应用石蜡_GO复合相变材料的太阳能PV_T系统性能_陈红兵.pdf

第 12 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.12 No.3Mar.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology应用石蜡/GO复合相变材料的太阳能PV/T系统性能陈红兵1，高雪宁1，刘涛2，王聪聪1，赵瑞3，孙俊辉4，王传岭1，何迪1（1北京建筑大学供热、供燃气、通风及空调工程重点实验室，北京 100044；2广东保利城市发展有限公司，广东 广州 510308；3中国建筑科学研究院，建筑安全与环境国家重点实验室，北京 101119；4中国建筑第六工程局有限公司，天津 530000）摘要：为了提高太阳能PV/T系统能效，采用超声搅拌法制备了GO(氧化石墨烯)质量分数为0.01%、0.02%和0.03%的石蜡/GO复合相变材料，并对其潜热、导热性和流动性进行测试分析。其中，GO质量分数为0.02%的复合相变材料相比于制备的其他复合相变材料具有最佳的综合性能，其相变温度为35，相变潜热为42.93 J/g，热导率最高为0.505 W/(mK)，黏温拟合程度为0.91。为了分析石蜡/GO复合相变材料对太阳能PV/T系统热电性能的影响，搭建了两套完全相同的平板热管式太阳能PV/T系统，并将GO质量分数为0.02%的石蜡/GO复合相变材料和水作为两系统的传热介质运行。采用热效率和电效率对太阳能PV/T系统的热电性能进行表征。研究结果表明，在相同工况下，运行(石蜡质量分数为30%以及GO质量分数为0.02%)石蜡/GO复合相变材料的平板热管式太阳能PV/T系统的热电性能均比运行水的系统性能有所提升，其中系统热效率提高92.28%，电效率提高8.87%，换热水箱集热量提高15.80%。该研究为复合相变材料(流体)在太阳能储存领域的应用提供了借鉴。关键词：纳米颗粒；复合相变材料；PV/T系统；热电性能doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0660 中图分类号：TK 519；TB 34 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）03-661-08Performance of a solar PV/T system applying a paraffin/graphene oxide composite phase change materialCHEN Hongbing1,GAO Xuening1,LIU Tao2,WANG Congcong1,ZHAO Rui3,SUN Junhui4,WANG Chuanling1,HE Di1(1Beijing Municipal Key Laboratory of HVAC,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China;2Guangdong Poly City Development Company Limited,Guangzhou 510308,Guangdong,China;3State Key Laboratory of Building Safety and Environment,China Academy of Building Research,Beijing 101119,China;4China Construction Sixth Engineering Bureau Limited,Tianjin 530000,China)Abstract:Paraffin/GO(graphene oxide)composite phase change materials are prepared and characterized for latent heat,thermal conductivity,and fluidity to increase the energy efficiency of solar PV/T(photovoltaic/thermal)systems.With a phase change temperature of 35,a latent heat of phase change of 42.93 J/g,a maximum thermal conductivity of 0.505 W/(mK),and a viscosity-temperature fit of 0.91,the composite phase change material with a GO mass fraction of 0.02%has the best overall performance when compared to other known composite phase change materials.Two identical flat-plate heat pipe solar PV/T systems are built,and paraffin/GO composite phase change materials(a GO mass fraction of 0.02%and water)are 储能材料与器件收稿日期：2022-11-08；修改稿日期：2022-11-29。基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFF0306305-01）；北京市教委科技计划资助项目（KM202010016012）。第一作者：陈红兵（1977），男，教授，硕士生导师，研究方向为太阳能PV/T系统及相变流体，E-mail：；通讯作者：王聪聪，博士，讲师，研究方向为室内环境与绿色能源，E-mail：。