纳米流体在太阳能中的性能评价:近期文献综述

利用纳米流体作为吸收液是提高太阳能器件传热性能的有效途径。本文综述了近年来纳米流体在太阳能热工程系统中的应用研究。这篇综述文章为在最佳条件下工作的太阳能热系统的设计提供了全面的信息。本文也指出了未来研究的机会。

能源是任何国家经济发展的重要实体。另一方面，满足大部分能源需求的化石燃料是稀缺的，它们的可用性正在不断减少。如今，太阳能系统通过将太阳辐射转化为有用的热或电，在可再生能源的能源生产中发挥着重要作用。考虑到环境保护和未来能源供应的不确定性，太阳能虽然运行成本略高，但不失为一种较好的替代能源形式。太阳能设备的传热增强是节能和紧凑设计的重要问题之一。其中一种有效的方法是用纳米流体代替工作流体，以改善流体的传热特性。最近，由于纳米流体具有较高的热导率和纳米颗粒的辐射特性，研究人员对在收集器、热水器、太阳能冷却系统、太阳能电池、太阳能蒸馏器、太阳能吸收式制冷系统以及不同太阳能装置的组合中使用纳米流体越来越感兴趣。如何选择适合太阳能应用的纳米流体是一个关键问题。纳米流体在太阳能装置中作为吸收液的有效性主要取决于纳米颗粒和基液的类型、纳米颗粒的体积分数、纳米流体的辐射特性、液体的温度、纳米颗粒的大小和形状、pH值以及纳米流体的稳定性[1］．研究发现，只有少数综述论文讨论了纳米流体增强太阳能系统性能的能力[2-5］．本文整理了这一领域的最新研究，并指出了许多尚未开始或甚至尚未开始调查的问题。作者希望这篇综述将有助于确定纳米流体在太阳能应用中的有效性。

在太阳能集热器中使用纳米流体

纳米颗粒的作用

甘等人。[6]实验表明，Al的辐射吸收₂O_3.纳米流体比铝纳米流体少。用于含铝的纳米流体₂O_3.粒子，由于Al的光学性质不同，情况也有所不同₂O_3.．铝的弱辐射吸收₂O_3.纳米颗粒不会导致从颗粒到基础流体的显著局部对流换热。铝的使用₂O_3.Elmir等人采用有限元方法模拟了硅太阳能电池的/水纳米流体冷却剂[7］．他们认为太阳能电池板是一个倾斜的30°的腔体。纳米流体的应用提高了平均努塞尔数和冷却速度。他们报告了在Re = 5时，10%氧化铝纳米流体的传热率提高了27%。

罗等人。[8]通过求解颗粒介质的辐射输运方程，结合传导和对流传热方程，利用二维模型模拟了纳米流体DAC太阳能集热器的性能。纳米流体在一个覆盖着玻璃板的稳态太阳能集热器中从右向左水平流动。一个太阳辐射模拟器被用来验证他们的模型。他们通过分散和振荡TiO制备了纳米流体₂,艾尔。₂O_3.， Ag, Cu, SiO₂，石墨纳米颗粒和碳纳米管，加入Texatherm油中。结果表明，在太阳能集热器中使用纳米流体可以提高太阳能集热器的出口温度和效率。他们还发现，除了TiO之外，大多数纳米流体的效率都与石油相似，而且比石油更高₂．

拉赫曼等人[9]采用伽辽金加权剩余有限元法，对具有纳米流体的三角形太阳能集热器进行了宽范围的Grashof数(Gr)的数值研究。波纹底部保持恒定的高温，三角形外壳的侧壁保持低温，如图所示1．假设流体相和纳米颗粒都处于热平衡状态，两者之间不存在滑移。纳米流体是牛顿流体，不可压缩，流动是层流，不稳定的。除了使用Boussinesq近似确定的浮力密度变化外，我们考虑了纳米流体恒定的热物理性质。然而，他们没有提到粒子的直径。作者认为，Gr和固体体积分数都较高，证明对流和传导换热效果较好。当Gr = 10时，改善率为24.28%⁶铜颗粒体积分数为10%时。对于Gr值较低的固体体积分数，传导是传热的主要方式。结果表明:固相体积分数保持在0.05或0.08时，对流换热性能较好;研究还表明，cu-水纳米流体是增强传热的最佳纳米流体。

