晏玉瓊，葉曉江*，侯志堅(jiān)，常懷鐘，史秋怡

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納米流體對(duì)太陽(yáng)能熱電聯(lián)用系統(tǒng)性能的影響

晏玉瓊1，葉曉江1*，侯志堅(jiān)2，常懷鐘1，史秋怡3

（1. 武漢工程大學(xué)，湖北 武漢 430205；2. 深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 深圳 518055； 3. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221008）

將多壁碳納米管納米流體應(yīng)用于太陽(yáng)能熱電聯(lián)用系統(tǒng)中．在光照充足的室外條件下，采用水槽對(duì)表面加入了多壁碳納米管納米流體的太陽(yáng)能電池板的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．主要研究了納米流體液層厚度和濃度對(duì)太陽(yáng)能電池板的表面溫度和輸出功率的影響．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入納米流體能有效降低太陽(yáng)能電池板的表面溫度，液層厚度100mm比10mm能多降低60%的溫度；納米流體濃度越小，輸出功率越大，當(dāng)濃度為0.001wt%時(shí)，最大輸出功率為496 mW．多壁碳納米管納米流體的加入能有效提高太陽(yáng)能電池板的綜合利用效率．

納米流體；濃度；輸出功率；太陽(yáng)能；熱電聯(lián)用

在能源需求日益增長(zhǎng)和傳統(tǒng)化學(xué)能源儲(chǔ)量減少的當(dāng)今社會(huì)[1]，太陽(yáng)能因其可再生、安全、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越引起人們的關(guān)注[2-3]．目前，太陽(yáng)能的應(yīng)用主要集中在光熱、光電、光化學(xué)利用等方面[4]．傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱電聯(lián)用是指是將太陽(yáng)能集熱器和光伏組件相結(jié)合，其中光伏組件能把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能和電能，從而提高太陽(yáng)能綜合利用率[5-7]．然而，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱電聯(lián)用系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較多廢熱，不僅降低了電能轉(zhuǎn)化率，還會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)能電池工作性能惡化[8]．

在太陽(yáng)能電池板工作時(shí)，工質(zhì)會(huì)影響太陽(yáng)能電池板的效率．隨著納米材料的不斷發(fā)展，納米顆粒由于其具有較小的顆粒，其傳熱系數(shù)較高，而且因其無(wú)規(guī)則的形態(tài)，表現(xiàn)出良好的輻射性能，較好的吸光性和熱傳導(dǎo)能力，已有太陽(yáng)能熱電聯(lián)用的研究中使用到納米流體．文獻(xiàn)[9]通過(guò)對(duì)不同濃度的多壁碳納米管和去離子水進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出加入了碳納米管的流體的溫度明顯大于純水，而且溫度的提高速率也要大于純水．說(shuō)明納米流體具有較好的光熱轉(zhuǎn)換能力，能有效地提高太陽(yáng)能的吸收效率．

本文將納米流體應(yīng)用于太陽(yáng)能熱電聯(lián)用[10]系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池工作時(shí)的溫度狀態(tài)，提高發(fā)電效率，同時(shí)提高熱利用率，最終提高太陽(yáng)能的總利用率．由于溫度和輸出功率可以體現(xiàn)太陽(yáng)能電池板的熱電效應(yīng)[11]，本文主要研究納米流體的液層厚度和濃度對(duì)太陽(yáng)能電池工作時(shí)的表面溫度和表面輸出功率的影響．

1 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

1.1 納米流體的制備

本文采用兩步法[12]制備碳納米管納米流體，先用UPT-I型超純水器制得超純水，再加入定量的阿拉伯樹(shù)膠攪拌并進(jìn)行超聲震蕩，然后逐步加入適量碳納米管，依次進(jìn)行強(qiáng)力攪拌和超聲震蕩．制得的碳納米管流體置于室溫下、靜置，無(wú)明顯沉淀產(chǎn)生．取少量納米流體于清水中，能迅速分散開(kāi)來(lái)，即可認(rèn)為碳納米管納米流體制作成功[13]．

1.2 太陽(yáng)能電池板I-U特性測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中選擇市面上常見(jiàn)的、完好無(wú)磨損的硅電池板．為保證測(cè)試系統(tǒng)的性能穩(wěn)定，對(duì)2塊電池板性能進(jìn)行對(duì)比測(cè)試．為了消除溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，整個(gè)實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，在無(wú)光條件下測(cè)量太陽(yáng)能電池板暗電流[14]和暗電壓[15]，測(cè)試裝置如圖1所示．

對(duì)太陽(yáng)能電池板和同時(shí)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得-曲線如圖2所示．由圖2可知，最開(kāi)始曲線位于曲線上方，在15V左右兩曲線重合，大于15V后曲線位于曲線下方．但從整體來(lái)看，曲線和曲線差異不大，曲線變化規(guī)律基本吻合，說(shuō)明兩塊太陽(yáng)能電池板的性能一致．

