度测量热电偶中观察到平均温度呈线性增加。温升如图2（a-c）所示，是指实验开始时纳米流体的初始温度与暴露在阳光下的最终温度之间的平均温度变化。实验开始时，大部分太阳热能转移到纳米流体样品的溶液中，导致温度线性升高。一些热量散失到大气中。随着纳米流体样品温度的升高，样品与环境之间的平均温差也随之增大。结果，热损失增加，以致后来观察不到实验开始时的线性趋势。

GO、ZnO、FeO及其二元复合材料（（GO-ZnO和GO-FeO）的温度分布如图2（a-c）所示。实验观察到，所有类型的纳米流体都表现出比纳米流体更高的温度梯度。在0.01wt%浓度下，GO、ZnO和FeO纳米流体在自然太阳通量实验下5小时的平均温升分别为17.75℃、10.88℃和8.31℃。还进行了评估含有GO-ZnO和GO-FeO的二元纳米流体的热性能。该实验将GO-ZnO和GO-FeO二元纳米流体与单组分ZnO和FeO纳米流体以及去离子水的性能进行了比较。实验结果表明，二元纳米流体的平均温度变化首先增加，然后随着ZnO和FeO浓度的增加而减小。

图2 浓度为0.01wt%时平均温度升高。(a) GO、ZnO和FeO的纳米流体，(b) GO-ZnO的二元纳米流体，(c) GO-FeO的二元纳米流体

为了计算蒸发效率（这是海水淡化领域的一个重要因素），使用数字秤来测量纳米流体样品因蒸发而损失的质量。为此，实验在自然阳光下进行了5小时，最初加热了散装流体。图4（a-c）证实了水基纳米流体GO、ZnO、FeO及其复合材料（GO-ZnO和GO-FeO）的显热贡献。随着实验的进行，吸收的能量被用来蒸发纳米流体样品，随着样品体积的总体平均温度增加，导致环境热损失增加。实验结果表明，纳米流体样品的质量损失与样品整体流体温度的升高成正比。图3（a-c）显示了单个纳米流体（GO、ZnO、FeO）及其二元化合物（GO-ZnO和GO-FeO）的平均蒸发质量损失。在颗粒浓度为0.01wt%时，观察到纯GO纳米流体的质量损失最高，这证明氧化石墨烯(GO)比本研究中的其他纳米流体样品吸收了更多的太阳能。在本次研究中发现，纯GO能够比其他纳米流体样品吸收更多的太阳通量，并且由于GO纳米流体中的吸收率较高，观察到最大质量损失，并且在去离子水中观察到较低的吸光度。这也与其他研究的结果一致。对于颗粒浓度为0.01wt%的二元纳米流体（GO-ZnO和GO-FeO），随着FeO和ZnO浓度的增加，平均质量损失先增大后减小，如图3（b-c）所示。

在纯GO的情况下，与纯ZnO、纯FeO及其二元组合相比，观察到最高的质量损失，这以基液（去离子水）中纳米颗粒的不同太阳能吸收的形式进行描述。由于GO是一种碳基纳米流体，具有不寻常的碳原子排列和含氧官能团，可以与太阳辐射产生更大的相互作用，从而产生更大的吸收和更大的蒸发。质量损失的减少还取决于（GO-ZnO和GO-FeO）中GO的浓度，其随着GO浓度的降低而降低。二元混合物（GO-ZnO和GO-FeO）中的每个GO纳米颗粒都可以作为吸收自然太阳辐射的潜在候选者。GO浓度越高意味着颗粒数量越多，可以吸收更多的太阳辐射，从而增加基础液中太阳能纳米颗粒的整体吸收能力，从而导致更高的蒸发速率。

图3 浓度为0.01wt%时的平均质量损失。(a) GO、ZnO和FeO的纳米流体，(b) GO-ZnO的二元纳米流体，(c) GO-FeO的二元纳米流体

图4 0.01wt%浓度下的显热效率、蒸发效率和光热效率。(a) GO、ZnO和FeO的纳米流体，(b) GO-ZnO的二元纳米流体，(c) GO-FeO的二元纳米流体

总结与展望

为了评估海水淡化应用的潜力，使用体积或直接太阳能在自然太阳通量下研究了由GO、ZnO、FeO及其二元组合（GO-ZnO和GO-FeO）组成的水基纳米流体的光热性能吸收收集器。在光热性能的背景下考虑了纳米流体样品的光吸收、温度升高、蒸发引起的质量减少、显热效率和蒸发效率，并得出了以下结论。

1.实验观察到，所有类型的纳米流体GO、ZnO、FeO及其复合材料（GO-ZnO和GO-FeO）由于高太阳光吸收特性而表现出比基液更高的光热性能。这是通过更高的温度上升和蒸发导致的更高的质量损失来揭示的，这表明纳米流体在体积收集器中具有有效吸收太阳能的潜力。

2.二元复合纳米流体（GO-ZnO和GO-FeO）的光热效率比单独的纳米流体（ZnO，FeO）更高，除了纯GO，它是一种碳基纳米粒子，具有更高的太阳能吸收率比本研究中使用的其他纳米流体。然而，纳米流体的二元组合取决于浓度混合比，二元组合中单个组分（ZnO、FeO）的过量添加会降低光热和吸收效率。

3.比较海水淡化应用的光热性能，本研究中纳米流体的降序为（纯GO、75%GO-25%ZnO、50%GO-50%ZnO、25%GO-75%ZnO、75%GO-25%FeO、50%GO-50%FeO、25%GO-75%FeO、纯ZnO和纯FeO）（0.01wt%）。此顺序显示了纳米流体在海水淡化应用中的潜力，其中太阳能吸收、温度增益和质量损失被认为是重要因素。纯GO纳米流体由于其深色、良好的分散稳定性、高吸收率和高导热率，在本研究工作中使用的所有类型的纳米流体中显示出最大程度的光热转换效率增强。

这项研究表明，GO纳米流体和(GO-ZnO、GO-FeO)纳米流体由于具有很强的太阳能吸收特性，以适当的浓度混合比为海水淡化应用提供了直接太阳能热能收集的潜在替代方案。这项研究工作仅涉及纳米流体的光热特性，以评估其在海水淡化应用中的潜力。纯GO及其二元复合材料(GO-ZnO、GO-FeO)优异的光热性能为大规模太阳能驱动的海水淡化应用提供了进一步的研究和思考。此外，这项研究强调了纳米流体的重要性，纳米流体是海水淡化应用的有前途的技术。通过分析这项研究的结果，研究人员可以开发基于太阳能的海水淡化应用的可持续解决方案，从而促进能源储备基金和资产使用的关键升级。

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