雖然太陽能是可再生能源轉(zhuǎn)型的基石，但傳統(tǒng)表面吸收式太陽能集熱器（SASCs）的效率受到高輻射損失和集熱器-流體界面顯著熱阻的制約。直接吸收式太陽能集熱器（DASC）采用單步太陽能到熱能的轉(zhuǎn)換方式，通過將工作流體作為體積型吸收劑來克服這些限制，從而抑制了表面到環(huán)境的熱梯度，減少了損失并提高了熱效率。早期使用染料或“黑色”液體的DASC實(shí)現(xiàn)受到了光熱降解和光學(xué)深度不足的阻礙，導(dǎo)致能量捕獲不完全[1]。為了解決這個(gè)問題，提出了微粒子懸浮液；然而，這些系統(tǒng)存在嚴(yán)重的膠體不穩(wěn)定性，導(dǎo)致通道堵塞、侵蝕和污染[2]。納米流體的出現(xiàn)解決了這些問題，由于布朗運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)地位，它們提供了更高的穩(wěn)定性，并允許精確調(diào)整輻射特性。通過優(yōu)化粒子形態(tài)和組成，即使是名義上的納米顆粒負(fù)載量也能顯著提高太陽能加權(quán)吸收率，將傳統(tǒng)流體轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝阅艿捏w積型收集器[3]。
這一材料演變標(biāo)志著從表面介導(dǎo)到體積型太陽能-熱能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵轉(zhuǎn)變，引發(fā)了關(guān)于材料優(yōu)化[4]、[5]以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)[6]、[7]、[8]、[9]的研究熱潮。Tyagi等人[10]的基礎(chǔ)建模工作建立了一個(gè)耦合輻射傳輸框架，預(yù)測(cè)鋁水納米流體的吸收能力是純水的九倍，相當(dāng)于比傳統(tǒng)集熱器提高約10%的熱效率。Otanicar等人的實(shí)驗(yàn)工作[11]隨后證實(shí)了這些理論預(yù)測(cè)，并強(qiáng)調(diào)了優(yōu)化粒子體積分?jǐn)?shù)以最大化體積捕獲的關(guān)鍵作用。Delfani等人[12]通過結(jié)合數(shù)值和實(shí)驗(yàn)室研究報(bào)告了10-29%的效率提升。此外，還確定了集熱器底部邊界的重要性；Otanicar[11]和Karami[13]證明，在使用純流體時(shí)，吸收性底部表面優(yōu)于反射性表面，而在相同邊界條件下，包含納米流體的系統(tǒng)始終表現(xiàn)出更好的性能。大量后續(xù)文獻(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)了這些發(fā)現(xiàn)，一致報(bào)告稱當(dāng)用納米流體替代傳統(tǒng)純流體工作介質(zhì)時(shí)，熱效率提高了10-30%，出口溫度升高了近100K[12]、[14]。
盡管取得了這些顯著進(jìn)展，但最近的研究指出，單一納米流體往往具有帶限制性，存在光譜“空洞”，限制了太陽能加權(quán)吸收[15]。為了解決這個(gè)問題，人們開始關(guān)注等離子體陶瓷，特別是過渡金屬氮化物（如ZrN），這些材料在可見光和近紅外范圍內(nèi)表現(xiàn)出明顯的局域表面等離子體共振（LSPR）和寬吸收帶[16]。這些材料的光熱效率可以比基準(zhǔn)貴金屬系統(tǒng)高出50%以上，同時(shí)具有更好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性[17]、[18]。為了充分利用這些特性，研究領(lǐng)域轉(zhuǎn)向了混合納米流體，這些流體共分散了互補(bǔ)的納米材料，以協(xié)同設(shè)計(jì)光學(xué)和熱性能[19]。其原理很簡(jiǎn)單：結(jié)合一種在可見光范圍內(nèi)強(qiáng)吸收的成分和另一種在近紅外范圍內(nèi)增強(qiáng)吸收的成分，以實(shí)現(xiàn)單一成分無法實(shí)現(xiàn)的寬帶響應(yīng)。Guo等人[20]發(fā)現(xiàn)，用ZnO納米顆粒（50 ppm）摻雜ZrC納米流體（100 ppm）可以將光熱轉(zhuǎn)換效率從79%提高到94%。此外，Lee等人[21]設(shè)計(jì)了二氧化硅-金核殼納米顆粒混合物，通過調(diào)整殼層厚度來調(diào)節(jié)整個(gè)太陽光譜范圍內(nèi)的等離子體共振。他們的模擬表明，這種復(fù)合流體可以實(shí)現(xiàn)與鋁納米流體相當(dāng)?shù)男剩瑫r(shí)所需的顆粒濃度低一個(gè)數(shù)量級(jí)，這突顯了寬帶吸收在減少散射和粘度損失方面的潛力。
