表面活性剂修饰石墨烯纳米片基纳米流体在光伏-热交换器中的热性能优化：实验与计算流体动力学的协同研究

本研究针对光伏-热(PVT)系统因温度升高导致光电转换效率下降的问题，通过集成实验与计算流体动力学(CFD)方法，系统研究了聚维酮(PVP)和十二烷基硫酸钠(SDS)修饰的石墨烯纳米片(GNP)纳米流体的热物理特性。研究发现0.1 wt% GNP-PVP纳米流体使热效率从40.21%提升至45.26%，其优异的导热性(0.633 W/m·K)、剪切稀化特性(n=0.526)和30天稳定分散性能为PVT系统热管理提供了创新解决方案。

　　

在可再生能源快速发展的今天，太阳能光伏系统面临着一个棘手的矛盾：阳光照射越强，光伏电池温度越高，而温度每升高1°C就会导致光电转换效率下降0.4-0.5%。这种"高温惩罚"效应严重制约了太阳能利用效率。更令人头疼的是，传统冷却方法往往顾此失彼，要么冷却效果有限，要么能耗过高。面对这一挑战，玛琅国立大学(Universitas Negeri Malang)机械工程系的研究团队将目光投向了纳米流体技术，特别是具有优异导热性能的石墨烯纳米片(GNP)基纳米流体。他们创新性地将表面活性剂化学与流体动力学相结合，通过系统的实验表征和CFD模拟，开发出能显著提升光伏-热(PVT)系统性能的新型纳米流体，相关成果发表在《Clean Energy》期刊。

研究人员采用了多尺度研究方法：通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)表征GNP的晶体结构和形貌；采用旋转流变仪分析纳米流体的非牛顿流变特性；建立基于实际几何参数的壳管式热交换器CFD模型，将实验测得的密度、粘度和导热系数等参数直接输入模拟；最后通过热效率计算公式定量评估不同配方性能。这种"材料-流体-系统"的全链条研究思路确保了从微观特性到宏观性能的准确关联。

GNP表征结果揭示了关键材料特性：XRD显示(002)晶面衍射峰位于26.43°，对应3.37 ?的层间距和约100 nm的晶粒尺寸；SEM观察到典型的纳米片层状结构，这种二维形貌为热传导提供了理想路径。粒径分析显示Z平均直径为71.4 nm，分布范围50.53-105.1 nm，符合纳米材料特征。傅里叶变换红外光谱(FTIR)检测到羟基(3700 cm^-1)和羧基(1720 cm^-1)等官能团，这些表面化学特性对后续分散稳定性至关重要。

纳米流体性能测试获得了突破性发现：在热物理性能方面，0.3 wt% GNP-PVP样品导热系数达0.696 W/m·K，比基液提高显著；流变测试显示所有样品均呈现剪切稀化行为(n<1)，其中0.1 wt% GNP-PVP的流变指数n=0.526，平衡了流动性和热传导需求。稳定性测试中，PVP修饰样品30天内无沉降，而未经表面处理的样品沉降比达0.2615%。这些结果证实PVP的立体位阻效应比SDS的静电稳定机制更适合长期应用。

CFD模拟将材料性能与系统表现直接关联：温度云图显示0.3 wt% GNP-PVP样品具有最均匀的温度分布，对应最大的冷流体温升(ΔT_c=0.775°C)和热流体温降(ΔT_h=5.192°C)。热效率计算表明，0.1 wt% GNP-PVP配方以45.26%的效率位居榜首，较基液(40.21%)提升12.6%。这种性能提升源于PVP修饰的GNP同时优化了导热网络、流动特性和分散稳定性三大关键因素。

这项研究的意义不仅在于找到了最优纳米流体配方，更建立了一套完整的"材料表征-性能测试-系统模拟"研究方法论。特别值得注意的是，研究首次将实验测得的流变参数(n和K值)直接纳入CFD模型，使模拟结果更贴近实际工况。从应用角度看，0.1-0.3 wt%的GNP添加量既保证了性能提升，又控制了成本，而PVP的环境友好特性也符合可持续发展要求。该成果为光伏-热系统的热管理提供了新思路，其研究方法也可推广至其他能源转换装置的优化设计。未来研究可进一步探索纳米流体在长期循环中的老化行为，以及在实际光伏系统中的经济性评估。