基于环保型功能化多壁碳纳米管/二氧化钛混合纳米流体的振荡热管光伏系统热管理与能量收集增强研究

《Results in Engineering》：Eco-Friendly Functionalized MWCNT/TiO? Hybrid Nanofluids for Enhanced Thermal Management and Energy Harvesting in Photovoltaic Systems

本文推荐一种结合TiO2涂层铝反射镜的光学聚光与振荡热管（OHP）被动冷却的混合光伏系统，采用环保型丁香油处理多壁碳纳米管（CT-MWCNT）/TiO2混合纳米流体作为工质。实验表明，0.2 wt%纳米流体使OHP热阻显著降低，反射镜将太阳辐照度提升21%，系统光电效率超过参考模块18%，有效解决聚光导致的过热问题，为高性能太阳能利用提供可持续方案。

　　

随着全球可再生能源转型的加速，光伏（PV）技术已成为太阳能利用的核心。然而，光伏电池的效率受温度影响显著——在强光照下，电池温度升高会导致载流子复合加剧、开路电压下降，每升温1°C，硅基光伏组件效率通常下降0.4–0.5%。尤其在炎热气候条件下，光伏板工作温度可能超过70°C，造成20%以上的效率损失。为提高发电量，研究者常采用反射镜增强入射光，但这又会进一步加剧温升，形成“聚光-升温-效率衰减”的恶性循环。为此，如何实现光学增强与高效散热的协同，成为光伏领域的重要挑战。

为解决上述问题，Mahyar Kargaran等人设计了一种新型被动混合系统，通过TiO₂涂层铝反射镜提高光输入，同时采用振荡热管（OHP）配合环保型CT-MWCNT/TiO₂混合纳米流体进行冷却。该系统在伊朗亚兹德户外进行了实验，通过七种不同配置的对比，全面评估了光-热耦合提升光伏性能的潜力。相关成果发表在《Results in Engineering》，为高性能光伏热管理提供了创新思路。

为开展研究，作者团队主要依托以下几项关键技术：采用铜质振荡热管，其内径按表面张力与两相流稳定性公式（0.7√(σ_l/g(ρ_l-ρ_v)）≤ D_i≤ 1.8√(σ_l/g(ρ_l-ρ_v)））设计为2毫米；研制了以丁香油提取物为表面修饰剂的多壁碳纳米管（CT-MWCNT）与TiO₂纳米颗粒混合的纳米流体，浓度分别为0.1 wt%与0.2 wt%；设计并制作了抛物线型铝反射镜，其开口角为120°，表面涂覆TiO₂以提供自清洁功能；利用热电偶和辐照度计对系统温度与光强进行多点监测，结合电性能测试系统完成4E（能量、?、经济、环境）综合分析。

研究结果从热学行为、电学输出、?效率以及环境效益等多角度展开：

在热行为方面，反射镜的引入使PV板表面温度比无反射镜组提高5–10°C，最高达到83°C。而使用OHP并结合0.2 wt% CT-MWCNT/TiO₂纳米流体后，系统热阻降低约35%，有效抑制了温升，PV表面最高温度控制在71°C左右，温度均匀性在±1.2°C以内。

电性能测试表明，反射镜使入射辐照度提升21%，但若无冷却，效率增益受限。当反射镜与纳米流体-OHP联用时，系统日均发电量达到19.6 Wh，比基础光伏组提高94%，光电效率绝对值提升约9.3%，峰值?效率达33.00%。

在?与环境分析中，纳米流体强化了系统的能量品质，日均?输出显著提高。尽管纳米材料制备带来约100 g CO₂的排放增量，但系统在全生命周期内因发电量提升实现碳排抵消，环境回收期约2.1年。能量回收期（EPBT）为4.6年，表明系统具备良好的可持续性。

通过上述实验，作者得出几项重要结论：首先，U型反射镜与OHP被动冷却相结合，可在不依赖外部动力的条件下实现光伏系统光?热性能的协同提升；其次，CT-MWCNT/TiO₂混合纳米流体在OHP中表现出优异的导热性能和长期分散稳定性，其作用机制包括布朗运动增强、边界层扰动和微对流效应；第三，该混合系统结构简单、易于扩展，适合在干旱强光地区推广使用。

本研究的创新点在于首次将自清洁反射镜、振荡热管与绿色纳米流体融合于同一光伏系统，并完成了从光学、热工到?效的全链条实验验证。不仅为解决光伏温升问题提供了新材料与新结构方案，也为下一代高效光热系统的设计提供了重要的技术参考。