纳米流体光谱特性与温度的关联规律及分频光伏光热器件能量转化调控机理研究

Optical nanofluid based spectral beam splitting PV/thermal power hybrid technology is a promising field of solar energy research. Because of the complex operating conditions, i.e. high concentration, non-uniform illumination, and high temperature, acknowledge on control mechanism of energy conversion, especially the temperature dependency of the nanofluid spectral characteristics is still not adequate. As thus, this project intends to investigate the following subjects: first, as the spectral characteristics of metal nanoparticles do not change with temperature, we can decouple the mechanisms of the temperature dependency of spectral characteristics, access to quantitative analysis methodology and temperature-dependent control mechanism; secondly, based on the special spectral response of PV material and highly doped metal oxide, the synergism mechanism of the PV and nanofluid can be obtained, and an Intelligent control strategy can be applied for the optical window; and finally, the relations of spectral characteristics and temperature can be introduced to the numerical simulation model, to predict the performance of spectral beam splitting PV-thermal systems for the sake of improving the experimental research, , and to reveal the influence of temperature, illumination field along with spectral radiation on the device performance, so that a combined design method considering material properties, system structure, and controllable operating parameters can be proposed. These investigations will lay a theory foundation for the design and development of high efficiency spectral beam splitting PV/thermal power hybrid system.

纳米流体分频光伏光热复合发电技术是太阳能领域的前沿方向。由于工作在复杂的高倍聚光、非均匀辐照、高温条件下，对分频器件能量转化的调控机理，特别是对高温下纳米流体光谱特性变化的机理的认识尚有不足。因此，本课题拟开展以下研究：首先，利用金属纳米颗粒光谱特性不随温度变化的特点，通过实验和理论分析结合对纳米流体光谱特性与温度关联规律的进行解耦，获得其定量分析方法，得到纳米流体光谱特性的温度调控机制；其次，基于光伏电池和高掺杂金属氧化物纳米流体在温度升高时的特殊光谱响应特性研究光伏电池与纳米流体之间随温度变化的光谱响应协同规律，并探索光学窗口的智能调控方法；最后，将光谱特性与温度的关联关系引入建立的数值模型，研制高效分频光伏光热器件并开展实验研究，揭示温度、光场、光谱对性能的影响机理，并探索贯穿材料性能—系统结构—可控运行参数的统一设计方法。以上研究将为纳米流体分频光伏光热技术的发展奠定理论基础。

纳米流体分频光伏光热复合发电技术是太阳能领域前沿方向。由于工作在复杂的高倍聚光、非均匀辐照、高温条件下，对分频器件能量转化的调控机理，特别是对高温下纳米流体光谱特性变化的机理的认识尚有不足。因此，本课题拟开展的研究包括：首先，利用金属颗粒纳米流体光谱特性不随温度变化的特点，通过实验和理论分析结合对纳米流体光谱特性与温度关联规律的进行解耦，获得其定量分析方法，得到纳米流体光谱特性的温度调控机制；其次，基于光伏电池和高掺杂金属氧化物纳米流体在温度升高时的特殊光谱响应特性研究光伏电池与纳米流体之间随温度变化的光谱响应协同规律，并探索光学窗口的智能调控方法；最后，将光谱特性与温度的关联关系引入建立的数值模型，研制高效的分频光伏光热器件展开实验研究，揭示温度、光场、光谱对性能的影响机理，并探索贯穿材料性能—系统结构—可控运行参数的统一设计方法。通过研究在以下方面取得进展：获得光学纳米流体光谱特性与温度的关联规律；获得系统效率最优的“光学窗口”及其评价方法；建立能够准确评估系统性能的三维数值模型；建立光热完全耦合包含光谱信息的数值求解方法；实现光伏光热系统从材料到系统的算法优化设计；开发新型换热结构和拓扑形态。本项目在绝大部分研究领域都超过了预期目标。这些研究也为纳米流体分频光伏光热技术的发展奠定了一定的理论基础。