基于CNT/Ag納米流體的分光譜太陽能光伏光熱系統(tǒng)實驗研究

收稿日期：2022-08-12

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年項目（51908527）；江蘇省自然科學(xué)基金面上項目（BK20221315）；建筑節(jié)能安徽省工程技術(shù)中心開放課題

（AHJZJN-2021-03）；廣東省新能源和可再生能源研究開發(fā)與應(yīng)用重點實驗室開放基金（E239kf1001）

通信作者：余本東（1991—），男，博士、教授，主要從事太陽能利用方面的研究。yubendonglns@163.com

DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2022-1214 文章編號：0254-0096（2023）11-0141-06

摘 要：傳統(tǒng)太陽能光伏光熱（PV/T）系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換和光熱轉(zhuǎn)換過程耦合在一起，對太陽能全光譜能量的利用率較低，為使得光電、光熱過程解耦，該文探究Ag、CNT、CNT/Ag納米流體作為分光譜PV/T系統(tǒng)媒介時的光譜及能量性能。首先對不同濃度納米流體的光譜性能進行測試，然后通過實驗研究不同濃度的CNT/Ag納米流體對系統(tǒng)電效率和熱效率的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)相比于Ag納米流體，濃度為1×106、3×106、5×106、1×107 μg/m3的CNT/Ag納米流體在太陽電池光譜響應(yīng)區(qū)的透過率分別上升了8.6%、9.3%、8.5%、9.2%，響應(yīng)區(qū)外波段的吸收率增加了30.4%、44.5%、58.4%、56.7%。系統(tǒng)電效率最高為8.2%、熱效率最高為45%，當(dāng)CNT/Ag納米流體濃度為5×106 μg/m3時，分光譜容器效率最高為18.3%時熱效率達到了43%，電效率為7%。

關(guān)鍵詞：太陽能光伏光熱系統(tǒng)；分光譜利用；碳納米流體；銀納米流體

中圖分類號：TK514 """""""" 文獻標(biāo)志碼：A

0 引 言

當(dāng)今時代能源急劇消耗、用電需求不斷增加。太陽能作為清潔能源，光電利用是太陽能的主要利用形式之一。然而，以單晶硅電池為例，溫度每上升1 ℃將會使輸出功率減少0.45%，使電池的工作效率受到影響［1］。為此，學(xué)者提出太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)（solar photovoltaic/thermal utilization technology，PV/T），在太陽電池發(fā)電的同時，產(chǎn)生的熱量被換熱工質(zhì)及時帶走，提高了太陽能綜合效率［2］，但光電過程與光熱過程依然耦合在一起，對太陽能全光譜能量的利用率較低，只能在一定程度上緩解矛盾。

基于分光譜利用的太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［3］。這區(qū)別于傳統(tǒng)PV/T系統(tǒng)，使光電、光熱過程解耦，將太陽電池響應(yīng)區(qū)的太陽輻射用于光電轉(zhuǎn)換，其余波段的太陽輻射用于光熱轉(zhuǎn)換。Venkatesh等［4］利用石墨烯納米流體，當(dāng)體積濃度為0.3 vol%時，光伏光熱系統(tǒng)效率提高了13%；姜鐵騮等［5］通過制備氧化銦錫納米流體進行實驗，結(jié)果表明光伏光熱系統(tǒng)整體的光學(xué)效率為93.6%。因此，基于分光譜利用的太陽能光伏光熱綜合利用技術(shù)大幅度緩解了光電和光熱之間的矛盾。

納米流體作為分光譜媒介和換熱介質(zhì)［6］，通常由金屬、非金屬納米顆粒，如Cu、Ag、Fe［7］、SiC［8］、碳納米管［9］、[SiO2]［10］等制備而成。其中Ag納米顆粒有很強的等離子共振效應(yīng)，從而有高吸收和散射特性［11］。碳納米管顆粒熱導(dǎo)率非常高，從而具有顯著增強傳熱的潛力［12］。因此本文通過實驗探究CNT/Ag復(fù)合納米流體對分光譜PV/T系統(tǒng)熱、電效率的影響，從而評價CNT/Ag復(fù)合納米流體應(yīng)用在分光譜光伏光熱系統(tǒng)的潛力。

