摘要
随着社会经济与科技的高速发展，能源危机和环境污染等问题日益显著。太阳能是地球上最丰富的可持续的清洁能源。光热转化是太阳能利用的最简单形式。直接吸收式太阳能集热器是由工作介质直接吸收太阳辐射的热量，相较于传统集热器，不仅减少了不必要的能量消耗，还能提高集热器的光热转化效率。研究人员发现，纳米流体具有较强的光吸收性，因此将纳米流体应用于太阳能集热器中可以有效提高集热器的光吸收性。 目前，常见的直接吸收式太阳能集热器构型有平板集热器和圆管集热器。考虑光线在三棱柱内相比平板有更复杂的光路，并且与圆管相比，在具有相同体积的工作液体的情况下，三棱柱具有更大的光学厚度，因此采用三棱柱可能有更好的光热转化效率。因此，本课题以直接吸收式太阳能集热器构型为研究重点，研究平板、圆管和三棱柱三种不同的集热器构型对集热器辐射特性的影响，通过将Monte Carlo方法和吸收性介质中的Mie散射理论相结合，通过编译程序计算不同构型的直接吸收式太阳能集热器的光谱吸收率(α)、光谱反射率(R)、光谱透射率(T)和双向反射分布函数(BRDF)。为研究外部条件对集热器辐射特性的影响，分别选择 SiO2@Ag、SiO2@Au、SiO2@Ni、TiO2@Ni 和 TiO2五种不同的纳米流体作为集热器的工作介质，并通过改变纳米流体种类、纳米流体体积分数、纳米颗粒大小和光线入射角等参数进行研究。为提高集热器的光热转化效率，在集热器中分别耦合了Si和TiO2两种吸收元件，研究耦合吸收元件对集热器吸收的影响。 结果表明，在平板、圆管和三棱柱三种构型的直接吸收式太阳能集热器中，当光线入射角为0°时，三棱柱集热器的光谱吸收率最大。对于平板集热器，当纳米流体的光谱吸收率约小于0.72时，随着长宽比增加，光谱吸收率下降；而当纳米流体的光谱吸收率约大于0.72 时，随着平板集热器长宽比的增加，光谱吸收率增加。圆管集热器与长宽比为 1∶1平板集热器光谱吸收率曲线接近，但当纳米流体的光谱吸收率约大于0.72时，圆管集热器的光谱吸收率与长宽比为 1∶3 的平板集热器相近。SiO2@Ni 纳米流体的光谱吸收最大， TiO2纳米流体光谱吸收率最小。此外，纳米流体体积分数越大，光谱吸收率越大。在近红外波段内，纳米颗粒大小对光谱吸收率影响较大。在0.30-1.00 μm波段内，随着纳米颗粒粒径的增加，光谱吸收率减小；在 1.00-1.50μm 波段内，随着纳米颗粒粒径增加，光谱吸收率增加。当入射角小于 60°时，平板集热器的吸收率随入射角增加而增加；当入射角大于60°时，吸收率随入射角增加而减少。圆管集热器和三棱柱集热器随入射角增加而减小。在相同条件下，Si耦合吸收元件对集热器中纳米流体的吸收率提高效果要优于TiO2耦合吸收元件。
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