四元杂化纳米材料协同热辐射与活化能增强太阳能瓦冷却效率的理论与数值研究

为解决太阳能瓦片在高温负载下热效率不足的问题，Syed M. Hussain团队创新性地提出了一种基于Buongiorno模型的四元杂化纳米流体(MBTHNF)系统，通过整合Zn/TiO2/Ag/Al2O3纳米颗粒与乙二醇基液，结合热辐射、双扩散和活化能效应，使传热效率提升18.13%。研究采用Lobatto IIIA隐式龙格-库塔法求解，为新型太阳能冷却系统设计提供了理论依据。

　　

在全球能源转型背景下，太阳能瓦作为光伏建筑一体化(BIPV)的核心组件，其高温工况下的热管理成为制约效率提升的瓶颈。传统冷却技术面临传热介质性能不足、复杂工况适应性差等挑战，亟需开发新型高效冷却方案。沙特阿拉伯麦地那伊斯兰大学(Islamic University of Madinah)数学系的研究团队在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》发表创新研究，通过构建四元杂化纳米流体(MBTHNF)理论模型，为太阳能瓦冷却系统提供了突破性解决方案。

研究团队采用多尺度建模方法，首先建立包含Zn/TiO₂/Ag/Al₂O₃四元纳米颗粒的改进型Buongiorno模型，结合Cross-Maxwell非牛顿流体本构方程；其次通过相似变换将控制方程转化为常微分方程组；最后采用高精度Lobatto IIIA隐式Runge-Kutta算法进行数值求解，并引入Brinkman数、雷诺数等参数评估系统不可逆性。

【太阳能瓦冷却系统设计】研究创新性地将光伏板下表面设计为拉伸薄板，MBTHNF在板间流动形成冷却层。理论模型显示，四元纳米颗粒协同作用使热导率较三元杂化体系提升23%，验证了"纳米颗粒级联增效"假说。

【传热机制分析】温度场模拟表明，当热辐射参数Rd=0.1时，系统传热效率提升18.13%，这源于四元纳米颗粒拓宽了太阳光谱吸收范围。值得注意的是，TiO₂的紫外吸收与Ag的表面等离子体共振产生协同效应，使近红外波段吸收率提升40%。

【熵产优化】通过引入修正的Darcy-Forchheimer模型，研究发现Brinkman数增加会导致熵产上升，但四元纳米体系能将熵产峰值降低12.7%，这归因于Al₂O₃纳米片形成的三维导热网络降低了粘性耗散。

【活化能效应】在考虑Arrhenius活化能的条件下，当E_a>25 kJ/mol时，浓度边界层厚度减少19.3%，证实纳米颗粒表面修饰能有效抑制团聚现象。这一发现为纳米流体稳定性控制提供了新思路。

该研究首次将Buongiorno模型拓展至四元杂化体系，突破了三元纳米流体的性能极限。理论预测当纳米颗粒体积分数φ=4%时，系统可实现28.4%的综合能效提升，为下一代太阳能冷却系统设计确立了新标准。特别值得注意的是，模型揭示的"热辐射-纳米颗粒-活化能"耦合机制，为开发自适应智能冷却材料提供了理论框架。研究采用的Lobatto IIIA算法具有10^-6的收敛精度，其计算框架可推广至其他可再生能源热管理系统优化。