金溶膠對(duì)太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化效率的影響探討

陳文域

摘? ?要：金溶膠是太陽(yáng)能運(yùn)用技術(shù)中的一種重要金屬，能夠運(yùn)用到集熱工質(zhì)中，提高光熱轉(zhuǎn)換效率。文章通過金納米制備實(shí)驗(yàn)、照射實(shí)驗(yàn)及其數(shù)據(jù)的分析，觀察水、水與金溶膠混合液的不同溫升情況與太陽(yáng)瞬時(shí)輻射值，進(jìn)而探討金溶膠的添加對(duì)于集熱工質(zhì)光熱轉(zhuǎn)化效率的影響。結(jié)果顯示，混合液對(duì)于太陽(yáng)能的光熱轉(zhuǎn)換效率顯著高于超純水，表明金溶膠能夠影響光熱轉(zhuǎn)換效率，在太陽(yáng)能技術(shù)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：金溶膠;太陽(yáng)能;光熱轉(zhuǎn)化效率;集熱工質(zhì)

金溶膠（gold sol）是一種具有局域表面等離子體共振特性，且有良好的光吸收與光散射性質(zhì)的物質(zhì)，是一種多相不均勻體系，粒子直徑為2～5 nm時(shí)顯示為橙黃色，10～20 nm時(shí)顯示為橘紅色，30～80 nm時(shí)顯示為紫紅色。該膠體合成簡(jiǎn)便，有強(qiáng)烈的散射光，溶液顯示為透明的酒紅色，團(tuán)聚時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯的顏色變化，并有顯著的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)與量子效應(yīng)，在光學(xué)、電子、生物親和性與催化活性方面有獨(dú)特性，是目前催化、傳感與生化分析等領(lǐng)域的應(yīng)用熱點(diǎn)之一，因其優(yōu)越的導(dǎo)電性能與良好的表面化學(xué)活性，能夠極大地降低小電子給體和受體之間的距離，增加電子和電極間的傳遞速率。有實(shí)驗(yàn)表明，在基液中添加金納米顆粒，工質(zhì)輻射吸收性能顯著提高，使太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換效率顯著提高。金納米顆粒因其良好的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、穩(wěn)定性及較寬波長(zhǎng)范圍等特點(diǎn)，成為等離子激元共振體系中應(yīng)用廣泛的一種重要金屬[1]。本研究從金納米制備實(shí)驗(yàn)與陽(yáng)光照射實(shí)驗(yàn)出發(fā)，分析金溶膠對(duì)于太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)化效率的影響。

1? ? 實(shí)驗(yàn)部分

1.1? 金溶膠制備

實(shí)驗(yàn)儀器包括超聲波清洗儀、透射電子顯微鏡、磁力加熱攪拌器、分光光度計(jì)、超純水系統(tǒng)、分析天平及若干玻璃器皿等。實(shí)驗(yàn)材料為氯金酸（HAuCl4·4H2O）、濃硝酸、檸檬酸鈉（Na3C6H5O7·2H2O）與濃硫酸等。將1 mL 2%的HAuCl4水溶液與199 mL超純水混合，配制為0.01%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水溶液，在三角瓶中加入100 mL混合液后，并用保鮮膜封閉，置入加熱磁力攪拌器中進(jìn)行加熱攪拌，使其升溫至100 ℃，再將1 mL 1%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的檸檬酸鈉溶液一次性迅速加入三角瓶中，待檸檬酸鈉水溶液從金黃色快速變?yōu)楹诨疑珪r(shí)，再加熱至透明酒紅色，室溫下自然冷卻，置于4 ℃避光環(huán)境下保存待檢。

1.2? 金溶膠表征檢測(cè)

透射電鏡檢測(cè)表征如圖1所示，顯示金溶膠中的納米金顆粒平均直徑在50 nm左右。

紫外分光光度計(jì)檢測(cè)表征如圖2所示，金溶膠吸收峰在531.2 nm左右。

1.3? 陽(yáng)光照射實(shí)驗(yàn)部分

采用全天候光輻數(shù)據(jù)記錄儀、CENTER309K型溫度計(jì)及超純水系統(tǒng)、玻璃器皿等。玻璃器皿采用雙層真空玻璃瓶，內(nèi)部直徑為2 cm，外部直徑為4 cm，內(nèi)部高度10 cm，外部高度11 cm，1 cm厚真空夾層則位于中間，整個(gè)玻璃厚度1.5 mm，橡膠塞6 mm厚，橡膠塞、玻璃導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.15 J（m·s·K），0.76 J（m·s·K），瓶壁與內(nèi)部流體、外部空氣的對(duì)流換熱系數(shù)分別為15 W（m·K），10 W（m·K），集熱瓶與水平面保持60 ℃，再用太陽(yáng)光持續(xù)垂直照射集熱瓶1 h，之后按照以下方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