法扎尔等人[10]研究了纳米流体太阳能集热器的热性能及其贡献尺寸的减小，以估算成本的节省。他们的研究结果表明，纳米流体太阳能集热器的效率是由工作流体密度、比热和质量流速的函数计算的。结果表明，高密度、低比热的纳米流体比水具有更高的热效率，可将CuO、SiO的太阳能集热器面积分别减小25.6%、21.6%、22.1%和21.5%₂, TiO₂和艾尔₂O_3.纳米流体，如图所示2．因此，它将减少重量，能源和成本的集热器制造。每台集热器平均可节约220兆焦耳的能耗，可实现2.4年的回收期，减少约170公斤的CO排放₂与传统太阳能集热器相比，使用纳米流体太阳能集热器将产生排放。基于纳米流体的太阳能收集器的环境破坏成本也较低。

Parvin等人[11]数值研究了纳米颗粒体积分数(φ = 0%， 1%， 3%， 5%和7%)和雷诺数(Re = 200, 400, 600, 800和1000)对温度分布、熵产率和收集器效率的影响。在层流状态下，工作流体为不可压缩的cu -水纳米流体。研究结果表明:a)颗粒浓度的增加使流体粘度增大，雷诺数减小，从而降低传热;b)为每种应用找到最佳的纳米颗粒体积分数是很重要的。c)如图所示，使用浓度为3%的Ag-water和Cu-water纳米流体可将集热器效率提高近2倍3.d)如图所示，熵产增强到φ = 3%3.．在这个水平之后，添加更多的纳米颗粒不会改变平均熵产。

Ladjevardi等人[12]数值研究了使用纳米流体对太阳能集热器性能的影响，如图所示4考虑到石墨纳米颗粒的不同直径和体积分数。他们观察到，在红外区域，水的光学特性占主导地位，而在紫外和可见光范围，消光系数取决于纳米颗粒的体积分数。消光系数由吸收效率和散射效率计算得到。数值计算结果表明，在入口温度为313 K时，纳米流体收集器的热效率较纯水收集器提高了约88%。当进口温度为333 K时，它也可以提高到227%。

Filho等人[13]研究了银纳米颗粒作为太阳热直接吸收剂的应用。他们的结果表明，由于银纳米颗粒良好的光热转换性能，银颗粒浓度为1.62、3.25和6.5 ppm时，最大存储热能分别增加了52%、93%和144%。他们还观察到，颗粒浓度对比吸收率(SAR)的影响仅在初始加热期可见。得出的结论是，在较高的颗粒载荷(65和650 ppm)下，SAR的降低可能是以下原因造成的:(i)由于颗粒沉积在表面，形成了团聚体并降低了进入流体的阳光强度;(ii)在不同流体深度下，每个颗粒的吸收效率不同;(iii)当颗粒浓度超过某一数值时，辐射引起的热泄漏可能会加强，如图所示5，6而且7．

卡拉米等人[14]实验表明，碱基功能化碳纳米管(f-CNT)直径为10 nm，长5 ~ 10 μm，作为低温直接吸收太阳能集热器(DASC)的吸收液具有良好的稳定性。原因与羧酸基的亲水性有关。f-碳纳米管显著降低了透光率，提高了热导率，如图所示8．他们建议使用这种纳米流体直接吸收光线。在本研究中，通过超声仪器将f-CNTs分散到水中，其体积分数小于150ppm。高浓度产生了一种黑色溶液，光无法穿过它。

等人说。15]发现平板太阳能集热器中单壁碳纳米管(SWCNTs)的纳米流体与悬浮Al制备的纳米流体相比，具有最小的熵产₂O_3., TiO₂和SiO₂纳米颗粒在相同的基液中，如图所示9．他们将熵产的减少归因于吸收板上由于纳米颗粒的加入而增加的热通量。超声波器和高压均质器(容量可达2000巴)用于将纳米颗粒分散到水中。结果表明，SWCNTs纳米流体可使系统的熵产降低4.34%，换热系数提高15.33%。泵送功率也有1.2%的小损失。

唐等人。[16]制备了碳纳米管/PEG/SiO₂由多壁碳纳米管(MWCNTs)、聚乙二醇(PEG)和无机SiO制成的高导热性复合材料₂．由于多壁碳纳米管的高导热性，这些复合材料的导热性能优于传统相变材料(PCMs)。他们的结果清楚地表明PEG/ SiO₂/MWCNT复合材料可有效提高太阳能应用效率。

