論文信息：
Yuan, Y., Fang, H., Wu, G., Yang, Q., Ma, Q., Ji, Y., Cheng, R., Zhang, Y., Tong, Y., Experimental investigation of full solar spectrum utilization based on nanofluid spectral splitter for greenhouse applications. Energy Conversion and Management, 2022.
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0196890422000115
研究背景
根據(jù)太陽光譜與植物光合作用的關(guān)系，可劃分為用于植物生長的作用光譜（PAS: Plant active spectra, 300 ~ 800 nm）和引起溫室效應(yīng)的加熱作用光譜（HAS: Heat active spectra, 800 ~ 1500 nm）。溫室在不通風(fēng)開窗情況下，夏季溫室內(nèi)的最高溫度可達(dá)55 。而番茄的最適生長溫度范圍為20 ~ 30 ，較高的環(huán)境溫度會(huì)抑制植物的生長。在這項(xiàng)工作中，作者使用ATO-WO3納米流體（NF）作為溫室屋面光譜分頻器，即納米流體光譜分頻器（NSS），把太陽光譜分離為PAS透過給溫室內(nèi)植物生長，而HAS被收集儲(chǔ)熱，從而實(shí)現(xiàn)太陽能全光譜高效利用。
研究內(nèi)容
首先，利用兩步法制備包含2.4 vol%氧化銻錫（ATO：Antimony tin oxide，Sn0.9Sb0.1O2）和97.6 vol% 氧化鎢（WO3）混合的ATO-WO3 NF，對(duì)其進(jìn)行了物性分析。利用透射電子顯微鏡觀察納米顆粒具有很好地分散性和穩(wěn)定性（如Fig.1(a)所示），使用Zetasizer Nano ZS90 （Malvern, UK）測(cè)試得到納米顆粒的平均粒徑為42.2 nm（如Fig.1(b)所示），使用Rigaku高功能多用途X射線衍射系統(tǒng)進(jìn)行X射線衍射（X-ray diffraction，XRD）分析測(cè)試晶體結(jié)構(gòu)為正八面體晶體結(jié)構(gòu)（如圖Fig.1(b)中插圖所示），通過高倍TEM晶體圖形（如Fig.1(c)，(d)，(e)）分析樣品中ATO和WO3晶相的存在。
Fig.1 (a) ATO-WO3 NF環(huán)形暗場(chǎng)圖；(b) ATO-WO3納米顆粒直徑分布。插圖為WO3的八面體晶體結(jié)構(gòu)。 (c-e) ATO-WO3納米顆粒的高倍TEM照片。
通過搭建光學(xué)測(cè)試平臺(tái)（如Fig.2(a)所示），測(cè)試了不同NF濃度的光學(xué)透過率，得到在室溫25 、光程10mm時(shí)，0.0025vol%、0.005vol%和0.01vol% ATO-WO3 NF在PAS的平均透過率分別為86.51%、79.56% 和64.07%，而在HAS的平均吸收率為60.38%、75.78% 和92.7%（如Fig.2(b)）。為了評(píng)估該透明覆蓋物對(duì)植物生長的影響，引用植物生長因子G，用來理論分析透過覆蓋物的光譜對(duì)植物光合作用的影響。得到如Fig.2(c)結(jié)論，不同濃度NF的G 值隨著流體層厚度或濃度增加都顯著降低。有文獻(xiàn)指出對(duì)于農(nóng)作物而言，降低其1%的光合速率，意味著降低其1%的產(chǎn)量?；诖耍C合考慮植物產(chǎn)量和吸收HAS的能力，NF的濃度選擇為0.005 vol%。