1.3 熱電聯(lián)用系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

已有研究表明碳納米管納米流體優(yōu)異的光吸收特性和良好的光熱轉(zhuǎn)換特性[16]．例如，文獻(xiàn)[17]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氧化銅-水納米流體的光熱轉(zhuǎn)換特性隨氧化銅的增大而增強(qiáng)．實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，納米流體的容器為厚度2mm的透明玻璃容器，底部大小與太陽(yáng)能電池板表面保持一致；熱電偶為K型熱電偶．系統(tǒng)放置于空曠無(wú)遮擋、光照充足的環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由Keithley2700數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄．太陽(yáng)能電池板在太陽(yáng)的照射下，隨著時(shí)間的增加，電池板表面的溫度會(huì)升高．溫度的升高會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)能電池板效率的降低，降低了太陽(yáng)輻射能的利用程度．實(shí)驗(yàn)中改變了納米流體液層的厚度和濃度，研究這些改變對(duì)太陽(yáng)能電池板表面溫度和輸出功率所帶來(lái)的影響．

圖1 暗電流暗電壓測(cè)試裝置

圖2 太陽(yáng)能電池板的I-U曲線

1和8 太陽(yáng)能電池板；2和7 碳納米管納米流體；3-6 熱電偶

2 結(jié)果分析

2.1 液層厚度對(duì)太陽(yáng)能電池板表面溫度的影響

實(shí)驗(yàn)分別測(cè)試了厚度為10、50、100 mm時(shí)的納米流體液層，得到太陽(yáng)能電池板表面溫度隨時(shí)間變化曲線．由圖4可以看出，隨著太陽(yáng)輻射的積累，電池板表面的溫度逐漸升高．在液層厚度為10 mm，50 mm時(shí)具有很好的一致性，兩者的變化趨勢(shì)基本一致，隨著時(shí)間的變化，溫度逐漸升高，30 min后保持平穩(wěn)．然而，當(dāng)液層厚度為100 mm時(shí)，前30 min，溫度隨著時(shí)間的變化趨勢(shì)是先降低后升高，過(guò)了30 min后，溫度也保持平穩(wěn)．比較其穩(wěn)定溫度大小：10 mm＞50mm＞100mm．

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，太陽(yáng)能電池板接收太陽(yáng)能輻射，會(huì)出現(xiàn)熱斑效應(yīng)．所謂熱斑效應(yīng)是指處于工作狀態(tài)時(shí)的光伏組件，由于某一部分被遮擋，這一部分被當(dāng)做電路中的負(fù)載，消耗太陽(yáng)能電池所產(chǎn)生的能量[18]．被遮擋部分會(huì)產(chǎn)生熱量，這就是熱斑效應(yīng)．這嚴(yán)重影響了太陽(yáng)能電池的工作效率，對(duì)我們的實(shí)驗(yàn)不利．文獻(xiàn)[19]研究了太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生熱斑效應(yīng)的原因是太陽(yáng)能電池板的暗電流和太陽(yáng)能電池板的內(nèi)阻，并且得出結(jié)論：暗電流越大，對(duì)太陽(yáng)能電池板的破壞越大；內(nèi)阻越大，對(duì)太陽(yáng)能電池板的破壞也越大．而暗電流和內(nèi)阻的大小均與太陽(yáng)能的本身結(jié)構(gòu)和內(nèi)部的缺陷有關(guān)，所以，我們?cè)谠囼?yàn)時(shí)，應(yīng)選擇結(jié)構(gòu)完好，無(wú)磨損的太陽(yáng)能電池板．不同液層厚度時(shí)，其表面溫度隨時(shí)間的變化如圖4所示．

納米流體的加入降低了太陽(yáng)能電池板的表面溫度，但不同的液層降低的程度不同，太陽(yáng)能電池板表面的溫度隨著液層厚度的增加而降低，且100mm厚納米流體液層的降低幅度最大，其太陽(yáng)能電池板表面溫度比10mm液層的太陽(yáng)能電池板表面溫度低60%．

2.2 納米流體液層厚度對(duì)輸出功率的影響

輸出功率的測(cè)試選在太陽(yáng)輻射穩(wěn)定的中午時(shí)刻，液層厚度分別為10、50和100mm．圖5表示不同厚度條件下太陽(yáng)能電池板輸出功率隨時(shí)間變化的曲線．

由圖5可以看出，在液層厚度分別為10、50和100mm時(shí)太陽(yáng)能電池板平均輸出功率分別為470、375和244mW，最大輸出功率分別為485、387和255mW．

