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绿色氢能生产中PVT系统通过GO/CuO和ZnO/SiC混合纳米流体实现热管理优化，实验表明0.25 vol% ZnO/SiC使日氢产量达9.28 mol，综合效率提升至44%，显著优于传统水基和独立光伏系统。
Mohammed Shamar Yadkar|Sefer Kurnaz|Hameed Mutlag Farhan|Sangeetha M|G.K. Jhanani
电气与计算机工程系，阿尔廷巴斯大学，伊斯坦布尔，34000，土耳其
摘要
向可再生能源的转型对于缓解气候变化至关重要，而绿色氢气的生产是这一过程的重要组成部分。然而，目前生产绿色氢气的方法效率不高，需要新技术来改进这一过程。在本研究中，我们考察了混合纳米流体的使用，具体使用了氧化石墨烯/氧化铜（GO/CuO）和氧化锌/碳化硅（ZnO/SiC），浓度分别为0.25%和0.5%。将这些纳米流体的性能与水和独立光伏（PV）系统的性能进行了比较。实验在晴朗的天空条件下进行了五天，比较时使用了各项参数的平均值。结果表明，使用混合纳米流体改善了PVT系统的热管理，从而提高了电效率和热效率。带有纳米流体的PVT系统的综合能源效率超过了44%，高于独立PV系统的效率。氢气产量也得到了提高，最高达到1.305摩尔/小时。浓度为0.25%的ZnO/SiC纳米流体显示出最高的日累计氢气产量，为9.28摩尔。总体而言，该研究表明，在PVT系统中使用混合纳米流体可以提高绿色氢气的产量。本研究的结果可用于优化PVT系统的设计并提升其性能。
引言
随着世界向清洁能源迈进，迫切需要能够将可再生能源无缝融入电网并创造可持续燃料的创新技术。在可再生能源与清洁燃料生产集成领域的技术创新是一个重要的研究方向。国际能源署建议，为了实现净零排放目标，2030年和2050年分别需要1.3亿吨和5.2亿吨低排放氢气[1]。目前，95%的氢气产量来自蒸汽甲烷重整和煤气化等过程，每年导致全球产生9亿吨二氧化碳[2]。绿色氢气生产是一项有前景的技术，可以用来解决这一问题。通过太阳能驱动的水电解法生产绿色氢气是最有前途的技术之一。与其他生产方法不同，这种方法有实现零排放燃料生产的潜力。预计到2030年，太阳能电解制氢的成本将在1.5至3.0美元/千克之间[3]。然而，在将光伏（PV）系统与电解槽集成方面，存在许多技术挑战，尤其是在效率和成本方面。将光伏系统与电解槽集成最大的挑战在于硅太阳能电池的温度敏感性。硅太阳能电池的效率每升高1°C会降低0.4%至0.5%。在实际工作条件下，光伏模块的温度可达到70°C，这可能导致超过20%的功率损失[4]。在阳光强度高的炎热气候中，这一问题更为明显。光伏热（PVT）系统可以同时发电并捕获浪费的热量，从而缓解这一问题。在这些系统中，太阳能电池保持在较低的温度，同时产生有价值的热能。据报道，PVT系统的综合效率可超过70%。与传统光伏系统相比，PVT系统可以提供可用于家庭热水、空间加热和工业过程等领域的热能[5,6]。Herrando等人[7]报告称，与使用传统光伏系统和单独的热系统相比，使用PVT系统可节省高达10%的平准化能源成本（LCOE）。然而，使用水和空气作为传热流体的传统PVT系统的主要缺点是冷却剂的固有热性能较低，这使得系统在高太阳辐射条件下效率低下[8]。在过去几十年中，利用纳米流体增强光伏系统中的热传递成为可能。最近在纳米流体技术方面的改进显示出热物理性质的显著提升，即使在体积浓度低于1%的情况下也能提高热导率[9]。Vallejo等人的另一项值得注意的研究表明，经过适当表面活性剂功能化的碳基纳米流体表现出热导率的提升[10]。通过机器学习优化，金属氧化物纳米流体在稳定性和性能方面取得了显著进步[11]。尽管取得了这些进展，但在专门针对电生产和氢气生产进行优化的混合纳米流体的系统比较方面仍存在研究空白。最近的研究大多集中在热效率或电效率的优化上，而没有考虑决定最终氢产量的电解槽集成性能。选择混合纳米流体而非单一纳米流体的合理性在于热物理性能的提升。在GO/CuO系统中，氧化石墨烯提供了高长径比的双维热传导，而CuO纳米粒子增强了可见光谱中的辐射吸收。另一方面，ZnO/SiC利用ZnO的宽禁带（3.37 eV）进行紫外线吸收，同时不影响光伏电池的照明，从而实现高效的热传递。
