基于混合纳米流体冷却与新型翅片通道结构的PVT-LFR系统集成光谱纳米流体过滤与热管理技术

《Energy》：Integrated Spectral Nanofluid Filtering and Thermal Management for PVT-LFR Systems with Hybrid Nanofluid Cooling and Novel Finned Channel Arrangement

　　M. Sheikholeslami|B.H.S. Siraj 伊朗伊斯兰共和国巴博尔市巴博尔诺希尔瓦尼理工大学机械工程系 摘要 随着全球对高效太阳能技术需求的不断增长，人们越来越需要能够从相同的太阳辐射中获取更多能量的光伏热转换系统。提升光伏热转换系统性能的最有效策略之一是光学聚光，然而，增加照射在面板上的太阳辐射强度会显著提升其温度，从而导致电能输出下降。这一挑战凸显了先进的热管理及光谱控制技术的重要性，而这些技术在集成光伏热转换系统中仍未被充分研究。为填补这一空白，本研究探讨了一种新的聚光光伏热转换系统配置，该系统结合了线性菲涅尔反射镜、具有光谱选择功能的纳米流体过滤器以及带鳍片结构的混合纳米流体冷却通道，旨在在实际运行条件下提升系统的电能效率和热效率。在该系统中，地面安装的反射镜位于面板下方，可实现两种不同的聚光比（约1.5和2.5），而聚光热流的空间分布则是通过SolTrace光线追踪软件确定的。MgO-水基纳米流体作为置于光伏表面上的光谱过滤器的工作介质，它能选择性传输有助于发电的波长，同时吸收光谱中的红外部分，从而减少光伏组件的过热现象，并捕获额外的热能。冷却子系统则由携带MgO-ZnO-水基混合纳米流体的带鳍片通道组成，由于纳米颗粒体积分数较低，这些通道可被视为单相混合物。研究人员建立了数值模型，采用了伊朗巴博尔市某夏日实际的气象数据，并在三个典型时间点（08:00、12:00和14:00）对系统进行了评估。研究系统地分析了反射镜、光谱过滤、鳍片结构以及冷却剂入口速度对电能效率、热效率以及总能量输出的影响。通过与已有研究的对比验证，该模型的准确性较高。研究结果表明，随着太阳辐射强度从早晨到中午逐渐增强，热效率提升了约50.08%，而电能效率则下降了1.96%；中午时的总能量输出是08:00时的2.27倍。添加反射镜后（聚光比为2.5），热效率提升了2.73%，但由于温度上升，电能效率仅略有下降，约为1.55%。引入鳍片结构可显著改善热量散失情况，使电能效率提升3.11%，热效率提升17.13%，总能量输出提升10.91%。其中，光谱纳米流体过滤器的效果最为显著：在聚光比为2.5且无鳍片的情况下，电能效率、热效率以及总能量输出分别提升了7.11%、71.71%和43.03%。有趣的是，虽然光学聚光会带来好处，但当使用鳍片时，过滤器的优势会有所减弱，因为鳍片本身就能降低温度。此外，该过滤器还能将中午时的温度均匀性提升27.42%，有效减少局部过热现象。进一步增加混合纳米流体的入口速度可增强对流冷却效果；在中午时分，若有反射镜和鳍片存在，热效率及总能量输出分别可提升8.82%和5.76%。不过，当光谱过滤器处于工作状态时，速度的影响就会减弱，因为过滤器能在热量到达光伏组件之前就吸收大部分热量。经济分析显示，所提出的系统每年可产生615.11美元的收益，投资回收期约为8.1个月。总体而言，研究表明，将光谱管理、特殊冷却技术以及光学聚光相结合，是推动下一代光伏热转换系统发展的有效途径。这种设计不仅能缓解光学聚光带来的热问题，还能大幅提升系统的电能效率、热效率以及总能量输出，为开发更高效、更紧凑的太阳能技术提供了有力支持。引言 目前，世界正面临着日益严重的能源危机以及诸多环境问题。过度依赖传统化石燃料不仅会加速有限资源的枯竭，还会加剧气候变化、空气污染和生态系统退化等问题。要实现碳达峰和碳中和的目标，就必须果断转向清洁能源，并对能源体系进行全面改造[1]、[2]。然而，太阳能、风能和潮汐能等可再生能源由于地理和气象条件的限制，具有间歇性特征，这限制了它们在电力供应中的持续作用。与此同时，可再生能源系统的快速部署使得装机发电容量大幅增加，往往快于当地电力需求的增长速度。在各类可再生能源中，太阳能因其资源无限、可扩展性强以及光伏技术不断进步等优点而尤为突出。再加上成本不断下降且运行过程中不产生任何排放等有利的经济因素[3]、[4]，使得太阳能成为实现可持续能源未来的关键技术。人们越来越关注光伏热转换系统，这类系统通过同时实现电能生成和热能产出，从而提升太阳能的利用效率。传统的光伏组件在运行过程中往往会出现温度过高的问题。通过采用热管理策略，光伏热转换系统不仅能保持较高的电能输出性能，还能收集有用的热能用于其他用途，进而提高整体能源利用率和系统效率。为了进一步提升能量采集效率，还可以将线性菲涅尔反射镜等聚光技术与光伏热转换组件相结合。这类反射镜能够将阳光聚焦并引导至光伏表面，但随之而来的高强度太阳辐射也会增加光伏电池的热负荷，因此，高效的冷却策略对于维持系统性能、避免过热以及确保系统的长期稳定性至关重要。控制热负荷的有效方法之一是在光伏组件的玻璃层上方安装具有光谱选择功能的全纳米流体过滤器。这类过滤器能够选择性吸收或反射太阳光谱中无用的部分，主要是红外辐射，同时让有助于发电的波长透过并到达光伏电池。光谱过滤器能够减少传递到光伏吸收层的热量，同时还能将太阳光谱中的红外部分转化为热能。在聚光光伏热转换系统中，这种光谱管理技术尤为重要，因为高强度的太阳辐射容易在组件表面形成局部过热点，进而影响组件性能并缩短系统使用寿命。除了光谱管理之外，对光伏吸收层进行主动冷却也是控制温度并维持高系统效率的关键。在光伏组件的底部冷却通道中使用混合纳米流体，可以利用纳米流体优异的热传导性能来增强对流换热效果。如果在这些通道中加入带结构的鳍片，就能进一步实现更均匀的散热效果，减少局部过热点的形成，同时显著降低吸收层表面的温度梯度。将聚光太阳辐射、光谱过滤以及先进的纳米流体冷却技术相结合，是一种有效的解决方案，它不仅能同时最大化电能和热能的输出，还能提升聚光光伏热转换系统的长期耐用性和可靠性。