ATOWO3纳米流体在温室农业太阳能中的全光谱高效利用

　　论文信息：
　　Yuan，Y。，Fang，H。，Wu，G。，Yang，Q。，Ma，Q。，Ji，Y。，Cheng，R。，Zhang，Y。，Tong，Y。，Experimentalinvestigationoffullsolarspectrumutilizationbasedonnanofluidspectralsplitterforgreenhouseapplications。EnergyConversionandManagement，2022。
　　论文链接：
　　https：www。sciencedirect。comsciencearticleabspiiS0196890422000115
　　研究背景
　　根据太阳光谱与植物光合作用的关系，可划分为用于植物生长的作用光谱（PAS：Plantactivespectra，300800nm）和引起温室效应的加热作用光谱（HAS：Heatactivespectra，8001500nm）。温室在不通风开窗情况下，夏季温室内的最高温度可达55。而番茄的最适生长温度范围为2030，较高的环境温度会抑制植物的生长。在这项工作中，作者使用ATOWO3纳米流体（NF）作为温室屋面光谱分频器，即纳米流体光谱分频器（NSS），把太阳光谱分离为PAS透过给温室内植物生长，而HAS被收集储热，从而实现太阳能全光谱高效利用。
　　研究内容
　　首先，利用两步法制备包含2。4vol氧化锑锡（ATO：Antimonytinoxide，Sn0。9Sb0。1O2）和97。6vol氧化钨（WO3）混合的ATOWO3NF，对其进行了物性分析。利用透射电子显微镜观察纳米颗粒具有很好地分散性和稳定性（如Fig。1（a）所示），使用ZetasizerNanoZS90（Malvern，UK）测试得到纳米颗粒的平均粒径为42。2nm（如Fig。1（b）所示），使用Rigaku高功能多用途X射线衍射系统进行X射线衍射（Xraydiffraction，XRD）分析测试晶体结构为正八面体晶体结构（如图Fig。1（b）中插图所示），通过高倍TEM晶体图形（如Fig。1（c），（d），（e））分析样品中ATO和WO3晶相的存在。
　　Fig。1（a）ATOWO3NF环形暗场图；（b）ATOWO3纳米颗粒直径分布。插图为WO3的八面体晶体结构。（ce）ATOWO3纳米颗粒的高倍TEM照片。
　　通过搭建光学测试平台（如Fig。2（a）所示），测试了不同NF浓度的光学透过率，得到在室温25、光程10mm时，0。0025vol、0。005vol和0。01volATOWO3NF在PAS的平均透过率分别为86。51、79。56和64。07，而在HAS的平均吸收率为60。38、75。78和92。7（如Fig。2（b））。为了评估该透明覆盖物对植物生长的影响，引用植物生长因子G，用来理论分析透过覆盖物的光谱对植物光合作用的影响。得到如Fig。2（c）结论，不同浓度NF的G值随着流体层厚度或浓度增加都显著降低。有文献指出对于农作物而言，降低其1的光合速率，意味着降低其1的产量。基于此，综合考虑植物产量和吸收HAS的能力，NF的浓度选择为0。005vol。
　　测试0。005volATOWO3NF在2050温度范围内光谱的透过率，得到如Fig。2（d）结论。不难看出，随着温度从20升高到50，在PAS的平均透过率有一定的减少，特别是在2030范围内。在温度30后，NF在PAS波段内的光谱平均透过随着温度的增加，降低的较少。而在HAS波段范围内，光谱透过率基本在24左右。
　　Fig。2（a）NF光学测试原理图。（b）不同浓度的NF透光率。（c）不同浓度ATOWO3NF植物生长因子G（x）。其中24。8为根据27种植物确定的植物生长因子的定义值。（d）10mm光程0。005volATOWO3NF在不同温度下的平均透过率变化。插图为试验用流动比色皿。
　　通过室外试验得到NSS的光学特性如Fig。3所示。Fig。3（a）比较了单层6mmPMMA和含10mm厚流体层的中空结构的光谱透过率，夹层中流体包括空气、水和0。005volATOWO3NF。在Fig。3（a）中可以看出，在380900nm波长范围内，充满水的中空结构的透过率要比充满空气的透过率高。而在380610nm波长范围内，充满NF的中空结构的透过率也比充满空气的透过率高2。6。也就是说，中空结构填充NF后，在380610nm波段进入温室的太阳光增加了，而80HAS波段的光谱能量被吸收。
　　Fig。3（b）为中空结构内充满不同流体的光学吸收性能。10mm厚0。005volATOWO3NF平均吸收率为85。4，比10mm中空空气结构的吸收率高59。5。而且，在不影响植物正常生长的情况下，NSS温室不但能在白天收集HAS波段的太阳能，而且在晚上当NF回收到储液罐后，NSS变成了中空结构，由于空气热惰性高，因此会提高覆盖结构夜间保温性能。