Wang等人[12]发现，基于PVT系统的氢气生产具有更高的效率和清洁性。最近的研究重点在于相变材料、纳米流体和人工智能在系统控制中的应用。实施PVT系统的挑战包括缺水和灰尘降解问题。通过优化光伏元件、温度控制和不同的策略控制，PVT系统的性能得到了提升。该系统的应用成本较高。需要进一步的研究来使其在各种条件下实现商业化。电池温度的升高是PVT系统性能下降的主要原因[12]。Liu等人[13]报告称，在PVT系统中集成相变材料和纳米流体可以有效控制因电池温度升高引起的性能下降。通过改变纳米流体流量（30、40和50 LPM）以及纳米粒子浓度（0.05%、0.1%和0.15%），测试了不同的实验配置。结果表明，40 LPM的流量和0.1%的纳米流体浓度可以提供28瓦的稳定电输出和45.5%的热效率。电池温度降低了8°C，有助于提高整体效率。相变材料与纳米流体的结合提高了热效率和电输出。Abid等人讨论了使用抛物面碟形集热器和槽式集热器结合朗肯循环的氢气生产。研究使用Al2O3和Fe2O3作为纳米流体，以及LiCl–RbCl和NaNO3–KNO3作为熔盐进行热传递。结果表明，抛物面碟形集热器产生的功率高达8.17千瓦，且温度更高。碟形系统的氢气产量也高于槽式系统。使用熔盐的纳米流体在碟形系统中提供了更高的能量和能量效率[14]。Ju等人讨论了在基于太阳能的氢气生产系统中使用纳米流体。该系统使用抛物面槽式集热器、Kalina循环和PEM电解槽。CuO、SiO2和Al2O3纳米粒子表现出更好的效果，其中CuO的体积浓度为5%。与基础流体相比，使用CuO纳米流体后氢气产量增加了4.9%，氢气的能量效率从9.1%提高到了9.6%。集热器入口温度的升高也使效率和氢气产量提高了5%[15]。Hossain等人讨论了混合PVT太阳能集热器，其产生的热量和电力比传统方法更多[16]。使用Al2O3、CuO、ZnO和SiO2等纳米流体提高了热效率和电输出。基于MWCNT的纳米流体比基于氧化物的纳米流体效果更好。纳米流体的使用还提高了熵和能量效率，并降低了性能损失。然而，长期使用纳米流体会引发腐蚀和不稳定的问题[16]。本研究探讨了通过基于纳米流体的PVT与PEM电解槽结合的集成太阳能氢气生产方面的空白。在真实的太阳条件下，研究了两种混合纳米流体系统，即氧化石墨烯/氧化铜（GO/CuO）和氧化锌/碳化硅（ZnO/SiC），并进行了五天的测试。比较时使用了各项参数的平均数据。本研究的具体目的是比较不同浓度的ZnO/SiC和GO/CuO混合纳米流体的热管理效果。此外，我们还评估了增强冷却对电效率和功率输出的影响，并确定了通过PEM电解槽集成提高氢产量的最佳纳米流体选择标准。
实验设置和系统配置
实验使用了独立PV系统和增强型纳米流体的PVT系统。PVT系统还连接了PEM电解槽，并配备了氢气生产装置。该设施建在工程实验室楼的屋顶上，朝南朝向，从日出到日落都能获得无障碍的阳光照射。实验装置由两个相同的单晶硅光伏模块组成，每个模块的功率为250瓦。
太阳辐射
图2显示了太阳辐射数据，以识别直接影响电输出、热输出和氢气产量的光伏电池吸收的能量波动。为了避免云层效应造成的不确定性，对不同天的太阳辐射进行了测量。8:00至13:00期间，太阳辐射的平均值在361.6 W/m2到1073.8 W/m2之间。根据测量结果，特别是在11:00时，各天之间的太阳辐射存在显著差异
结论
本研究展示了基于纳米流体的PVT系统在绿色氢气生产方面的巨大潜力。实验进行了多天，比较了独立PVT系统、水-PVT系统和使用不同类型纳米流体（0.25%和0.5%体积百分比）的混合PVT系统的性能。结果表明，基于纳米流体的PVT系统在电效率、热效率等方面优于传统PVT系统和水-PVT系统
CRediT作者贡献声明
Mohammed Shamar Yadkar：撰写——原始草稿、方法论、概念构思。Sefer Kurnaz：撰写——审阅与编辑。Hameed Mutlag Farhan：撰写——审阅与编辑。Sangeetha M：撰写——审阅与编辑。G.K. Jhanani：撰写——审阅与编辑、监督。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
