纳米流体滤光器PV/T系统的光谱分光器研究

论文信息：

Jiang, T.,Zou,T., Wang, G.,Wang, B., Chen, Z.,氧化铟锡纳米流体滤光片的制备及在新型太阳能光伏/热系统中的应用研究。能源报告,2022, 8, 5668-5677.

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研究背景

太阳能是具有巨大发展潜力的新能源之一。在目前的光电技术研究中，主要集中在聚光太阳能发电和太阳能光伏发电两种。在光伏（PV）发电系统中，太阳能电池只能吸收一部分太阳辐射能，其余的辐射能会转化为热能，影响太阳能电池的性能，进而影响光电转换效率。后来氧化铟锡膜，研究人员提出了一种新的光伏/热（PV/T）系统。这种新系统可以有效解决传统光伏系统的弊端，通过光谱光谱技术充分利用太阳能。用于 PV/T 系统的光谱分束器有两种形式，一种是基于固体薄膜的分束器，另一种是基于纳米流体的分束器。目前，大量学者对基于纳米流体的分束器进行了研究。然而，基于纳米流体的 PV/T 技术尚未成熟。还需要一些新的研究和新的进展，例如新型纳米流体过滤器的开发和测量、新型纳米流体的光谱行为分析、新型纳米流体PV/T系统的设计和性能评估等。

研究内容

相关研究表明，基于纳米流体的光谱比基于单流体的光谱具有更好的光谱性能，并且可以提高光伏发电效率并储存更多热量。图 1 显示了基于纳米流体的过滤器如何工作的示意图。可以看出，纳米流体过滤器由透明流道和纳米流体组成。纳流过滤器位于上部，光伏板位于下部，与纳流过滤器保持较小的距离。当阳光照射到纳米流体流道的顶面时，由于流道是透明的，因此纳米流体会吸收一部分入射的阳光，然后将其转化为热量并储存在纳米流体中，而其余部分则穿过纳米流体和流道。并进入光伏板。光伏板吸收这部分阳光并将其转化为电能和热能。纳流过滤器实现PV/T的利用。

图1.纳米流体过滤器的工作原理

首先使用湿化学方法制备 ITO 纳米颗粒。然后，以乙二醇为基液，采用两步法制备了几种用于PV/T系统的氧化铟锡-乙二醇（ITO/EG）纳米流体，并对其光学性能进行了测试。根据光学性能测试结果，计算分析了相关ITO/EG纳米流体的光谱行为。此外，提出了一种如图 2 所示的新型 PV/T 系统（由线性菲涅耳反射聚光器、纳米流体过滤器、太阳能电池模块和辅助系统组成），并假设 ITO/EG 纳米结构流体用于对该 PV/T 系统及其性能进行了评估。

图2.本研究提出的新型PV/T系统示意图。

完成不同基液浓度的ITO纳米颗粒和ITO/EG纳米流体制备后，用光谱仪分析纯乙二醇、ITO/EG（15mg+50ml）纳米流体、ITO/EG（15mg+100ml）） nanofluid、ITO/EG (15mg+200ml) nanofluid 和 ITO/EG (15mg+400ml) nanofluid 五种单一和混合液体的光谱透过率测试，如图3所示。根据不同滤光片的光谱特性测试结果如图 3 所示，纯乙二醇液体的传输通带过宽。其光谱透射率在 250.0nm 到 1500.0nm 范围内保持较高。虽然ITO/EG(15mg+50ml)纳米流体、ITO/EG(15mg+100ml)纳米流体和ITO/EG(15mg+200ml)纳米流体具有相对合适的透射通带，但它们的光谱透射率较低。相比之下，ITO/EG（15 mg + 200 ml）纳米流体的透射通带处于相对合适的范围内，与c-Si电池的理想光谱透射窗口（380 nm-1100 nm）非常吻合，并保持相对较高的光谱透过率值。

图3.不同纳米流体滤光片的光谱透过率测试结果。

图 4 直观地反映了四种不同 ITO/EG 纳米流体过滤器的光谱行为。四幅图中的青色区域代表不同带宽波段中透射的太阳辐射。表 1 提供了对应于图 4 的定量结果。根据表 1，对于 380-1100 nm 的光谱范围，ITO/EG (15 mg + 200 ml) 纳米流体的平均透射率最高，为 83.@ >1%。对于>1100.0 nm 的光谱范围，平均吸光度在 84.1% 时也相对可接受。与其他三种纳米流体过滤器相比，ITO/EG（15 mg+200 ml）纳米流体具有最佳的整体光谱性能。对于全光谱，ITO/EG（15 mg+200 ml）纳米流体的平均透射率和平均吸光度分别为69.1%和30.9%。