赛杜尔等人[17]研究了不同参数对采用水和铝纳米颗粒的低温纳米流体直接吸收太阳能集热器(DAC)效率的影响。使用低温系统的一大优势是太阳能收集器相对简单和便宜。此外，还有一些工作液适用于低温操作。常用的基本液体是水、油和乙二醇。他们考虑了纳米流体内的吸收和散射效应，通过辐射传递方程(RTE)来评估纳米流体内的强度分布。为了计算纳米流体的光谱消光系数，即散射系数和吸收系数之和，他们分别研究了基流体和纳米颗粒的光学性质。他们的结果表明，1%体积分数的铝/水纳米流体显著提高了太阳能吸收。他们发现，粒径大小对纳米流体光学性质的影响很小，但为了实现瑞利散射，纳米颗粒的尺寸应该小于20纳米。他们还发现消光系数与体积分数成线性比例。

Sokhansefat等人[18]对Al的强化传热进行了数值研究₂O_3./合成油纳米流体，在抛物线槽集热器管中，在不同的工作温度下，浓度可达5%，如图所示10．纳米流体增强对流换热系数如图所示11．

纳斯林等人[19]进行了数值研究，研究了普朗特数对含水铝太阳能电池内流动场、温度场、对流换热率和辐射换热率、流体平均体温和平均速度场的影响₂O_3.纳米流体收集器如图所示12．结果表明，当Pr从1.73增加到6.62时，纳米流体和基底流体的对流换热分别提高了26%和18%，而辐射提高了8%。

基液的作用

科朗吉洛等人。[20.]实验表明，在太阳能集热器等高温应用中，加透热油的纳米流体导热性能的改善要大于加水的纳米流体。他们观察到热导率随着纳米颗粒尺寸的增加而降低。

霍迪等人[21通过将等离子体功能化的多壁碳纳米管(MWCNTs)分散在水、乙二醇、丙二醇和Therminol VP-1热传导液中，并借助超声波浴，制备了四种不同的纳米流体。他们测试了碳纳米管纳米流体用于直接太阳能吸收的长期和高温稳定性。在本研究中，等离子体处理用于修饰多壁碳纳米管的表面，以改善其在基液中的分散性能。本研究报告了用于太阳能集热器的乙二醇和丙二醇基MWCNT纳米流体的高温和长期稳定性的定量演示。

等人说。22]实验研究了超声分散法制备的水、乙二醇(EG)和EG + H2O(60:40)基Al2O3 (13 nm)纳米流体在工作温度25℃~ 80℃、低浓度0.05% ~ 0.1%范围内的导热系数、粘度和压降。他们观察到实验值与Al热导率估计值的偏差₂O_3./水纳米流体的含量相当高，但Al的实验值₂O_3./EG纳米流体与模型计算的纳米流体几乎相似，如图所示13．他们的结果表明，低浓度纳米流体在太阳能集热器中流动的压降略高于基础流体。

刘等。[23]实验研究了基于离子液体1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([HMIM] BF)的石墨烯(GE)分散纳米流体的可行性₄)用于高温传热系统(如太阳能集热器)。离子液体(ILs)是一组熔点低于100℃的熔盐，液体温度范围很广，从室温到最高温度为459℃。ILs具有优良的热物理性能，如良好的热稳定性和化学稳定性，高密度和热容，蒸汽压可忽略不计。在这项工作中，作者展示了如何提高太阳能热系统的ILs性能。他们观察到，在25 ~ 200℃的温度范围内，使用0.06%的石墨烯，导热系数提高了15.2% ~ 22.9%，如图所示14．他们的研究结果表明，GE是一种比其他碳材料和金属纳米颗粒更好的纳米流体添加剂。

作者将这种减少归因于GE的自润滑特性。此外，热重分析结果表明GE/BF具有较高的热稳定性₄纳米流体。他们的测量结果表明，这种新型纳米流体非常适合太阳能集热器等高温应用。