Liu等人[5]研究了在聚光光伏热转换系统中加入交替扭曲的椭圆管结构对系统运行的影响，他们的研究表明，所设计的线性菲涅尔反射镜结构能够确保较高的太阳辐射聚光均匀性，使系统的光学效率保持在约76.13%。Roeder等人[6]则研究了将聚光光伏热转换系统与电解槽结合使用的可行性，他们的实验表明，该系统能够实现超过97%的电堆效率，说明其具备较高的制氢能力。Yang等人[7]通过研究光谱过滤技术对聚光光伏热转换系统性能的提升作用，发现经过改进的系统其转换效率提升了约49.15%。Ustaoglu等人[8]通过实验研究了在光伏热转换系统中使用非成像型聚光器的效果，他们的研究发现，使用高反射率的聚光器比使用漫反射率的聚光器能使系统性能提升约8.5%。为了更好地管理聚光光伏热转换系统的温度，Benouis等人[9]提出在冷却通道中加入线圈结构，他们的实验表明，这种方法能使有用热量的利用率提升约77%。Ustaoglu等人[10]则运用响应面法对聚光光伏热转换系统进行了分析，他们表示，经过优化的系统若采用抛物面反射镜，其整体效率可达77.69%。他们还发现，采用抛物面反射镜和V形反射镜的系统的投资回收期分别为7.31年和5.82年。Brahim和Jemni[11]在真实天气条件下对聚光光伏热转换-线性菲涅尔反射镜系统进行了测试，他们发现，用空气代替水作为工作介质，能使系统的整体效率提升约58.73%。Zheng等人[12]研究了在聚光光伏热转换系统中使用纳米流体过滤器的效果，他们使用了分散在水中的银-Fe3O4纳米粒子混合物作为过滤介质，实验表明，当纳米粒子的体积分数为0.0015%时，系统的电能效率可提升至8.52%。ElSihy等人[13]研究了一种采用石墨烯增强型石蜡材料以及螺旋形鳍片管的聚光光伏热转换系统，他们通过使用光谱过滤器来提升系统性能，结果发现，使用带孔的鳍片能使系统性能提升约48.1%。Elsayed等人[14]研究了光谱过滤器对光伏热转换系统性能的影响，他们发现，在较高太阳辐射强度条件下，加入反射镜能使系统整体性能提升约57.94%。Adam等人[15]研究了将聚光光伏热转换系统与光谱光束过滤器结合使用的效果，他们的研究表明，在光伏组件和接收器之间设置空气间隙，虽能提高有用热能的回收率，但也会使电能效率下降约4%。Wang等人[16]研究了一种集成分光机制的聚光光伏热转换系统，他们指出，该系统能够实现1769.9瓦的功率输出。Huaxu等人[17]通过实验研究了多种用作光谱选择过滤器的纳米流体的性能，他们的研究发现，ZnO-甘醇纳米流体是一种具有成本优势的光谱过滤材料，而且ZnO的成本仅约为银价的0.08%，这进一步凸显了基于ZnO的纳米流体的经济优势。Abdelsamie等人[18]研究了在结合光伏热转换单元的海水淡化系统中集成混合光谱过滤器的效果，他们的实验表明，经过优化的系统既能产生778瓦的电能，同时还能以每平方米每小时8.88千克的速率生产淡水。Fang等人[19]研究了在聚光光伏热转换系统中集成光谱选择过滤器的优化方案，他们在研究中使用纳米流体作为测试介质，该系统实现了51.87%的最高热效率，此外，该系统还与有机闪蒸循环装置相结合，从而使系统的最大?效率达到了53.52%。尽管光伏热转换技术已经取得了相当大的进展，但以往的大部分研究都只是单独探讨某种优化技术，比如光学聚光、被动式热控制或纳米流体的应用，而没有将这些技术整合为一个功能完备的高性能系统。传统的光伏热转换系统存在两个根本性的缺陷：其一，无法有效管理入射的太阳光谱，导致无用的波长会加热光伏表面，却无法用于发电；其二，在高太阳辐射强度下，尤其是当聚光比超过1时，系统的冷却能力不足。以往关于线性菲涅尔反射镜的研究大多集中在热收集器或独立的光伏组件上，很少有人考虑将线性菲涅尔反射镜的光学特性与先进的光谱控制技术和混合纳米流体冷却技术结合起来。同样，针对光谱过滤器的研究也很少应用于聚光光伏热转换系统，而大多数关于纳米流体冷却技术的研究也忽视了波长依赖性的光学效应以及鳍片对热量传递的促进作用。本研究正是为了解决这些关键问题，提出了一种完全集成的光伏热转换-线性菲涅尔反射镜系统，该系统同时具备了光谱选择型纳米流体过滤功能和带鳍片的混合纳米流体冷却通道。该过滤器能够让最适宜发电的波长透过并到达光伏组件，而将其余波长引导用于产生热能，从而提升系统的电能和热能产出效率。与此同时，含有MgO-ZnO混合纳米流体的带鳍片冷却通道则能有效散发在聚光条件下产生的额外热量。目前，还尚未有研究将光谱管理、光学聚光以及特殊冷却技术整合在一个统一的框架内进行探讨。此外，本研究还采用了真实的太阳光谱分布、基于波长差异的透光率数据，以及在实际气象条件下的三维数值建模方法，这使得分析结果比以往的研究更为真实和全面。总体而言，这项研究的创新之处在于，它将线性菲涅尔反射镜聚光技术、基于纳米流体的光谱分离技术以及混合纳米流体鳍片冷却技术整合到了同一个光伏热转换系统中。这种集成化的设计方案，为解决聚光太阳能系统中电能效率、热能回收效率以及热量管理之间的平衡问题提供了更为有效的解决方案。因此，所提出的设计相较于现有的光热转换技术有了显著进步，为开发下一代高性能太阳能系统开辟了新途径。鉴于目前研究中的不足以及集中式光伏热系统中热管理方面存在的改进需求，本研究旨在设计并评估一种新型的CPVT结构，该结构结合了线性菲涅尔反射器、光谱选择性纳米流体过滤器以及带有鳍片的混合纳米流体冷却通道。本研究的具体目标如下：1. 在实际气候条件下构建所提出CPVT系统的三维数值模型；2. 研究线性菲涅尔反射器产生的太阳光聚焦比对系统热性能和电性能的影响；3. 评估MgO-水基光谱纳米流体过滤器在减轻光伏电池过热的同时提升热能回收效率方面的效果；4. 分析采用MgO-ZnO-水基混合纳米流体的带鳍片冷却通道对提高传热效率的作用；5. 探讨不同运行场景下冷却剂入口速度对光伏效率、热效率及总能量输出的影响；6. 对所提出的系统进行经济性分析，评估其在太阳能应用中的实际可行性。