第一個(gè)方案：將10 mL超純水加入其中一個(gè)試管中，再將0.4 mL金溶膠與9.6 mL超純水混合液加入另一個(gè)試管中，兩個(gè)試管初始溫度保持一致，試管內(nèi)所有熱電耦檢測(cè)點(diǎn)保持基本一致的相對(duì)溫度，水浴加熱兩試管內(nèi)溶液，監(jiān)測(cè)溫升情況。該方案的目的在于驗(yàn)證比熱容的變化可能會(huì)對(duì)溫度變化產(chǎn)生的影響，原因是加入金溶膠會(huì)使溶液比熱容出現(xiàn)相應(yīng)的變化，在混合液、超純水液太陽(yáng)輻射熱量吸收相同的情況下，兩種溶液溫升變化速率可能有所不同[2]。

第二個(gè)方案：向兩個(gè)玻璃瓶中分別加入10 mL超純水、0.4 mL金溶膠與9.6 mL超純水。確保瓶?jī)?nèi)各個(gè)熱電耦探頭維持基本相同的相對(duì)溫度，監(jiān)測(cè)溫升變化情況及垂直照射時(shí)的太陽(yáng)瞬時(shí)輻射值的變化情況。實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟诜治黾尤虢鹑苣z后對(duì)混合液溫升變化產(chǎn)生的影響，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析加入0.4 mL金溶膠后混合液光熱轉(zhuǎn)化效率產(chǎn)生的變化[3]。

2? ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1? 第一方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

收集并分析自開始加熱起至液體溫度升高到平穩(wěn)時(shí)間內(nèi)的溫度變化數(shù)據(jù)，圖3顯示為溫度隨著加熱時(shí)間變化的情況。水浴加熱試管時(shí)，試管中的溶液會(huì)對(duì)溫度的變化有異常的敏感性，若加熱時(shí)造成的溫度變化速率太快時(shí)，容易影響溫升變化觀察結(jié)果。70 ℃溫度下，觀察更為準(zhǔn)確、穩(wěn)定。此外，實(shí)驗(yàn)中需用沸水加熱玻璃瓶。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，雙層真空玻璃瓶具有較顯著的隔熱性能。溶液加熱時(shí)，需采用熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)兩種試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，兩種溶液的溫升速率基本保持一致，溫升峰值也基本一致[4]。

10 g混合液中包含了4.543×10﹣3 g金溶膠，比例極低，因此，金溶膠的添加對(duì)超純水比熱容的影響可以忽略不計(jì)，視兩者比熱容相同。加熱兩種溶液的過程中，一定時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生相同的熱源Q，若兩種溶液能夠保持相同的質(zhì)量m，那么比熱容也能夠基本保持相同，使比熱容帶來的溫升變化情況也基本相同。

2.2? 第二方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

溶液初始溫度為25.9 ℃，陽(yáng)光照射1 h內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)一定的溫升變化，實(shí)驗(yàn)中需收集這一變化數(shù)據(jù)，記錄下每10 s發(fā)生的溫升變化數(shù)據(jù)，記錄下每10 min發(fā)生的太陽(yáng)瞬時(shí)輻射值數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。照射1 h后，超純水、混合液分別從初始的25.9 ℃上升到44.3 ℃、48.8 ℃，混合液溫升數(shù)據(jù)較超純水高5.3 ℃。取擬合曲線式y(tǒng)=A+B1x+B2x2，太陽(yáng)輻射瞬時(shí)值的變化曲線擬合公式中的A值為587.571 43，B1值為﹣0.058 75，B2值為8.928 57×10﹣7;超純水溫度變化擬合曲線公式中的A值為23.089 32，B1值為0.011 06，B2值為﹣1.463 79×10﹣6;超純水溫度變化擬合曲線公式中的A值為23.745 81，B1值為0.014 52，B2值為﹣2.155 95×10﹣6。對(duì)比兩個(gè)方案結(jié)果，太陽(yáng)垂直照射實(shí)驗(yàn)中，兩種液體的溫升速率存在差異，原因在于金納米顆粒的添加增加了混合液對(duì)于太陽(yáng)光輻射量的吸收量與速率，進(jìn)而加速了溫升變化，而比熱容并非溫升變化差異的原因[5]。

3? ? 討論

分析光照時(shí)的熱量傳遞情況可以得知：溶液能夠?qū)? h照射實(shí)驗(yàn)中太陽(yáng)光輻射量產(chǎn)生的部分熱源Qz轉(zhuǎn)化成溶液本身的熱量Qr，促使液體溫度不斷上升。溶液溫度在光照情況下超過環(huán)境溫度時(shí)，溶液中就會(huì)有一部分熱量Qs散向瓶頸、瓶塞、瓶身。實(shí)驗(yàn)中還存在因反射與透射等因素未被溶液所吸收的能量Qc。

