石墨烯纳米流体在聚光直射吸收太阳能集热器中的性能与稳定性

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：On-sun performance and stability of graphene nanofluids in concentrating direct absorption solar collectors

纳米流体光学性能稳定性与聚光型直接吸收太阳能集热器效率研究。

　　在当今能源转型的背景下，太阳能技术正逐步成为减少碳排放和满足全球热能需求的重要途径。随着对高效率太阳能收集器的持续研究，直接吸收太阳能收集器（DASC）作为一种新兴的太阳能热利用方式，正在引起越来越多的关注。DASC与传统太阳能热收集器的主要区别在于其使用了一种半透明的热传递流体（HTF），能够直接吸收太阳辐射，而无需依赖传统的选择性吸收表面。这种设计在理论上可以提高热转换效率，但在实际应用中，流体的光学性能稳定性成为了限制其效率的关键因素。

本研究聚焦于基于石墨烯的纳米流体在实际太阳辐射条件下的性能表现与长期稳定性。石墨烯因其独特的二维结构和优异的光学与热物理特性，被认为是提升DASC性能的重要材料之一。然而，纳米流体在高温或长时间运行中可能会发生光吸收性能的下降，这通常与纳米颗粒的聚集或沉淀有关。此外，流体在太阳能收集器中的循环过程，特别是当收集器处于封闭循环模式时，可能会因腐蚀导致流体pH值的变化，进一步影响纳米颗粒的稳定性和光学性能。

实验部分采用了一种小型的太阳辐射条件下的DASC原型，通过测量流体在接收器中的温度变化和热转换效率，评估了石墨烯纳米流体在实际操作条件下的表现。实验结果表明，当使用0.2 g/L和0.3 g/L浓度的石墨烯纳米流体时，DASC的总热转换效率分别达到了62.3 ± 0.6%和74.3 ± 0.8%，显著高于使用去离子水时的24.5 ± 0.5%。这一结果证明了石墨烯纳米流体在提升太阳能热转换效率方面的潜力。

然而，实验也揭示了在实际操作条件下，石墨烯纳米流体的光学性能存在一定的退化现象。特别是在使用易腐蚀材料的液压系统中，流体pH值的显著下降与纳米颗粒的聚集密切相关，导致光吸收能力的下降。例如，在0.2 g/L浓度的实验中，流体pH值从初始的7.5下降至6.5，而这种变化可能源于液压系统中金属部件的腐蚀。相比之下，使用耐腐蚀材料（如黄铜）的液压系统则能有效维持流体pH值的稳定性，从而减少纳米颗粒的聚集和光学性能的退化。

本研究的实验设计结合了在太阳辐射条件下的实际测试与在受控环境下的离线测试，以区分温度变化与实际操作条件对纳米流体稳定性的影响。在受控环境中，纳米流体的光学性能在长达两个月半的时间内保持稳定，即使在高达80°C的温度下，其光吸收能力也未发生明显变化。然而，当纳米流体被集成到DASC系统中时，其性能则受到实际操作条件的显著影响，尤其是由于液压系统的腐蚀导致pH值的下降，进而引发纳米颗粒的聚集和光学性能的退化。

通过比较不同浓度的石墨烯纳米流体在不同实验条件下的表现，研究发现，随着纳米颗粒浓度的增加，DASC的总效率也随之提高。然而，这种效率提升并不完全来自于纳米颗粒的光吸收能力，还受到流体温度、流速以及热损失等因素的影响。在实验中，流体温度的升高会加剧热损失，而较低的热损失则有助于维持较高的总效率。

为了进一步提高DASC的性能和稳定性，研究提出了一些设计建议。例如，选择耐腐蚀材料如黄铜、不锈钢或表面处理过的铝材作为液压系统的主要部件，可以有效减少流体pH值的变化，从而维持纳米颗粒的稳定性和光吸收能力。此外，采用缓冲溶液来控制流体的pH值，也可以作为一种有效的策略，防止纳米颗粒的聚集和光学性能的退化。

在实际应用中，DASC的性能和稳定性不仅依赖于纳米流体本身的特性，还受到整个系统设计的影响。因此，未来的研究应更加关注DASC系统的综合设计，包括液压系统的材料选择、流体循环路径的优化以及热损失的最小化。通过这些措施，可以进一步提升DASC的热转换效率，同时延长其使用寿命，为太阳能热能的广泛应用提供支持。

总之，本研究通过实验和理论分析，揭示了石墨烯纳米流体在DASC系统中的性能表现和稳定性问题。结果表明，虽然石墨烯纳米流体在受控条件下表现出良好的稳定性，但在实际操作条件下，由于腐蚀导致的pH值变化是影响其性能的主要因素。通过优化材料选择和系统设计，可以有效提升DASC的效率和可靠性，为未来太阳能热能技术的发展提供重要的参考依据。