可持续纳米粒子在太阳能热能中的应用：寺庙香灰制备金属掺杂二氧化硅纳米流体在抛物槽式聚光器中的应用

《Solar Energy Materials and Solar Cells》：Sustainable nanoparticles applications for solar thermal energy: Metal-doped silica nanofluid from temple incense ash in parabolic trough collectors

　　

摘要

抛物面槽式集热器（PTC）是一种用于中温应用的聚光集热器，广泛应用于太阳能热发电和工业过程。同时，废料可被转化为纳米颗粒，为纳米流体的合成提供了具有成本效益的原料来源。本研究探索了一种从废弃寺庙香灰中合成的可持续金属掺杂二氧化硅纳米流体，作为PTC应用的高性能工作流体，从而同时解决废物增值利用和太阳能热效率提升的问题。纳米颗粒通过溶胶-凝胶沉淀法从寺庙香灰中合成。此外，将合成的金属掺杂二氧化硅纳米颗粒与PTC整合后，以0.05、0.1、0.2和0.4 wt%的浓度分散于去离子水中，进行热性能分析。与以往主要关注商业纳米颗粒和传统效率的研究不同，本研究通过引入集热器不可逆指数（CII）和纳米流体有效因子（NEF）作为额外的性能指标，提供了全面的热力学-火用评估，以确定最佳纳米流体浓度。分析参数包括流体出口温度、换热系数、努塞尔数、热效率和火用效率，同时结合CII和NEF进行分析。结果表明，0.2 wt%纳米流体表现出最佳性能，流体温度为86.4 °C，对流换热系数为492.7 W/m2K，努塞尔数为28.4，热效率为72.1%，火用效率为23.9%，CII为0.42，NEF为85.4。此外，热损失最小化为2385.1 W，证实了0.2 wt%金属掺杂二氧化硅纳米流体是最大化PTC系统热能和火用性能的最有效工作流体。

引言

抛物面槽式集热器（PTC）是一种太阳能热技术，旨在将太阳能辐射高效转化为热能[1]。它由抛物面反射器组成，可将入射的太阳能辐射聚焦到位于焦线处的线性接收管上[2]。接收管通常涂覆有选择性吸收表面，并用玻璃包层包裹，以吸收热量并将其传递给工作流体，如水、导热油或纳米流体[3]。通过单轴跟踪系统，PTC可保持最佳对齐状态，并实现较高的工作温度，通常在150–400 °C范围内[4]。因此，PTC广泛应用于太阳能发电、工业过程供热和热能储存领域，这得益于其技术成熟度和可靠的性能[5]。其相对简单的设计、可扩展性以及先进传热流体的兼容性使其成为更优的太阳能发电系统选择[6]。

在PTC中，流体在接收管中循环以提取热量，用于发电等实用应用[7]。因此，传统工作流体如水[8]或导热油[9]虽然能提供稳定的运行，但受限于相对较低的导热系数。纳米流体[10]（纳米颗粒+基液）的使用可显著增强传热特性并提高整体性能。此外，纳米流体可根据分散的纳米颗粒类型进行分类，包括金属型[11]、金属氧化物型[12]、碳基型[13]和混合型纳米流体[14]。大量文献表明，使用纳米流体的PTC在各种工况下可显著提高效率和火用性能[15]。Panja等[16]研究了使用氧化铜（CuO）和氧化铝（Al?O?）纳米流体（3–7 vol%）的PTC。结果表明，纳米流体使努塞尔数提升了约51.3%，其中Al?O?使热效率提高了约7.73%，CuO使热效率提高了约8.59%。

类似地，使用CuO–H?O纳米流体（0.05–0.1%）的PTC显示出效率随纳米颗粒浓度和流量增加而提高的性能，最高达到69.07%，且成本增加极小，约为1.08%[17]。此外，Abu-Zeid等[18]探讨了碳纳米管（CNT）基纳米流体，使用乙二醇纳米流体时效率可达80.6%。而且CO?排放量减少了31–39 kg/天，突显了纳米流体增强集热器系统的环境效益。使用二氧化钛（TiO?）纳米流体时效率提升为39–85%，且在整个白天保持最稳定的热性能[19]。类似地，含有钯（Pd）、金（Au）和氧化镍（NiO）纳米颗粒的纳米流体在Dowtherm A油中的数值研究在PTC中开展[20]。结果表明，Au纳米流体出口温度约为347.5 K，效率约为50%，受纳米颗粒类型、浓度和入口流速的影响显著。此外，Therminol VP-1中的TiO?提供了最佳性能，实现了有用能33.20 MW，火用值14.48 MW，以及总体效率和火用效率分别为95.3%和43.9%[21]。