從變化趨勢(shì)看，電池板的輸出功率隨著納米流體液層厚度的增加而降低．其原因在于太陽(yáng)能電池板上放置納米流體層后，由于碳納米管納米流體對(duì)太陽(yáng)能輻射具有選擇吸收作用，納米流體的厚度越厚，對(duì)太陽(yáng)能的吸收作用越強(qiáng)，因此電池板的輸出功率隨著厚度的增加而減小．在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，厚度100mm的納米流體層輸出功率相對(duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定，輸出功率變化基本與電池板表面溫度變化一致．綜合來(lái)看，液層厚度越小，越適用于太陽(yáng)能熱電聯(lián)用中．

2.3 納米流體濃度對(duì)太陽(yáng)能電池板表面輸出功率的影響

由上面的分析知，液層厚度越小，越有利于太陽(yáng)能電池板的光熱轉(zhuǎn)換．因此，將納米流體層厚度固定為10mm，改變納米流體質(zhì)量濃度分別為：0.001%、0.005%和0.01%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）．得到電池板輸出功率隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示．

圖4 不同時(shí)刻的太陽(yáng)能電池板表面溫度

圖5 不同液層厚度下電池板輸出功率

圖6 不同濃度液層下電池板輸出功率

濃度為0.001wt%、0.005wt%和0.01wt%的電池板最大輸出功率分別為：496mW、386mW和196mW，平均輸出功率分別為474mW、371mW和178mW．輸出功率隨著納米流體濃度的增加而降低，這是由于濃度的增加，納米流體顆粒數(shù)量也增加，相應(yīng)地增加了光程，導(dǎo)致納米流體對(duì)光散射和吸收的增強(qiáng)；同時(shí)隨著納米流體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，納米顆粒之間的相互作用力變大，會(huì)造成碳納米管顆粒的團(tuán)聚，這也會(huì)導(dǎo)致透過(guò)率的降低，使得碳納米管顆粒對(duì)光產(chǎn)生的吸收增多，使得達(dá)到太陽(yáng)能電池板表面的太陽(yáng)輻射能減少，影響了其輸出功率，使得輸出功率降低．

由圖6可以看出，納米流體的濃度越低，太陽(yáng)能電池板的輸出功率越高．所以，可以看出濃度越低越適用于熱電聯(lián)用中，所以適用于熱電聯(lián)用中的最合適的納米流體濃度是0.001wt%．

3 結(jié) 論

本文研究了納米流體的液層厚度和濃度對(duì)太陽(yáng)能電池板表面的溫度和輸出功率的影響，通過(guò)溫度和輸出功率反映了太陽(yáng)能熱電聯(lián)用的性能．由此可以得出納米流體工質(zhì)對(duì)太陽(yáng)能熱電聯(lián)用的影響．

1）納米流體能很好地吸收太陽(yáng)輻射能，相比于10mm液層厚度的納米流體，100mm液層厚度的納米流體能多降低60%的溫度．能有效提高太陽(yáng)能電池板的利用效率．

2）納米流體液層厚度為10、50、100mm時(shí)電池板的輸出功率隨著納米流體液層厚度的增加而降低．納米流體液層厚度越小，太陽(yáng)能電池板的輸出功率越大．輸出功率隨著納米流體濃度的增加而降低．綜合考慮厚度、濃度和降溫效果，最適宜用于太陽(yáng)能熱電聯(lián)用系統(tǒng)的厚度和濃度組合為：厚度為50mm、濃度為0.001wt%．

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Effect of Nanofluids on the Performance of Solar Thermal Power Systems

YAN Yuqiong1, YEXiaojiang1, HOU Zhijian2, CHANG Huaizhong1, SHI Qiuyi3

（1. Wuhan Institute of Technology, Wuhan, Hubei 430205, China; 2. Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China; 3. China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221008, China）

In this paper, multi-walled carbon nanotube nanofluids was used in solar thermal power combined system. Under the well-lit outdoor conditions, the performance of the solar cell with the multi-walled carbon nanotube nanofluids on the surface was tested by using a water tank. The effects of the thickness and concentration of the nanofluids liquid layer on the surface temperature and output power of the solar panel were mainly studied. The experimental results show that the addition of nanofluids can effectively reduce the temperature of the solar panel surface. The temperature can be reduced by 60% when the thickness of liquid layer is100 mm rather than 10 mm. The smaller concentration of nanofluids, the greater the output power. When the optimal concentration is 0.001wt%, the maximum output power will be 496 mW. The addition of multi-walled carbon nanotube nanofluids can effectively improve the comprehensive utilization efficiency of solar panels.

nanofluids; concentration; output power; solar energy; combined heat and power

10.13899/j.cnki.szptxb.2018.05.006

2018-06-11

晏玉瓊（1993-），女，湖北人，碩士研究生，研究方向：動(dòng)力工程．

葉曉江（1972-），男，博士，教授．（E-mail：542953820@qq.com）．

TB383.1

A

1672-0318（2018）05-0036-05