1 實 驗

1.1 CNT/Ag納米流體制備及表征

本文實驗中CNT/Ag納米流體采用二步法制備。首先，通過攪拌和超聲處理30 min，將表面活性劑溶解在去離子水中形成6 g/L的分散劑溶液A，表面活性劑采用GA（阿拉伯樹脂膠），購于天津市北辰方正試劑廠。隨后，將一定量的CNT粉末分散在分散劑溶液A中，形成懸浮液B并超聲處理2 h，CNT納米粉末購于深圳市粵創(chuàng)進化科技有限公司。最后等待溶液中顆粒呈現(xiàn)細(xì)小、均勻的墨汁狀后，在PVP（聚乙烯吡咯烷酮）的分散下和Ag納米流體混合并超聲處理2 h，制備出一定質(zhì)量濃度的CNT/Ag流體。圖1為制備流程圖及實物圖片。

本文分別制備了1×106、3×106、5×106、1×107 μg/m3的Ag、CNT、CNT/Ag納米流體，依次記為A-1、A-3、A-5、A-10、C-1、C-3、C-5、C-10、C-A-1、C-A-3、C-A-5、C-A-10。納米流體的太陽能光譜透過率測試采用Lambda 1050+2D紫外-可見-近紅外分光光度計，測試地點位于南京工業(yè)大學(xué)江浦校區(qū)紅外光譜儀實驗室。

1.2 分光譜光伏光熱系統(tǒng)實驗研究

光伏組件作為本實驗的重要部分，其發(fā)電效率直接影響系統(tǒng)的輸出性能，但熱效率同樣是衡量系統(tǒng)效率的重要指標(biāo)。因此探究了納米流體在不同濃度下，分光譜光伏光熱綜合系統(tǒng)的熱、電效率，實驗測試系統(tǒng)如圖2所示。

首先，低溫的納米流體吸收部分波長的太陽輻射，經(jīng)過分光譜裝置的進出口溫度分別為[t1、t2]，由K型熱電偶測量。其次，另一部分波長的太陽輻射經(jīng)過分光譜容器到達電池板的表面，在標(biāo)準(zhǔn)太陽輻照度1000 W/m2，環(huán)境溫度25 ℃，納米流體厚度為10 mm的條件下，由太陽能模組測試儀記錄太陽電池的I-V曲線，測量3次取平均值，得到太陽電池在分光譜狀態(tài)下的開路電壓[Voc]和短路電流[Isc]，同時一個K型熱電偶安置于太陽電池的背面，記錄電池的溫度[t3]。系統(tǒng)的實驗測試參數(shù)見表1。

本次實驗的光伏組件采用單晶硅太陽電池片，硅電池的最佳響應(yīng)光譜波段為750～1125 nm［13］。由于太陽電池的溫升負(fù)面效應(yīng)和部分光譜的響應(yīng)能力較小，則考慮700～1100 nm

范圍光譜響應(yīng)比較強的該波段能量用于產(chǎn)生電能，剩余波段能量則用來產(chǎn)生熱能［14］。實驗臺包括PL-X300DF高性能模擬日光氙氣光源、PROVA210太陽能模組測試儀、Labv1蠕動泵、Agilent34972A數(shù)據(jù)采集儀、單晶硅太陽電池片、分光譜容器。太陽電池參數(shù)及實驗儀器規(guī)格見表2、表3。