測(cè)試0.005 vol% ATO-WO3 NF在20 ~ 50 溫度范圍內(nèi)光譜的透過率，得到如Fig.2(d)結(jié)論。不難看出，隨著溫度從20 升高到50 ，在PAS的平均透過率有一定的減少，特別是在20 ~ 30 范圍內(nèi)。在溫度30 后，NF在PAS波段內(nèi)的光譜平均透過隨著溫度的增加，降低的較少。而在HAS波段范圍內(nèi)，光譜透過率基本在24%左右。
Fig.2 (a) NF光學(xué)測(cè)試原理圖。(b )不同濃度的NF透光率. (c) 不同濃度ATO-WO3 NF植物生長因子G(x)。其中24.8%為根據(jù)27種植物確定的植物生長因子的定義值。（d）10 mm光程0.005 vol% ATO-WO3 NF在不同溫度下的平均透過率變化。插圖為試驗(yàn)用流動(dòng)比色皿。
通過室外試驗(yàn)得到NSS的光學(xué)特性如Fig.3所示。Fig.3(a)比較了單層6 mm PMMA和含10 mm厚流體層的中空結(jié)構(gòu)的光譜透過率，夾層中流體包括空氣、水和0.005vol% ATO-WO3 NF。在Fig.3(a)中可以看出，在380 ~ 900 nm波長范圍內(nèi)，充滿水的中空結(jié)構(gòu)的透過率要比充滿空氣的透過率高。而在380 ~ 610 nm波長范圍內(nèi)，充滿NF的中空結(jié)構(gòu)的透過率也比充滿空氣的透過率高2.6%。也就是說，中空結(jié)構(gòu)填充NF后，在380 ~ 610 nm波段進(jìn)入溫室的太陽光增加了，而80% HAS波段的光譜能量被吸收。
Fig.3(b)為中空結(jié)構(gòu)內(nèi)充滿不同流體的光學(xué)吸收性能。10 mm厚0.005 vol% ATO-WO3 NF平均吸收率為85.4%，比10 mm中空空氣結(jié)構(gòu)的吸收率高59.5%。而且，在不影響植物正常生長的情況下，NSS溫室不但能在白天收集HAS波段的太陽能，而且在晚上當(dāng)NF回收到儲(chǔ)液罐后，NSS變成了中空結(jié)構(gòu)，由于空氣熱惰性高，因此會(huì)提高覆蓋結(jié)構(gòu)夜間保溫性能。
Fig.3(c)為NSS的平均透過率和平均吸收率，在不同NF流體層厚度和不同時(shí)刻的變化情況。隨著NF厚度的增加，NSS的在PAS的平均透過率微量減少，而在HAS的吸收率明顯增加。此外，從上午9點(diǎn)到12點(diǎn)，NSS在PAS的平均透過率增加，而在HAS平均吸收率有一定地減少。不同的時(shí)刻意味著不同的入射光程，這取決于照射在NSS表面傾斜入射角隨時(shí)刻的變化。
Fig.3 在正午時(shí)刻N(yùn)SS的光學(xué)透過(a)和吸收(b)情況。其中包括6 mm厚單層PMMA，分別填充10 mm厚空氣、去離子水和0.005 vol% ATO-WO3 NF的中空覆蓋結(jié)構(gòu)。(a)插圖為0.005 vol% ATO-WO3雙層中空結(jié)構(gòu)裝有NF圖。(c)為上午9時(shí)和正午12時(shí)NSS在PAS和HAS波段的平均透過率和吸收率。圖中5、10、15和20分別代表5 mm、10 mm、15 mm和20 mm厚度的NF層。
Fig.4為NF在不同流量時(shí)的NSS光學(xué)透過情況。由圖可以看出，NF的流量對(duì)NSS的光學(xué)透過有一定影響，特別是HAS波段。隨著NF流量從50 L/h增加到300 L/h，NSS在HAS平均透過率減少了13.8%，而在PAS平均透過率只減少了0.6%。總的來說，在相對(duì)較小的電力供應(yīng)的條件下，NF流量在100L/h時(shí)能很好地透過PAS而吸收HAS。因此，在溫室NSS應(yīng)用過程中，擬采用10 mm厚、100 L/h 流量、0.005 vol% 的ATO-WO3 NF。
Fig.4 上午10時(shí)10 mm厚0.005 vol% ATO-WO3 NF在不同流量時(shí)的NSS光學(xué)透過情況。插圖為NSS系統(tǒng)在PAS和在HAS的平均透過率（AT）隨不同流量的變化情況。