表1不同ITO/EG纳米流体过滤器的光谱行为

图4. ITO/EG (a) 15 mg+50 ml； (b) 15 毫克+100 毫升； (c) 15 毫克+200 毫升； (d) 15 mg+400 ml 纳米流体光谱行为。

最后，从光学特性和操作行为两个方面评估了这项工作中提出的 PV/T 系统的性能。在这项工作中，PV/T 光学特性的评价主要集中在分光行为和对太阳跟踪误差的敏感性分析上。纳米流体流道底部和太阳能电池组件表面的太阳通量密度的3D彩色图如图5所示。从图5（a）和（b）可以看出，能量通量纳米流体通道底部的密度分布比较均匀，而太阳能电池组件上的能量通量密度分布近似为单峰。纳米流体通道底部和太阳能电池模块表面的平均能量通量密度分别为30891.5 W/m2和19744.0 W/m2。此外，为了研究PV/T系统对太阳跟踪误差ε跟踪的适应性，模拟了不同太阳跟踪误差条件下的太阳聚光过程。图 6 显示了南北太阳跟踪误差对太阳能电池模块上能量通量密度分布的影响。结果表明，当太阳跟踪误差从0.0°增加到0.2°时，太阳能电池组件上的能量通量密度曲线左移，太阳能上的能量通量密度电芯模块的分布变化比较小。如图。图7示出了对应于图6的二维颜色图。 6.

图5. (a) 纳米流体流道底面的能量通量密度图； (b) 太阳能电池组件上的能量通量密度分布。

图6.太阳跟踪误差对太阳能电池组件能量通量密度分布的影响。

图7.不同太阳跟踪误差下太阳能电池组件的能量通量密度分布：(a)0.05°(b)0.10°(c)0.@ >15°(d)0.20°.

使用 CFD 模拟评估 PV/T 系统的运行行为。通过理论计算和CFD仿真方法，得到了PV/T系统的运行特性。此外，还对相同条件下的非分裂线性菲涅耳反射太阳能CPV系统进行了热力学分析。两种系统的性能比较结果如表2所示。结果表明，PV/T系统的最大输出功率为2499.5W。 PV/T系统光伏器件的光电转换效率为29.6%，高于CPV系统（22.5%）。但PV/T系统的整体光伏效率为17.7%，略低于太阳能CPV系统（19.5%）。 PV/T系统的太阳能热效率为18.5%。表 3 简要比较了本研究中的 PV/T 系统与一些文献中的其他三种典型 PV/T 系统（Han、Otanicar、Liang 等人）。四种太阳能PV/T系统的光伏和热性能差异很大程度上是由于四种纳米流体材料的光学和热物理性质不同造成的。

表2 PV/T系统与CPV系统的运行行为比较。

表 3 比较了四种不同的基于纳米流体的 PV/T 系统。

结论与展望

本文针对基于纳米流体光谱的PV/T系统，制备了ITO纳米颗粒和四种不同浓度的ITO/EG纳米流体过滤器并进行了实验测试。实验结果表明，ITO/EG（15mg+200ml）纳米流体比其他三种纳米流体材料具有更好的整体光谱性能。对于全光谱，平均透射率和平均吸光度分别为 69.1% 和 30.9%。还提出了一种新的 PV/T 系统氧化铟锡膜，并在假设使用 ITO/EG (15 mg + 200 ml) 纳米流体的情况下对其性能进行了评估。结果表明，PV/T系统的总光效率为93.6%。太阳跟踪误差敏感性分析结果表明，当太阳南北方向的跟踪误差增加到0.2%时，整体光学效率下降到90.1%。这意味着 PV/T 系统对太阳跟踪误差具有较好的适应性。 PV/T系统运行性能评价结果表明，PV/T系统的整体光伏和热效率分别为17.7%和18.5%。

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邹元撰，邹元编辑

吴小虎发现的热辐射与微纳光子学

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