Renewable Energy：纳米流体稳定性主导直接吸收式太阳能集热器的光热性能

研究背景

直接吸收式太阳能集热器（DASC）利用纳米颗粒在工质内部吸收太阳辐射并产生体积热源，为减少传统表面吸收结构的局部高温及热损失提供了解决路径。然而，刚配制好时具有良好吸光能力的纳米流体，未必能在使用过程中保持同样的性能。颗粒迁移、聚集与沉降会改变有效悬浮颗粒的数量及空间分布，进而重塑光场和热量沉积位置。现有研究往往将流体分散稳定性表征与集热器性能预测分开处理，并默认悬浮液始终均匀。本研究将实测的纳米流体演化情况纳入光学与传热模型，揭示了这一假设可能造成的性能高估，并量化了针对性稳定化带来的性能恢复。

研究内容与方法

研究分为光学筛选与稳定性评价两个阶段。首先比较碳、氧化铁、铜及其复合体系等七种候选配方，综合吸光能力、散射贡献与原料成本，选出单组分碳纳米流体及碳-氧化铁混合纳米流体。基液为去离子水，总颗粒体积分数为1×10⁻⁵；混合体系中碳与氧化铁的体积比为1∶1。

图1 研究的整体流程。首先实验测量光谱与分散状态，继而由传热模型评估由此产生的集热性能变化

从实测纳米流体演化到集热性能预测

研究在30–60 °C范围内考察两种工质。光谱测量采用10 mm石英比色皿，获取300–1400 nm范围内的透射率与反射率；Turbiscan多重光散射分析则记录24 h内随时间和高度变化的透射及背散射信号，以表征澄清、颗粒再分布及分散稳定性。

图2 纳米流体演化影响集热性能的概念示意图

（此图为AI辅助生成的示意图，依据论文中的研究方法绘制）

框架的关键是由透射光学厚度估算相对于初始平均浓度的局部颗粒浓度，并记录有效悬浮份额的变化。然后结合该浓度场与初始光谱信息，获得随深度变化的流体的吸收及消光系数。试样高度通过归一化坐标映射至集热器深度，使测得的分散状态成为光学模型的输入。

修正后的光学场经Beer–Lambert模型转化为体积辐射热源，并考虑反射底面的往返辐射；双通量Kubelka–Munk模型用于检验散射产生影响。基于二维有限体积法的能量模型据此计算温度场、出口温升及热效率。因此，本研究中的集热器性能是实验数据约束下的模型预测结果。

主要研究结果

1. 失稳使初始光学优势失效

在40 °C、24 h条件下的稳定性测试显示，未添加稳定剂的碳纳米流体仅发生较小变化；混合体系的透射率则随时间明显上升，反映出有效悬浮颗粒减少及空间再分布。由此重建的光学场，与均匀悬浮假设出现显著差异。

图3 未稳定化工质在40 °C下的高度分辨透射与背散射信号。（a）碳纳米流体；（b）碳–氧化铁混合纳米流体。不同曲线对应24 h内的测量时刻

在混合体系中，均匀假设明显高估了光谱加权光学指标。40 °C时，原文报告的Aₘ由0.7197降至0.3137，降幅约56.4%；碳纳米流体则仅由0.8344降至0.8052。两者的差别表明，配方评价需要同时考虑初始光谱与分散状态。

图4 未稳定化工质的均匀预测与稳定性修正光谱对比，温度为40 °C。（a）碳纳米流体；（b）碳-氧化铁混合纳米流体。橙色实线与虚线分别对应均匀分散假设和Turbiscan修正结果，蓝线为AM1.5G光谱

2. 稳定化恢复有效光学场与体积热源

失稳的影响进一步传递到热源分布。40 °C时，碳纳米流体的修正热源仍接近均匀基准，而混合体系的体积热源整体减弱。其单位面积往返吸收辐射功率由618.06降至356.34 W/m²，出口温升由14.20降至7.91 K，热效率由68.26%降至38.18%，下降约30个百分点。

图5 未稳定化工质的体积辐射热源分布，温度为40 °C。（a）碳纳米流体；（b）碳-氧化铁混合纳米流体。蓝色实线为均匀基准，橙色虚线为稳定性修正结果。

进一步根据颗粒表面化学属性选取不同稳定剂来研究其稳定性。碳纳米流体采用十二烷基硫酸钠（SDS）；混合体系则先用SDS稳定碳分散液、用柠檬酸钠（SC）稳定氧化铁分散液，再将两者混合。两种工质分别选用0.1 mM SDS和0.1 mM SDS＋1 mM SC的低剂量方案。分别预稳定有助于减少组分间的稳定剂竞争与早期的异质聚集。

图6 稳定处理后工质的体积辐射热源分布，工作温度为40 °C。（a）碳纳米流体；（b）碳-氧化铁混合纳米流体。稳定性修正曲线与均匀基准接近重合

3. 温度放大失稳损失

表1汇总混合体系的代表性结果。40 °C稳定化后，其热效率恢复至68.07%，接近68.26%的均匀基准。作为对比，碳纳米流体则由74.23%恢复至75.06%，基准为75.10%。这说明稳定化的主要作用，是维持光程内的有效悬浮颗粒及其光学性能。

表1 碳-氧化铁混合纳米流体的光学与热学性能

温度°C	分散状态	Am	往返吸收功率W/m²	出口温升K	热效率%
40	均匀基准	0.7197	618.06	14.20	68.26
40	未稳定化	0.3137	356.34	7.91	38.18
40	稳定化	0.7197	616.38	14.16	68.07
60	均匀基准	0.6798	607.66	18.43	63.35
60	未稳定化	0.0803	105.71	1.72	5.93
60	稳定化	0.6798	607.41	18.42	63.33

注：均匀基准假设悬浮液不随时间和空间变化；未稳定化与稳定化工况均使用实测的分散状态修正后的光学场。

升温使失稳损失更加突出。60 °C时，未稳定化混合体系的热效率仅为5.93%，稳定化后恢复至63.33%，接近63.35%的均匀基准。碳纳米流体在该温度下也由均匀基准的71.24%降至45.35%，表明其在较低温度下的相对稳定性不能直接外推至更高温度。

结论与展望

这项研究表明，评价纳米流体直接吸收式太阳能集热器时，应同时关注其初始吸光能力及其在目标温度、工作时间内的保持程度。对易失稳的混合体系，忽略有效悬浮颗粒损失可能显著高估光热输出；组分针对性的稳定化则能使其光热转化性能接近均匀悬浮基准。

该框架假设稀悬浮液中光学系数随局部浓度线性变化，并假设混合体系的局部组分比例基本不变。若发生显著差异沉降、强聚集或颗粒光学截面变化，则需进一步完善光学描述。当前方法将静置试样的分散状态映射为集热器的光学修正，尚需通过流动再混合、长期循环及户外试验检验其适用性。本研究为后续从短期配方筛选走向长期运行评价提供了基础。

论文信息

Muhammad Idrees, Caiyan Qin*, Deng Pan, Xinhai Xu, Xiaohu Wu. Colloidal stability governs the photothermal performance of direct absorption solar collectors. Renewable Energy, 2026, 277: 126483.

期刊：Renewable Energy

DOI：10.1016/j.renene.2026.126483

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.renene.2026.126483

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