2 系統(tǒng)性能評價

系統(tǒng)性能評價參數(shù)包括電效率、熱效率、分光譜容器效率。

電效率（[ηe]）是反映分光譜PV/T系統(tǒng)發(fā)電能力的重要指標(biāo)，可通過式（1）計算。

[ηe=PmaxG·S]"" （1）

式中：[Pmax]——太陽電池的最大功率點，W；[G]——太陽輻照度，W/m2；[S]——電池面積，m2。

熱效率（[ηth]）是反映分光譜PV/T系統(tǒng)集熱能力的重要指標(biāo)，可由式（2）計算。

[ηth=cm（t2-t1）G·S]"" （2）

式中：[c]——納米流體的比熱容，J/（kg·℃）；[m]——納米流體的質(zhì)量流量，kg/s；[t1]和[t2]——進出口的溫度，℃。

分光譜裝置的性能（[η]）是太陽光譜過濾性能的指標(biāo)，該指標(biāo)反映了納米流體作為分光譜材料時的效率，可通過式（3）計算，同時也是分光譜容器優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)［13］，評價CNT/Ag納米流體的過濾器的分光譜性能，從而按[η]的大小找到最佳的分光譜容器。

[η=λ1λ2E（λ）T（λ）dλλ1λ2E（λ）dλ-0.3λ1E（λ）T（λ）dλ0.3λ1E（λ）dλ-λ21.4E（λ）T（λ）dλλ21.4E（λ）dλ]"""""" （3）

式中：[E（λ）]——每單位波長的太陽輻照度，W/（m2·nm）；[T（λ）]——納米流體的光譜透過率；[λ1]、[λ2]——太陽電池的長短波截止波長，nm。

3 結(jié)果與討論

3.1 CNT/Ag納米流體濃度對分頻性能的影響

通過紫外-可見-近紅外分光光度計，得到納米流體在不同波長（300～1400 nm）的透過率，納米流體濃度分別為1×106、3×106、5×106、1×107 μg/m3，圖3～圖5為不同濃度的Ag、CNT、CNT/Ag納米流體對應(yīng)的太陽光譜透過率。

由圖3a可知，隨著Ag納米流體濃度的上升，在300～1100 nm的波段內(nèi)，透過率逐漸降低，而1100～1400 nm波段內(nèi)，納米流體的濃度對透過率影響較小。另外Ag納米流體對300～700 nm波段的太陽輻射透過率較低，這對于吸收太陽光譜的部分波長是理想的，其中435 nm處存在的吸收峰是因為Ag納米顆粒在短波范圍的強等離子共振效應(yīng)。由圖3b可知，CNT納米流體對300～700 nm的波段有著較高的透過率，表明短波太陽輻射可穿透納米流體而到達太陽電池表面，與太陽電池響應(yīng)區(qū)發(fā)生不匹配現(xiàn)象，這對于太陽電池的電性能是不利的。

綜上，Ag納米流體雖然對300～700 nm范圍內(nèi)的太陽輻射有較好的吸收率，但對于高濃度的納米流體，如1×107 μg/m3，在太陽電池響應(yīng)區(qū)（700～1100 nm）的透過率并不高，僅僅只有66.06%，這會影響太陽電池的電能輸出。而CNT納米流體即使高濃度的情況下，在太陽電池響應(yīng)區(qū)（700～1100 nm）仍有著較高的透過率，因此將兩者混合進行調(diào)控。結(jié)合圖4b的平均透過率可知，CNT/Ag納米流體不僅增加了Ag納米流體在700～1100 nm的透過率，還增加了CNT納米流體在300～700 nm的吸收率，因此兩種納米顆粒在光學(xué)上具有一定的協(xié)同作用，這有利于系統(tǒng)的電性能和熱性能。前期采用Ag∶CNT=1∶1、2∶1、3∶1比例的納米流體進行實驗，由于以上比例

的CNT/Ag納米流體的光譜透過率和實驗效果不佳，只有當(dāng)Ag∶CNT=4∶1時，兩種納米顆粒對太陽輻射不同波段的利用效果最好，因此本文采取4∶1的比例進行實驗。