進(jìn)一步推動(dòng)這種組成工程邏輯的發(fā)展，目前出現(xiàn)了三組分（或三元）納米流體。這些先進(jìn)的流體被認(rèn)為是混合流體的升級(jí)版本，在基礎(chǔ)流體中懸浮了三種不同的納米材料，以實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的多功能性。最近的綜述表明，與基礎(chǔ)流體相比，三組分納米流體的熱導(dǎo)率可以提高27%至84%，同時(shí)具有超過傳統(tǒng)單組分和混合納米流體的熱流體穩(wěn)定性[22]、[23]，并在傳熱系統(tǒng)中的熱流體性能上也有所改進(jìn)[24]、[25]、[26]。在輻射應(yīng)用方面，特定的三元組合在停滯點(diǎn)流動(dòng)和太陽能管中表現(xiàn)出優(yōu)于其他流體的性能，實(shí)現(xiàn)了顯著更高的熱輻射吸收和傳熱率[27]、[28]。此外，三組分系統(tǒng)中包含等離子體元素可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)波長(zhǎng)范圍內(nèi)光吸收的精確控制[29]。通過利用這種精確的流體特性控制來最小化熵產(chǎn)生并最大化有用能量[30]，三組分納米流體代表了高性能體積型吸收的一個(gè)尚未充分探索的前沿。
盡管取得了這些進(jìn)展，但關(guān)鍵的建模差距仍然存在。流體動(dòng)力學(xué)表征通常依賴于理想化的塞流[10]、[11]或完全發(fā)展的流動(dòng)假設(shè)[32]、[33]，這些假設(shè)忽略了入口區(qū)域的影響。Lee和Jang[33]表明，假設(shè)均勻塞流可能會(huì)顯著高估熱效率，但流動(dòng)發(fā)展對(duì)整體傳熱的影響仍缺乏研究。此外，入射輻射經(jīng)常被近似為黑體光譜[12]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]，忽略了大氣衰減，導(dǎo)致由于納米顆粒吸收的波長(zhǎng)依賴性而產(chǎn)生的性能預(yù)測(cè)偏差。
同樣重要的是集熱器底部墻的光學(xué)邊界條件。雖然透明基底通常用于實(shí)驗(yàn)便利性、與其他裝置（如光伏）的兼容性以及與現(xiàn)有文獻(xiàn)基準(zhǔn)的一致性[10]、[34]、[36]、[37]、[39]、[41]，但與吸收性或反射性基底相比，它們?cè)跓崃W(xué)上并不理想，Karami[13]和Delfani[12]已經(jīng)驗(yàn)證了這一點(diǎn)。Otanicar[42]使用簡(jiǎn)化的消光剖面比較了這些邊界條件，但忽略了光譜依賴性，限制了他們結(jié)論的普遍性。此外，由于納米流體-玻璃和玻璃-空氣界面產(chǎn)生的頂部表面的光譜反射率經(jīng)常被忽略，盡管它有可能改變有效的太陽吸收平衡。
從應(yīng)用熱工程的角度來看，本研究旨在量化DASC分析中常用的建模簡(jiǎn)化所帶來的誤差，例如忽略表面熱輻射、光學(xué)損失和底部墻效應(yīng)。確定這些假設(shè)的有效性限值對(duì)于工程師做出可靠的熱性能預(yù)測(cè)和明智的系統(tǒng)級(jí)決策至關(guān)重要。同時(shí)，所提出的三組分納米流體在微量濃度下就能實(shí)現(xiàn)寬帶吸收，從而能夠在避免高納米顆粒負(fù)載帶來的實(shí)際問題（如聚集、堵塞和增加的泵送功率）的情況下有效運(yùn)行。
為了解決上述缺點(diǎn)，本研究開發(fā)了一個(gè)高保真度的DASC建模數(shù)值框架，該框架明確考慮了波長(zhǎng)依賴的吸收光粒子相互作用。該模型整合了頂部表面的光譜反射率，以量化忽略這種效應(yīng)時(shí)引入的誤差。研究了不同的底部墻條件（吸收性、反射性和透明性），以闡明它們與納米顆粒體積分?jǐn)?shù)的相互作用。此外，還評(píng)估了泵送功率需求和熱效率，以捕捉在不同雷諾數(shù)和太陽濃度因子下的實(shí)際能量權(quán)衡。所選的工作介質(zhì)是一種三組分納米流體（ZrN、石墨和銀分散在水中或Therminol VP-1中），經(jīng)過光譜工程處理以產(chǎn)生最小化光譜傳輸損失的寬帶吸收器。該研究通過在一個(gè)統(tǒng)一的計(jì)算框架內(nèi)整合真實(shí)的光學(xué)邊界、光譜反射率和流體動(dòng)力學(xué)，推進(jìn)了建模的發(fā)展，為下一代體積型太陽能-熱收集器提供了物理上一致的基礎(chǔ)。