新增提出的光热转换系统概述：该系统集成了光谱过滤器和反射器。在集中式太阳辐射作用下运行的光伏热系统，其性能往往因过度热量积累而受限，这不仅会降低电能转换效率，还会限制光能聚集技术的优势。当使用线性菲涅尔反射器来增强多晶光伏模块接收的太阳光强度时，若不采取有效的热管理措施，面板温度将会急剧上升。此外，传统的光热转换系统……

结果与讨论：本文提出了一种创新型的CPVT结构，它将多晶硅光伏面板与线性菲涅尔反射器以及两套用于提升集中辐射条件下系统性能的优化装置相结合。地面安装的反射镜组用于将强化的太阳光照射到光伏模块上。由于这种高浓度光照，热调节变得十分重要，因此需要采用先进的冷却策略来保持电能转换效率。通过SolTrace软件进行模拟……

结论：本研究通过将多晶光伏热转换模块与线性菲涅尔反射器、光谱选择性纳米流体过滤器以及带有鳍片的混合纳米流体冷却通道相结合，探索了一种新型的CPVT系统结构。利用SolTrace进行的光学模拟表明，四面或八面反射镜的简单排列即可分别实现约1.5和2.5的平均聚焦比，这体现了地面安装反射镜在增强太阳光强度方面的潜力。在如此高的光照强度下……

作者贡献说明：M. Sheikholeslami：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、验证、监督、软件应用、方法设计、概念构思。B.H.S. Siraj：可视化处理、软件应用、实验研究、概念构思。

利益冲突声明：? 作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。