何等人。[24]通过最大化其比热容，发现了掺杂Hitec(一种硝酸盐盐)熔液中氧化铝纳米颗粒的最佳浓度。高温熔盐通常具有较高的热容量，是聚光太阳能发电(CSP)系统的有效工作流体。他们的研究结果如下:1- Al的添加量小于2%₂O_3.如图所示，纳米颗粒在低温下显著增加了Hitec金属的比热15， 2-对于体积分数小于或等于0.5%，加入Al₂O_3.3-在所有温度下，0.063 wt.%的浓度对比热的增强作用最大，约为19.9%，4-扫描电子显微镜(SEM)图像显示，即使在相对较低的浓度下，纳米颗粒在Hitec的晶界中聚集成0.2 ~ 0.6 μm大小的团簇，5-本研究的结果表明，产生良好的均匀分散和最佳颗粒或团簇模式的浓度可能使比热最大化。固体-流体界面面积的简化模型表明，在0.023 wt.%的浓度下，界面面积最大。当纳米颗粒浓度增加到0.023 wt. %以上时，形成的团簇变大，固体团簇与基液之间的界面面积密度减小，比热容的增加减少。根据本研究的结果，在浓度为0.063 wt.%时比热容的提高最大，而不是0.023 wt.%。事实上，一些形成亚微米团簇的纳米颗粒的团聚可能是提高比热容的最佳方法。但总界面面积在0.063 wt. %浓度时略小于0.023 wt. %浓度时的值。

表面活性剂的作用

辛格等人。[25]通过温度和超声波成熟过程的结合，将Cu添加到商用太阳能传热液(Therminol 59 (TH59)和Therminol 66 (TH66))中。他们指出，表面活性剂的选择在制备稳定的纳米流体中起着重要作用。选择合适的表面活性剂主要取决于基液和基粒的性质。例如，使用苯达氯铵(BAC, Acros Organics)作为表面活性剂，氧化硅纳米颗粒成功地分散在TH66中，但由于纳米颗粒与表面活性剂分子之间缺乏特异性相互作用，BAC表面活性剂与铜纳米颗粒的使用并不能提供足够的悬浮稳定性。表面活性剂分子的双层排列应提供良好的纳米颗粒表面粘附性和与芳香族溶剂的混溶性。在这项工作中，作者分别使用油酸和BAC的组合以及十八烷基硫醇(ODT)和BAC表面活性剂的混合物在TH66和TH59中分散铜纳米颗粒。他们观察到，在没有温度成熟的情况下，用超声枪进行常规超声处理时，3D铜纳米颗粒不会破裂。他们表明，在120°C下，约4小时的超声时间可以有效地将Cu团聚体分解成单个颗粒。他们还得出结论，Cu/TH66纳米流体似乎比Cu/TH59纳米流体更稳定，因为它具有更高的动态粘度。

尤塞菲等人[26，27]研究了Al的作用₂O_3.(15 nm)和MWCNT (10-30 nm)水纳米流体对平板太阳能集热器效率的影响。纳米颗粒的质量分数分别为0.2%和0.4%，实验中使用Triton X-100和不使用Triton X-100作为表面活性剂。他们的研究结果表明，纳米流体中表面活性剂的存在极大地影响了太阳能集热器的效率。

Lenert等人。[28]提出了一种结合建模和实验研究，以优化圆柱形纳米流体体积接收器的性能。他们得出的结论是，当纳米流体体积接收器耦合到功率循环，并优化了光学厚度和太阳曝光时间时，效率超过35%。这项研究为在聚光太阳能应用中使用纳米流体作为体积接收器提供了一个重要的视角。在这项工作中，28 nm碳涂层钴(C-Co)纳米颗粒在没有任何表面活性剂的超声浴中分散并悬浮在Therminol VP-1中30分钟。

pH值的作用

尤塞菲等人[29]研究了MWCNT-H2O纳米流体pH值对平板太阳能集热器效率的影响，如图所示16．实验采用0.2 wt% MWCNT (10-30 nm)，不同pH值(3.5、6.5和9.5)，Triton X-100作为添加剂进行。他们发现，增加或减少相对于等电点(IEP)的pH值将增强纳米流体对太阳能集热器效率的积极作用。当纳米流体的pH值与等电流体的pH值之间的差异增大时，捕集效率提高。当纳米流体变得更酸(pH值更低)时，更多的电荷积聚在颗粒表面，导致纳米颗粒在悬浮液中的团聚降低。因此，纳米流体的有效导热系数增加。此外，随着纳米流体pH值的增加，碳纳米管的表面电荷增加，导致纳米流体的热导率和稳定性增加。

