论文信息：

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.

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0196890422000115

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: Plant active spectra, 300 ~ 800 nm）和引起温室效应的加热作用光谱（HAS: Heat active spectra, 800 ~ 1500 nm）。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20 ~ 30 ，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ATO-WO3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2.4 vol%氧化锑锡（ATO：Antimony tin oxide，Sn0.9Sb0.1O2）和97.6 vol% 氧化钨（WO3）混合的ATO-WO3 NF，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Zetasizer Nano ZS90 （Malvern, UK）测试得到纳米颗粒的平均粒径为42.2 nm（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（X-ray diffraction，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) ATO-WO3 NF环形暗场图；(b) ATO-WO3纳米颗粒直径分布。插图为WO3的八面体晶体结构。 (c-e) ATO-WO3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0.01vol% ATO-WO3 NF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0.005 vol%。

测试0.005 vol% ATO-WO3 NF在20 ~ 50 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20 ~ 30 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ATO-WO3 NF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）10 mm光程0.005 vol% ATO-WO3 NF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6 mm PMMA和含10 mm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0.005vol% ATO-WO3 NF。在Fig.3(a)中可以看出，在380 ~ 900 nm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380 ~ 610 nm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380 ~ 610 nm波段进入温室的太阳光增加了，而80% HAS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。10 mm厚0.005 vol% ATO-WO3 NF平均吸收率为85.4%，比10 mm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6 mm厚单层PMMA，分别填充10 mm厚空气、去离子水和0.005 vol% ATO-WO3 NF的中空覆盖结构。(a)插图为0.005 vol% ATO-WO3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5 mm、10 mm、15 mm和20 mm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50 L/h增加到300 L/h，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100L/h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10 mm厚、100 L/h 流量、0.005 vol% 的ATO-WO3 NF。

Fig.4 上午10时10 mm厚0.005 vol% ATO-WO3 NF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0.005 vol% ATO-WO3 NF，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10 mm 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0.005vol% ATO-WO3 NF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5 mm、10 mm、15 mm和20 mm NF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。10 mm NF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0.005 vol% ATO-WO3 NF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100 L/h流量的0.005 vol% ATO-WO3 NF不同厚度的NSS系统光学利用效率（ηopt）随时间的变化情况。

Fig.6为NSS系统在100 L/h流量下不同NF厚度，以及在10 mm NF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100 L/h流量下NF厚度20 mm与5 mm的平均总效率的差值为20.9%，而在10 mm NF厚度下流体流量300 L/h 与50 L/h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10 mm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。10 mm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。