2023 年第 12 卷储能科学与技术operated as the heat transfer medium for both systems to analyze the effect of the paraffin/GO composite phase change material on the thermoelectric performance of a solar PV/T system.Herein,characterization of the thermoelectric performance of the solar PV/T system using thermal and electrical efficiencies was performed.Results show that under the same operating conditions,the thermoelectric performance of the flat-plate heat pipe solar PV/T system running(paraffin wax mass fraction of 30%and GO mass fraction of 0.02%)with a paraffin/GO composite phase change material is improved compared to that running with water,with an increase in system thermal efficiency of 92.28%,electrical efficiency of 8.87%,and heat collection in the heat exchanger tank of 15.80%.This study provides value for applying composite phase change materials(fluids)in solar energy storage.Keywords:nanoparticles;composite phase change materials;PV/T system;thermoelectric properties太阳能PV/T系统能够同时实现光伏发电和光热利用。在建筑领域，应用太阳能PV/T系统有利于实现“双碳”战略目标。传统太阳能PV/T系统的换热介质主要是水1-2、空气3等。Al-Waeli等4综述了不同传热介质下太阳能PV/T系统的性能，得出以水为传热介质的太阳能PV/T系统的热效率在30%70%之间，电效率在7.58%13.8%之间；以空气为传热介质的太阳能PV/T系统的热效率在23%56%之间，电效率在7.7%15%之间。但是空气和水的热导率低，传热能力有限，故以空气或水为传热介质的太阳能PV/T系统性能仍待提高。大量文献研究表明，在载热流体(如水)中加入纳米颗粒形成的纳米流体作为太阳PV/T系统的传热介质，可以强化传热，并有效提高光伏组件输出效率5-7。然而，纳米流体的储能密度低，只能传递显热。而相变材料(phase change materials，PCMs)作为潜热储热材料，能有效解决上述问题；有机PCMs相比于无机PCMs具有良好的稳定性和低过冷度，可应用于太阳能PV/T系统8-9。但有机PCMs热导率低，热性能不佳。为了提高有机PCMs的热性能，研究人员通过添加高热导率纳米颗粒提高有机 PCMs的热导率(添加纳米颗粒的PCMs称为纳米复合相变材料)10。Tafrishi等11和闫晓鑫等12通过分子动力学方法测试了碳纳米管对有机PCMs导热性能的影响，得出PCMs 的热导率随着碳纳米管质量分数的增加而提高。鲁博辉等13制备了添加Fe3O4纳米颗粒的复合相变材料，并模拟了其在管壳储能单元的储放热过程，得出Fe3O4纳米复合相变材料使石蜡凝固和熔化时间缩短大约 30%。此外，Abdelrazik 等14和欧阳兰雄15通过数值模拟得出，石蜡/石墨烯复合相变材料在光电光热系统中具有良好的传热性能。综上所述，国内外学者对应用于太阳能PV/T系统的纳米复合相变材料进行了一定的研究，但这些研究多局限于纳米复合相变材料本身的特性以及应用模拟，并没有将其应用于实际太阳能PV/T系统。因此，本工作制备了纳米复合相变材料，并将其应用于太阳能PV/T系统，进行太阳能PV/T系统的热电性能分析。在前期研究过程中，发现碳纳米颗粒是提高相变材料导热性能的主流材料，主要包括碳纳米管、碳纤维、氧化石墨烯等16。由于氧化石墨烯具有较好的亲水性，同时能够提高材料的力学及导热性能17，故本工作制备了石蜡/GO复合相变材料，并将其作为太阳能PV/T系统的传热介质，以此研究石蜡/GO复合相变材料对太阳能PV/T系统性能的影响。1 实验1.1实验材料应用在太阳能PV/T系统的复合相变材料需具备一定的相变温度。石蜡乳液(上海谊久化工公司)作为实验基液，相变温度为35，石蜡含量为30%(质量分数)。氧化石墨烯纳米颗粒(深圳穗衡科技有限公司)，含氧基团的氧含量在52%以上，微片大小在0.210 m，可剥离率在97%以上。1.2石蜡/GO复合相变材料的制备采用超声搅拌法制备石蜡/GO复合相变材料。首先，根据所需比例(0.01%、0.02%、0.03%)称取不同质量的氧化石墨烯粉末，将其加入去离子水中，搅拌后超声分散25 min(超声功率为450 W)；随后，662第 3 期陈红兵等：应用石蜡/GO复合相变材料的太阳能PV/T系统性能将不同质量分数的氧化石墨烯水溶液分别加入石蜡相变乳液中，恒温搅拌40 min后超声分散25 min，形成不同质量分数分散均匀的石蜡/GO复合相变材料，制备流程如图1所示。制备好的石蜡/GO 复合相变材料乳液样品如图2(a)所示，GO纳米颗粒均匀分散在石蜡乳液(水相)中。静置30 d后的乳液样品如图2(b)所示，GO纳米颗粒仍然分布均匀，且乳液无分层现象，说明所制备的石蜡/GO复合相变材料稳定性良好。在后续所有测试中，石蜡/GO复合相变材料均采用乳液样品。1.3石蜡/GO复合相变材料的性能测试采用 DSC-200PC 热流型差示扫描量热仪在-2070