　　Fig。3（c）为NSS的平均透过率和平均吸收率，在不同NF流体层厚度和不同时刻的变化情况。随着NF厚度的增加，NSS的在PAS的平均透过率微量减少，而在HAS的吸收率明显增加。此外，从上午9点到12点，NSS在PAS的平均透过率增加，而在HAS平均吸收率有一定地减少。不同的时刻意味着不同的入射光程，这取决于照射在NSS表面倾斜入射角随时刻的变化。
　　Fig。3在正午时刻NSS的光学透过（a）和吸收（b）情况。其中包括6mm厚单层PMMA，分别填充10mm厚空气、去离子水和0。005volATOWO3NF的中空覆盖结构。（a）插图为0。005volATOWO3双层中空结构装有NF图。（c）为上午9时和正午12时NSS在PAS和HAS波段的平均透过率和吸收率。图中5、10、15和20分别代表5mm、10mm、15mm和20mm厚度的NF层。
　　Fig。4为NF在不同流量时的NSS光学透过情况。由图可以看出，NF的流量对NSS的光学透过有一定影响，特别是HAS波段。随着NF流量从50Lh增加到300Lh，NSS在HAS平均透过率减少了13。8，而在PAS平均透过率只减少了0。6。总的来说，在相对较小的电力供应的条件下，NF流量在100Lh时能很好地透过PAS而吸收HAS。因此，在温室NSS应用过程中，拟采用10mm厚、100Lh流量、0。005vol的ATOWO3NF。
　　Fig。4上午10时10mm厚0。005volATOWO3NF在不同流量时的NSS光学透过情况。插图为NSS系统在PAS和在HAS的平均透过率（AT）随不同流量的变化情况。
　　Fig。5（a）表示中空夹层为空气、水和0。005volATOWO3NF，在不同流体层厚度影响下植物生长因子（G）的变化情况。图中在一定的流体厚度层内，中空夹层中填充水或NF，其植物生长因子均高于中空空气结构。此外，NSS的G值随着NF厚度增加而下降。NSS在10mm厚NF的G为93。6。这个值接近4倍于G的最低定义值24。8。
　　根据植物吸收光谱，得到NSS在0。005volATOWO3NF不同厚度下的太阳能光学利用效率，如Fig。5（b）所示。随着NF厚度的增加，光学利用效率明显降低。NSS在5mm、10mm、15mm和20mmNF厚度下，其平均光学利用效率分别为41。3、39。2、36。1和34。6。此外，从早上9点到下午14点，NSS系统的光学利用效率呈先上升后下降的趋势。这是由于随着时间的推移，NSS表面的太阳光入射角从9点到12点变小，而从12点到下午14点增加。这意味着在NF中的光程有着相同的变化趋势。10mmNF厚的NSS系统的最大光学效率在12时为42。3。
　　Fig。5（a）中空为空气、水和0。005volATOWO3NF的中空结构在不同流体层厚度植物生长因子（G）的变化情况。（b）上午9：00至下午14：00时段内100Lh流量的0。005volATOWO3NF不同厚度的NSS系统光学利用效率（opt）随时间的变化情况。
　　Fig。6为NSS系统在100Lh流量下不同NF厚度，以及在10mmNF层厚度下不同流量的太阳能利用总效率比较结果。从图可以看出，NF厚度对总效率的影响大于流体流量的影响。NSS系统在100Lh流量下NF厚度20mm与5mm的平均总效率的差值为20。9，而在10mmNF厚度下流体流量300Lh与50Lh的平均总效率的差值为11。4。同时也可以发现，随着NF厚度的增加，太阳能利用总效率增加明显，如Fig。6（a）所示。
　　Fig。6（b）为10mm厚在不同流量下的NSS系统的总利用效率随着时间的变化情况。由图可以看出，随着NF流量的增加，NSS系统的总利用效率也增加。而随着NF流量的改变，NSS系统的光学利用效率在40上下波动。但是，随着NF流量的增加，NSS的光热转换效率增加明显。也就是说，NF的流量对PAS的光学利用效率影响较小，而与HAS热吸收效率密切相关。10mm厚NF的NSS系统平均总效率73。6，其中包括39。2的光学利用效率和34。4光热转换效率。
　　Fig。6NSS系统的太阳能总利用效率随时间的变化。（a）100Lh流量下不同NF厚度的变化。（b）10mmNF厚度下不同流量的变化。
　　结论与展望
　　研究结果表明，ATOWO3NF可以作为温室屋面覆盖有效的光学分频器，在满足植物生长对光谱需求的情况下，实现太阳能全光谱高效利用效率，这拓宽了NF在温室围护结构中的应用。然而，如何延长NF的使用寿命，增强稳定性，避免纳米颗粒产生团聚，这些工作将在今后的研究中进行。
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