非化学计量比半导体纳米晶在光热光电分频利用中的热辐射基础问题

The spectrum-splitting photothermal and photoelectric combined system is a promising solar energy technology, and it has drawn extensive concerns recently. The non-stoichiometric semiconductor nanocrystals can promote the efficiency of the photothermal and photoelectric combined system when it is employed as the heat-absorption carrier and spectrum filter. The present proposal will investigate the critical fundamental problems in the spectrum-filtering combined system based on non-stoichiometric semiconductor nanofluid. The molecular dynamic model based on the first principle will be constructed to solve the Schrdinger Equation and predict the optical constant of semiconductor nanocrystal. A multi-scale numerical model and experimental measure are used to explore the tuning mechanism of the radiative properties of the semiconductor nanofluid. At the same time, the interaction effect of photothermal unit and photoelectric unit will also be investigated in-depth. The multi-physics numerical model will be developed to simulate the combined heat transfer of spectrum-selective absorbing nanofluid under solar energy radiation. The 'field synergy principle' will be extended to explore the synergy law of photothermal unit and photoelectric unit. The more efficient solar energy system will be developed by the present work.

太阳能光热光电分频利用技术有着重要的理论价值和广阔的应用前景，采用非化学计量比半导体纳米晶流体作为传热载体和分频过滤器的光热光电耦合系统有望获得较高的能源利用效率。本课题针对非化学计量比半导体纳米晶在光热光电过滤分频利用中的关键基础问题展开研究，拟通过多尺度数值模拟与实验相结合的技术手段，从纳米晶的分子结构和微观形貌入手，构建基于第一性原理的分子模拟计算模型，求解能够预测材料电磁特性的薛定谔方程，揭示非化学计量比半导体纳米晶辐射特性的调制机理；同时，深入研究分频利用系统中光热、光电单元的耦合协同作用，构建光谱选择性吸收纳米流体在太阳辐照作用下的多场耦合传热模型，发展适用于光热光电分频技术的"场协同"理论，并进一步调查光热、光电单元在多场耦合作用下的协调规律，探索使太阳能获得最佳利用的分频过滤技术方案。

太阳能光热光电分频利用技术有着重要的理论价值和广阔的应用前景，采用非化学计量比半导体纳米晶流体作为传热载体和分频过滤器的光热光电耦合系统有望获得较高的能源利用效率。本课题针对非化学计量比半导体纳米晶在光热光电过滤分频利用中的关键基础问题展开研究。. 首先，通过多尺度数值模拟与实验相结合的技术手段，从纳米晶的分子结构和微观形貌入手，揭示了半导体纳米晶辐射特性的调制机理。其次，构建了光谱选择性吸收纳米流体在太阳辐照作用下的多场耦合传热模型，利用这一模型不仅掌握了影响系统性能的关键因素，而且对光热光电单元之间的耦合关系有了较为深入的理解。结果表明，纳米流体的选择性吸收特性决定了系统光热单元和光伏单元的能量分配比例，对系统的性能有着至关重要的影响，而且可以通过实时调节纳米流体的光学特性实现太阳能在光热和光伏单元中的动态调控，这一特性是基于纳米流体的分频式利用系统所特有的优势。此外，自行设计开发了一套较为完善的户外实验设施，测试并分析了硫化铜纳米晶和聚吡咯纳米粒子的吸热与分频能力，调查了纳米粒子浓度、光伏电池种类、集热器隔热设计等对系统性能的影响。实验系统的光热单元在光伏发电的同时获得了超过100℃的中温热能，这在基于流体分频的太阳能利用的实验研究领域中尚属首次。这一突破不仅证实了纳米流体在太阳能分频技术中的优势，也意味着这一技术相比传统的PV/T系统具有更为广泛的应用前景，能够为工业应用同时提供电能和中温热能。. 项目实施期间，共发表学术论文10篇，其中SCI检索论文5篇，ESI高引论文1篇，EI检索论文2篇，会议论文1篇，其他论文2篇；共申请国家发明专利4项；培养研究生5名。总之，该课题的开展为基于纳米流体的光热光电分频利用技术走向成熟应用奠定了基础。