Farooq等[22]使用0.01%的CuO和Al?O?纳米流体，结果表明CuO实现了约13.9–14.7%的更高效率，优于Al?O?。此外，0.3%的TiO?/DI-H?O纳米流体显示换热系数增强了34.25%[23]。而且性能随更高的质量流量（约2.5 kg/min）而提高，可增强与水的对比热效率，证明了纳米流体在PTC优化中的潜力。一种耦合的光学-热力学-流动模型分析了使用0.2 wt%金属氧化物纳米流体的PTC，结果显示太阳能吸收率超过96%，在80 L/h和291.15 K时最大热效率达到48.3%，证明了准确高效的太阳热性能预测[24]。此外，混合型TiO?–MgO纳米颗粒通过提高伊拉克石蜡的导热系数高达24.92%，同时略微改善密度、黏度和热容，并将相变温度降低了2 °C[25]。纳米增强型相变材料在90天内保持稳定，证明了其在高效太阳能热储存应用中的适用性。类似地，添加1 wt%的Al?O?纳米颗粒可使相变材料的导热系数提高61.5%，显著改善储热性能，同时浸入管设计在冬季条件下将能效提高了8.98%，火用效率提高了10%[26]。此外，纳米增强型相变材料实现了最高水温42.3 °C，展现了优异的夜间保温性能和减少的热力学损失。文献表明，PTC通过抛物面反射器和接收管及工作流体，可高效地将太阳能辐射转化为热能。因此，传统流体如水和导热油受限于较低的导热系数。纳米流体可增强传热、热效率和火用性能。此外，各种纳米颗粒，包括金属型、金属氧化物型、碳基型和混合型，可在不同工况下改善PTC性能。研究表明，基于纳米流体的PTC可实现更高的效率、稳定的运行和环境效益，突显了其在优化太阳能热应用中的潜力。尽管已有大量研究证明使用商业纳米颗粒（如CuO、Al?O?、TiO?、SiO?和CNT）的抛物面槽式集热器的性能提升效果，但仍存在若干重要的研究空白。首先，大多数先前的研究依赖于商业合成的纳米颗粒，而利用废物衍生的纳米材料用于PTC应用的研究非常有限。其次，大多数研究主要关注传统热参数，如出口温度、换热系数和热效率，而对包括火用效率、集热器不可逆指数（CII）和纳米流体有效因子（NEF）在内的全面热力学指标关注有限。第三，废物衍生的金属掺杂二氧化硅纳米流体在真实户外工况下的最佳浓度和性能尚未得到系统性研究。因此，本研究通过从寺庙香灰中合成可持续的金属掺杂二氧化硅纳米颗粒，制备不同浓度（0.05–0.40 wt%）的纳米流体，并利用传统和先进性能指标在PTC中实验评估其热性能、传热特性和热力学性能，从而解决这些空白。

本研究探索了在变工况工作流体（水和纳米流体）下PTC的性能。对于纳米颗粒，将寺庙香灰进行处理以合成金属掺杂二氧化硅纳米颗粒。因此，将制备的纳米颗粒与去离子水按0.05、0.1、0.2和0.4 wt%混合制备纳米流体。然后将纳米流体与PTC整合以分析其热行为。基于实验，分析了纳米流体特性、PTC效率和火用效率。此外，还探讨了集热器不可逆指数（CII）和纳米流体有效因子（NEF）。因此，本研究表明了浓度对传热增强的影响，并为优化基于纳米流体的太阳能热系统提供了见解。它还展示了将废料转化为功能纳米材料用于可持续能源应用的潜力。表1详细列出了与文献的简要比较。

本研究的主要优势在于将可持续的废物增值利用与先进的太阳能热技术相结合，通过将寺庙香灰转化为功能性金属掺杂二氧化硅纳米颗粒用于PTC应用。与以往主要使用商业可得纳米颗粒的研究不同，本研究展示了一种低成本且环保的合成路线，并结合了热性能、传热和热力学性能的全面评估。除了出口温度、换热系数、努塞尔数、热效率和火用效率等传统参数外，本研究还评估了CII和NEF，提供了更完整的集热器性能评估。此外，通过在真实户外工况下进行的系统性实验分析，研究确定了最佳纳米流体浓度（0.2 wt%），为高性能太阳能热系统的设计和优化提供了实用指导。

本研究的主要目标是从废弃寺庙香灰中开发可持续的金属掺杂二氧化硅纳米流体，并评估其在增强抛物面槽式集热器（PTC）热能和热力学性能方面的潜力。将合成的纳米颗粒以0.05、0.1、0.2和0.4 wt%的浓度分散于去离子水中，并进行实验研究以确定最佳浓度。使用出口温度、换热系数、努塞尔数、热效率、火用效率、CII和NEF评估集热器性能，从而提供了一种可持续且具有成本效益的方法来改进太阳能热系统。

段落片段

纳米颗粒合成

寺庙香灰从当地寺庙收集，并在空气中干燥24小时。将干燥的灰筛分以获得小于75 μm的颗粒，并在300 °C下热处理2小时以去除残留有机物。然后在搅拌条件下使用1.5 M HCl在85 °C下进行酸浸2小时，以去除碱性和碱土金属杂质。浸出残渣经过滤并反复用水洗涤直至达到中性pH值。通过处理纯化的[残余物进行二氧化硅提取]。

纳米流体特性

初始制备的纳米流体特性通过电导率、比热容和TGA分析进行了稳定性分析。因此，图7展示了电导率随温度的变化情况。导热系数随温度升高而增加，在70 °C时达到峰值。各组的最大导热系数值分别约为：水0.698 W/mK，金属掺杂二氧化硅纳米流体0.05 wt%为0.753 W/mK，0.1 wt%为0.795 W/mK，0.2 wt%为0.848 W/mK，0.4 wt%为0.827 W/mK。

结论

本研究探索了使用从寺庙香灰中合成的金属掺杂二氧化硅纳米流体增强抛物面槽式集热器（PTC）热性能的效果。纳米流体以0.05、0.1、0.2和0.4 wt%的不同浓度分散于去离子水中。分析了包括流体出口温度、对流换热系数、努塞尔数、热效率和火用效率在内的热性能参数。此外，还分析了集热器不可逆指数[（CII）]。

作者贡献声明

R. Satheesh Kumar：方法论、正式分析、概念构思。P. Kalidoss：监督、项目管理、调查研究。

资助信息

本研究未获得任何公共、商业或非营利部门的特定资助机构的资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本论文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢AMET University提供的机构支持，以促进本研究工作的开展。

R. Satheesh Kumar | P. Kalidoss

印度，Tiruchirapalli，621112，Dhanalakshmi Srinivasan University，School of Engineering and Technology，Department of Mechanical Engineering。