因此，可采用以下公式計(jì)算太陽(yáng)能輻射總量：

（1）

t1值為0 s，t2值為3 600 s，A值為587.571 43，B1值為﹣0.058 75，B2值為0.928 57×10﹣7;S代表受照射溶液面積，取值1×10﹣3 m2，θ代表太陽(yáng)高度角，取值30°，計(jì)算可得Qz=3 496.8 J。

設(shè)定瓶中各處的溫度相同，并經(jīng)瓶頸、瓶塞與瓶身向外界散熱，計(jì)算公式為：

（2）

t1值為0 s，t2值為3 600 s，設(shè)定光照時(shí)的環(huán)境溫度恒定30 ℃，Δt=A+B1t+B2t2-30，l1代表瓶頸長(zhǎng)度，取值0.04 m，A代表瓶塞面積，取值3.14×10﹣4，l2代表瓶高，取值0.06 m，R1表示瓶頸熱阻，取值2.476 m2K/W，R2表示瓶塞熱阻，取值0.21 m2K/W，R3表示瓶身熱阻，取值4.149 m2K/W。光照實(shí)驗(yàn)中超純水向外界環(huán)境釋放的熱量值為Qs1=768.8 J，混合液散向外界釋放的熱量值為Qs2=1 217.4 J，Qr計(jì)算公式為：

Qr=cmΔt? ? ? ?（3）

c代表液體比熱容，取值4.2×103 J/kg·℃，m代表溶液質(zhì)量，取值0.01 kg，Δt表示初終時(shí)刻的溶液溫度差值。因此，可計(jì)算獲得光照過程中超純水所吸收的熱量為Qr1=772.8 J，混合液所吸收的熱量為Qr2=961.8 J。根據(jù)能量平衡原理可獲得以下公式：

Qz=Qr+Qs+Qc? ?（4）

實(shí)際光熱轉(zhuǎn)化效率計(jì)算公式為：

（5）

而理論光熱轉(zhuǎn)化效率計(jì)算公式為：

（6）

根據(jù)式（6）可計(jì)算超純水和混合液的理論光熱轉(zhuǎn)化效率分別是44.1%，62.3%，在本實(shí)驗(yàn)中，實(shí)際轉(zhuǎn)化率分別是22.1%，27.5%?；旌弦褐幸蚪鹑苣z的加入，增加了液體對(duì)太陽(yáng)能的光熱轉(zhuǎn)化效率，以混合液為工質(zhì)的集熱裝置的保濕性能也會(huì)對(duì)太陽(yáng)能的光熱利用效率產(chǎn)生影響[6]。

進(jìn)一步的數(shù)值模擬研究還表明，金納米顆粒粒徑不同時(shí)，共振吸收峰會(huì)出現(xiàn)不同的變化，低于100 nm粒徑的金納米顆粒，粒徑的增加會(huì)導(dǎo)致可見光波范圍內(nèi)液體吸收峰向長(zhǎng)波方向不斷移動(dòng);粒徑超過100 nm的金納米顆粒，粒徑的增加則會(huì)使液體吸收峰向紫外光譜范圍內(nèi)進(jìn)行跳躍，顆粒粒徑的增加會(huì)使其吸收峰向短波方向進(jìn)行移動(dòng)，顆粒粒徑增加時(shí)，金納米棒吸光性能會(huì)逐漸超過金納米球吸光性能，因此，金球顆粒為納米級(jí)別時(shí)，金溶膠對(duì)太陽(yáng)光的吸收性能要遠(yuǎn)超微米級(jí)別金球顆粒的吸光性能。為更好地發(fā)揮金溶膠的效果，需通過實(shí)驗(yàn)分析最優(yōu)粒徑[7]。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

在水中加入金納米顆粒，集熱器內(nèi)工質(zhì)對(duì)太陽(yáng)能的光熱轉(zhuǎn)化效率得以顯著提升，同時(shí)，將其運(yùn)用于太陽(yáng)能電池涂層中，能夠顯著提高光流密度，采用添加金溶膠后的復(fù)合薄膜作為太陽(yáng)能電池阻擋層，可顯著提高電池效率，降低阻抗。為充分發(fā)揮金溶膠在光電轉(zhuǎn)換中的作用，仍需探討比例、粒徑、形狀不同的情況下，金溶膠光熱轉(zhuǎn)換效率的差異，進(jìn)而獲得最佳混合液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、顆粒類型及其粒徑。

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