CNT/Ag納米流體在不同濃度下作為單晶硅電池的分光譜容器時的效率如圖5所示，可看到與Ag和CNT的獨立過濾器相比較，含有CNT/Ag納米流體的分光譜裝置有更高的過濾效率。同時該數(shù)據(jù)也表明，雖然獨立的納米流體作為分光譜裝置時效率很低，但將CNT納米顆粒和Ag納米顆粒兩者相結(jié)合可實現(xiàn)一定的協(xié)同作用，使得混合之后獲得了更高效率的過濾器。另外，CNT/Ag的過濾效率隨納米顆粒濃度的增加先增加后減小，在4種濃度的納米流體中，CNT/Ag納米流體的過濾效率在5×106 μg/m3處達到峰值，此時對應(yīng)分光譜容器的過濾效率為18.3%，相比于同濃度的獨立納米流體，分頻裝置的效率提高了37.1%，因此CNT/Ag納米流體可實現(xiàn)較高的分光譜過濾效率。

3.2 分光譜光伏光熱系統(tǒng)的電和熱性能

不同濃度的CNT/Ag納米流體過濾器下單晶硅電池的I-V曲線如圖6所示。一方面，隨著納米流體濃度的增加，納米流體過濾器不同程度的降低了短路電流（[Isc]），這是由于納米顆粒的散射效應(yīng)降低了光伏組件上接收到的太陽輻射。另一方面，所有的測試均在25 ℃的條件下進行，因此，太陽電池的開路電壓無太大變化。

在1000 W/m2、室溫25 ℃的條件下，不同濃度的CNT/Ag納米流體溫度隨時間的變化曲線如圖7所示。隨著時間的增加納米流體的溫度逐漸上升，最終會趨于一個定值，這是因為分光譜容器中熱量逐漸散失到周圍環(huán)境，最終與周圍的環(huán)境溫度達到平衡。另外，雖然高濃度納米流體會導(dǎo)致系統(tǒng)的電性能下降，但加熱的最終溫度會上升，因此，高濃度納米流體在充當(dāng)分光譜容器時，會產(chǎn)生更高的熱效率。結(jié)合圖4a中CNT/Ag納米流體對300～700和1100～1400 nm波段太陽輻射的透過率，發(fā)現(xiàn)其熱性能對于不同濃度的變化規(guī)律具有一致性。因此相比于傳統(tǒng)的納米流體過濾器，從實驗的角度也驗證了CNT/Ag納米流體過濾器有更好的選擇性吸收效果，對熱電效率的綜合作用更加優(yōu)化。

圖8總結(jié)了系統(tǒng)的熱、電效率，可看到隨著納米流體濃度的增加，光電轉(zhuǎn)換效率在逐漸的降低，但這些納米流體在作為分光譜容器時有更高的光熱轉(zhuǎn)換效率，其中CNT/Ag納米流體濃度為5×106 μg/m3時，其電效率和熱效率的綜合效果最好，結(jié)合圖7的分光譜容器效率能更好的說明這一觀點。因此，相比于獨立納米流體過濾器，CNT/Ag納米流體作為分光譜媒介有著更好的選擇透過性和更高的過濾效率，且

5×106 μg/m3為本次實驗的最佳納米流體濃度，作為系統(tǒng)的分光譜裝置時，所產(chǎn)生的熱效率達到43%，電效率達到7%，該濃度下熱、電綜合效率達到最高。

4 結(jié) 論

本文首先通過分析Ag、CNT、CNT/Ag納米流體的光譜透過特性，然后實驗探究了不同濃度的CNT/Ag混合納米流體作為分光譜光伏光熱系統(tǒng)的工質(zhì)時，系統(tǒng)的電效率、熱效率，從而評價CNT/Ag混合納米流體應(yīng)用在分光譜光伏光熱系統(tǒng)的潛力。得出結(jié)論如下：

