纳米流体对太阳能辐射选择吸收特性的研究

论文摘要

纳米颗粒的小尺寸效应使其对太阳能辐射体现出了与普通材料不同的特殊光吸收特性。颗粒分散于不同介质时,分散体系整体对光的透射、散射以及吸收特性都将发生变化,也体现出了不同与普通分散体系的辐射特性。太阳能热电联用系统将太阳电池组件和太阳能集热器结合起来,对太阳能全波段能量进行一体化利用,提高了太阳能的综合利用效率。本文首先对纳米流体的基础辐射特性进行了理论研究。综述了纳米流体的热物性尤其是辐射特性的国内外研究现状;系统地介绍了辐射在介质中传递的理论模型。当颗粒粒径远小于入射波长时,颗粒散射特性远小于颗粒吸收作用,其散射作用可以忽略。无散射作用时,纳米流体的透射和吸收特性可以利用有效介质理论进行分析。当颗粒散射特性明显时,用Mie理论结合近场、远场理论分析纳米流体的透射特性。本文而后对纳米流体的辐射特性进行了实验研究。用高压微射流法制备了高性能的纳米流体,用激光粒度仪测试分散前后的粒径分布;用积分球的原理测试SiO2纳米流体的透射率,实验结果表明,颗粒粒径、种类以及分散浓度对纳米流体的透射率有不同程度的影响。定制了不同厚度的样品池,测试了光程变化时的SiO2纳米流体的透射率。结果表明,7nm SiO2纳米流体的透射率随光程的变化仍符合朗伯一比尔定律,而辐射在40nmSiO2纳米流体传递过程中的衰减是由吸收和散射共同引起的,衰减系数是波长以及光程的函数,并通过拟合实验曲线给出了修正朗伯—比尔定律的方法。最后本文用太阳能模拟发生器模拟太阳能辐射,对表面加SiO2纳米流体的电池板的性能进行了实验研究,分析了SiO2纳米流体对电池板的开路电压、最大功率以及工作温度的影响。建立了达到稳定状态后热电联用系统的计算模型,模拟计算了不同电池板长度、冷却流体流量、入口温度、辐射强度、系统结构对系统效率的影响,提出了临界长度的概念,提出了提高系统效率的方法,为下一步热电联用系统设计搭建工作提供了参考。本文旨在利用纳米颗粒特殊的光学特性来改变介质某一波段的辐射特性,探索一种对太阳能可见光完全透过、其他波段完全吸收的纳米流体来提高热电联用系统的太阳能利用率。研究表明,介质本身的特性、颗粒分散浓度、颗粒的粒径、颗粒的光学常数以及颗粒的表面形状是影响纳米流体辐射特性的五个重要因素。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 纳米流体热物性的研究
• 1.2.2 纳米流体辐射特性的研究
• 1.2.3 太阳能热电联用
• 1.3 课题研究内容
• 第2章 纳米流体辐射机理研究
• 2.1 引言
• 2.2 辐射理论
• 2.2.1 基本概念
• 2.2.2 电磁波理论
• 2.2.3 有效介质理论
• 2.2.4 Mie理论
• 2.3 纳米流体辐射特性理论研究
• 2.4 有效介质理论的计算结果
• 2.5 本章小结
• 第3章 纳米流体辐射特性的实验研究
• 3.1 引言
• 3.2 纳米流体的制备
• 3.3 实验仪器及测试原理
• 3.4 粒径对透射率的影响
• 3.5 体积分数对透射率的影响
• 3.6 颗粒散射的影响因素
• 3.7 本章小结
• 第4章 光程对纳米流体透射率的影响
• 4.1 引言
• 4.2 实验偏差
• 4.3 实验方法
• 4.4 数据处理与结果分析
• 4.5 公式修正
• 4.6 本章小结
• 第5章 纳米流体在光电利用中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法及设备
• 5.2.1 不受光照情况下的I-U特性
• 5.2.2 太阳模拟器光照下的电池性能参数测定
• 5.3 实验数据处理
• 5.4 实验结果分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 PV/T系统效率的模拟计算
• 6.1 引言
• 6.2 PV/T系统计算模型
• 6.2.1 辐射传递模型
• 6.2.2 热平衡模型
• 6.3 模拟计算结果
• 6.3.1 电池板长度的影响
• 6.3.2 冷却水流量的影响
• 6.3.3 入口温度的影响
• 6.3.4 辐射强度的影响
• 6.4 PV/T系统效率提高的方法
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 作者简历