纳米流体在光伏/热(PV/T)系统中的应用

Sardarabadi等。[30.]进行了实验，研究了使用SiO2/水纳米流体作为冷却剂对光伏热(PV/T)系统热效率和电效率的影响。平板太阳能收集器连接到光伏电池板上。集热器的倾斜角度设置为32°的恒定值，以最大限度地收集太阳能。可以观察到，在PV系统中增加集热器后，纯水、1%二氧化硅/水纳米流体和3%二氧化硅/水纳米流体三种情况下的总火用能分别增加了19.36%、22.61%和24.31%，如图所示17．当二氧化硅/水纳米流体的质量分数分别为1 wt%和3 wt%时，PV/T集热器的热效率分别提高了7.6%和12.8%。

卡拉米等人[31]实验研究了水基薄水铝石(AlOOH。xH₂O)混合光伏电池中的纳米流体。PV电池是单晶硅。结果表明，纳米流体的性能优于水，PV表面平均温度从62.29°C下降到32.5°C，如图所示18．他们报告说，当纳米流体的浓度超过一定水平时，电效率就会下降。作者将这种减少归因于纳米颗粒的高表面活性以及它们在高颗粒负载下的聚集/聚类倾向。表格1总结了纳米流体对不同太阳能热应用的影响结果

．

在太阳能蒸馏器中使用纳米流体

Kabeel等人[32]研究了一个小型海水淡化装置，并将纳米流体(Cu/water)太阳能集热器作为热源，如图所示19．该系统由一个太阳能热水器(平板太阳能集热器)，一个搅拌槽和一个闪烁室，加上一个螺旋热交换器和冷凝器组成。海水淡化的过程是基于海水在非常低的压力(真空)下的蒸发。蒸发的水被冷凝成淡水。模拟结果表明，纳米颗粒浓度是提高淡水产量、降低成本的重要因素。作者报告说，水成本可以从16.43美元/m降低到11.68美元/m^3.at ϕ = 5%，如图所示20.．

Kabeel等人[33使用Al₂O_3.纳米颗粒和水放在一个太阳能蒸馏盆里。他们的结果表明，使用纳米流体可以在有和没有操作真空风扇的情况下分别提高约116%和76%的太阳能静水生产力。作者将此归因于蒸馏器内部蒸发速率的增加。使用纳米流体可以提高蒸发速度。此外，由于蒸馏器内部的真空，蒸发速度进一步增加，与常压条件下的蒸馏器相比，生产率提高。

在太阳能池中使用纳米流体

尼米尔等人[34]提出了一个数学模型来描述使用银-水纳米流体对浅太阳池(SSP)热性能的影响，并表明纳米流体池中存储的能量比盐水池中存储的能量多约216%。池塘的上层由矿物油制成，下层由银(Ag)水基纳米流体制成。他们的结果表明，对于1000 W/m的太阳辐射²纳米流体池需要小于25厘米的深度才能吸收光，而盐水池的深度必须大于25米才能吸收同样的光。他们将储存能量的增加归因于基流体热导率的增加，这是由于纳米颗粒的加入导致了层内均匀的温度分布，从而减少了热损失。

在太阳能集热器中使用纳米流体与开放式热虹吸管集成

刘等。[35]的实验结果表明，与同心管集热器相比，开放式热虹吸管集热器具有更好的集热器性能，并且采用CuO/水纳米流体作为工作流体可以提高集热器效率。结果表明，采用纳米流体的开放式热虹吸管捕集器的捕集效率最大值和平均值分别提高了6.6%和12.4%。

纳米流体已被用于提高若干太阳能热应用的效率。对太阳能系统的理论和实验研究表明，纳米流体的应用显著提高了太阳能系统的性能。多项研究表明，基液中存在纳米颗粒的最佳浓度。添加超过最佳水平的纳米颗粒不再能提高太阳系的效率。

如本文所述，最佳条件是纳米颗粒大小和浓度、基液、表面活性剂和pH值的函数。纳米流体在太阳能热系统中的应用面临着生产成本高、不稳定性、团聚和侵蚀等重要挑战。本文综述了纳米流体在太阳系中应用的优缺点。

作者想对阿巴丹伊斯兰阿扎德大学分校提供的财政支持表示感谢。

作者及隶属关系

1. 伊斯兰阿扎德大学阿巴丹分校机械工程系，伊朗阿巴丹P.O.B. 666

   Navid Bozorgan

2. 加州州立理工大学机械工程系，美国加州波莫纳

   Maryam Shafahi

相应的作者

对应到Navid Bozorgan．

相互竞争的利益

作者宣称他们之间没有利益冲突。

作者的贡献

MS进行了广泛的文献综述，NB撰写了文章。两位作者都阅读并批准了最终的手稿。

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