1） Ag納米流體對300～700 nm波段的太陽輻射有強烈的吸收作用，但是高濃度（1×107 μg/m3）情況下，在太陽電池響應(yīng)區(qū)700～1100 nm卻不能保持較高的光譜透過率；相反，CNT納米流體在該區(qū)間有較高的透過率，但是對300～700 nm波段的太陽輻射吸收作用較弱。

2）CNT/Ag納米流體對300～700 nm波長范圍的太陽輻射有著較強的吸收作用，同時對700～1100 nm范圍的太陽輻射保持較高的光譜透過率，且隨著濃度的上升，透過率逐漸降低。由于Ag、CNT納米顆粒之間的協(xié)同作用，相比于單獨的Ag納米流體，1×106、3×106、5×106、1×107 μg/m3的CNT/Ag納米流體在太陽電池光譜響應(yīng)區(qū)的透過率分別上升了8.6%、9.3%、8.5%、9.2%，響應(yīng)區(qū)外波段的吸收率增加了30.4%、44.5%、58.4%、56.7%。

3） CNT/Ag納米流體的分光譜容器過濾效率在5×106 μg/m3處達到峰值，效率為18.3%，相比于同濃度的獨立納米流體，分頻裝置的效率提高了37.1%，因此濃度為5×106 μg/m3時，CNT/Ag納米流體可實現(xiàn)較高的分光譜過濾效率，為本實驗的最佳分光譜容器。

4）隨著濃度的增加，基于CNT/Ag混合納米流體的分光譜PV/T系統(tǒng)的電效率逐漸下降，熱效率逐漸上升，各組實驗中，當(dāng)濃度為1×106 μg/m3時，電效率達到最高為8.2%，當(dāng)濃度為1×107 μg/m3時，熱效率達到最高為45%。當(dāng)濃度為5×106 μg/m3時，PV/T系統(tǒng)熱電效率最高，熱效率達到了43%，電效率為7%。

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EXPERIMENTAL STUDY ON SOLAR SPECTRAL SPLITTING PHOTOVOLTAIC/THERMAL SYSTEM BASED ON

CNT/Ag NANOFLUIDS

Xia Xiaokang1，Cao Xuhui1，Yu Bendong1-3

（1. College of Urban Construction， Nanjing University of Technology， Nanjing 210009，China；

2. Building Energy-Saving Engineering Technology Center in Anhui Province， Hefei 230601， China；

3. Guangdong Provincial Key Laboratory of New and Renewable Energy Research and Development， Guangzhou 510640， China）

Abstract：For conventional solar photovoltaic/thermal （PV/T） system， the photothermal and photoelectric conversion processes are coupled. Thus， the solar full-spectral utilization efficiency is not high. In order to decouple the photoelectric and photothermal conversion processes， in this paper， the spectral and energy performance of the PV/T system were investigated when the Ag， CNT， and CNT/Ag nanofluids are used as the media. Firstly， the spectral properties of nanofluids with different concentrations are tested. Secondly， the effects of different concentrations of CNT/Ag nanofluids on the electrical and thermal efficiency of the PV/T systems are studied by experiments. The results show that compared with independent Ag nanofluids， the solar spectral transmittance in the PV cell response range for 1×106， 3×106， 5×106 μg/m3， and 1×107 μg/m3 CNT/Ag nanofluids are increased by 8.6%， 9.3%， 8.5%， and 9.2%， the solar spectral absorptivity not in the PV cell response range are increased by 30.4%， 44.5%， 58.4%， and 56.7%， respectively. The electrical efficiency of PV/T system is up to 8.2%， and the thermal efficiency is up to 45%. When the concentration of CNT/Ag nanofluid is 5×106 μg/m3， the filtering efficiency is reached to 18.3%， while the thermal and electrical efficiency approached to 43% and 7%， respectively.

Keywords：solar photovoltaic/thermal system； beam splitting utilization； carbon nanofluids； Ag nanofluids