Fig.5(a)表示中空夾層為空氣、水和0.005 vol% ATO-WO3 NF，在不同流體層厚度影響下植物生長因子（G）的變化情況。圖中在一定的流體厚度層內(nèi)，中空夾層中填充水或NF，其植物生長因子均高于中空空氣結(jié)構(gòu)。此外，NSS的G 值隨著NF厚度增加而下降。NSS在10 mm 厚NF的G為93.6%。這個(gè)值接近4倍于G 的最低定義值24.8%。
根據(jù)植物吸收光譜，得到NSS在0.005vol% ATO-WO3 NF不同厚度下的太陽能光學(xué)利用效率，如Fig.5(b)所示。隨著NF厚度的增加，光學(xué)利用效率明顯降低。NSS在5 mm、10 mm、15 mm和20 mm NF厚度下，其平均光學(xué)利用效率分別為41.3%、39.2%、36.1%和34.6%。此外，從早上9點(diǎn)到下午14點(diǎn)，NSS系統(tǒng)的光學(xué)利用效率呈先上升后下降的趨勢(shì)。這是由于隨著時(shí)間的推移，NSS表面的太陽光入射角從9點(diǎn)到12點(diǎn)變小，而從12點(diǎn)到下午14點(diǎn)增加。這意味著在NF中的光程有著相同的變化趨勢(shì)。10 mm NF厚的NSS系統(tǒng)的最大光學(xué)效率在12時(shí)為42.3%。
Fig.5 (a)中空為空氣、水和0.005 vol% ATO-WO3 NF的中空結(jié)構(gòu)在不同流體層厚度植物生長因子（G）的變化情況。(b) 上午9:00至下午14:00時(shí)段內(nèi)100 L/h流量的0.005 vol% ATO-WO3 NF不同厚度的NSS系統(tǒng)光學(xué)利用效率（ηopt）隨時(shí)間的變化情況。
Fig.6為NSS系統(tǒng)在100 L/h流量下不同NF厚度，以及在10 mm NF層厚度下不同流量的太陽能利用總效率比較結(jié)果。從圖可以看出，NF厚度對(duì)總效率的影響大于流體流量的影響。NSS系統(tǒng)在100 L/h流量下NF厚度20 mm與5 mm的平均總效率的差值為20.9%，而在10 mm NF厚度下流體流量300 L/h 與50 L/h的平均總效率的差值為11.4%。同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)，隨著NF厚度的增加，太陽能利用總效率增加明顯，如Fig.6(a)所示。
Fig.6(b)為10 mm厚在不同流量下的NSS系統(tǒng)的總利用效率隨著時(shí)間的變化情況。由圖可以看出，隨著NF流量的增加，NSS系統(tǒng)的總利用效率也增加。而隨著NF流量的改變，NSS系統(tǒng)的光學(xué)利用效率在40%上下波動(dòng)。但是，隨著NF流量的增加，NSS的光熱轉(zhuǎn)換效率增加明顯。也就是說，NF的流量對(duì)PAS的光學(xué)利用效率影響較小，而與HAS熱吸收效率密切相關(guān)。10 mm厚NF的NSS系統(tǒng)平均總效率73.6%，其中包括39.2%的光學(xué)利用效率和34.4%光熱轉(zhuǎn)換效率。
Fig.6 NSS系統(tǒng)的太陽能總利用效率隨時(shí)間的變化。(a) 100 L/h流量下不同NF厚度的變化。(b) 10 mm NF厚度下不同流量的變化。
結(jié)論與展望
研究結(jié)果表明，ATO-WO3 NF可以作為溫室屋面覆蓋有效的光學(xué)分頻器，在滿足植物生長對(duì)光譜需求的情況下，實(shí)現(xiàn)太陽能全光譜高效利用效率，這拓寬了NF在溫室圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。然而，如何延長NF的使用壽命，增強(qiáng)穩(wěn)定性，避免納米顆粒產(chǎn)生團(tuán)聚，這些工作將在今后的研究中進(jìn)行。
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