金溶膠對太陽能光熱轉化效率的影響探討

陳文域

摘? ?要：金溶膠是太陽能運用技術中的一種重要金屬，能夠運用到集熱工質中，提高光熱轉換效率。文章通過金納米制備實驗、照射實驗及其數據的分析，觀察水、水與金溶膠混合液的不同溫升情況與太陽瞬時輻射值，進而探討金溶膠的添加對于集熱工質光熱轉化效率的影響。結果顯示，混合液對于太陽能的光熱轉換效率顯著高于超純水，表明金溶膠能夠影響光熱轉換效率，在太陽能技術領域有廣泛的應用前景。

關鍵詞：金溶膠;太陽能;光熱轉化效率;集熱工質

金溶膠（gold sol）是一種具有局域表面等離子體共振特性，且有良好的光吸收與光散射性質的物質，是一種多相不均勻體系，粒子直徑為2～5 nm時顯示為橙黃色，10～20 nm時顯示為橘紅色，30～80 nm時顯示為紫紅色。該膠體合成簡便，有強烈的散射光，溶液顯示為透明的酒紅色，團聚時會出現明顯的顏色變化，并有顯著的表面效應、小尺寸效應與量子效應，在光學、電子、生物親和性與催化活性方面有獨特性，是目前催化、傳感與生化分析等領域的應用熱點之一，因其優越的導電性能與良好的表面化學活性，能夠極大地降低小電子給體和受體之間的距離，增加電子和電極間的傳遞速率。有實驗表明，在基液中添加金納米顆粒，工質輻射吸收性能顯著提高，使太陽能光熱轉換效率顯著提高。金納米顆粒因其良好的電導率、熱導率、穩定性及較寬波長范圍等特點，成為等離子激元共振體系中應用廣泛的一種重要金屬[1]。本研究從金納米制備實驗與陽光照射實驗出發，分析金溶膠對于太陽能光熱轉化效率的影響。

1? ? 實驗部分

1.1? 金溶膠制備

實驗儀器包括超聲波清洗儀、透射電子顯微鏡、磁力加熱攪拌器、分光光度計、超純水系統、分析天平及若干玻璃器皿等。實驗材料為氯金酸（HAuCl4·4H2O）、濃硝酸、檸檬酸鈉（Na3C6H5O7·2H2O）與濃硫酸等。將1 mL 2%的HAuCl4水溶液與199 mL超純水混合，配制為0.01%質量分數的水溶液，在三角瓶中加入100 mL混合液后，并用保鮮膜封閉，置入加熱磁力攪拌器中進行加熱攪拌，使其升溫至100 ℃，再將1 mL 1%質量分數的檸檬酸鈉溶液一次性迅速加入三角瓶中，待檸檬酸鈉水溶液從金黃色快速變為黑灰色時，再加熱至透明酒紅色，室溫下自然冷卻，置于4 ℃避光環境下保存待檢。

1.2? 金溶膠表征檢測

透射電鏡檢測表征如圖1所示，顯示金溶膠中的納米金顆粒平均直徑在50 nm左右。

紫外分光光度計檢測表征如圖2所示，金溶膠吸收峰在531.2 nm左右。

1.3? 陽光照射實驗部分

采用全天候光輻數據記錄儀、CENTER309K型溫度計及超純水系統、玻璃器皿等。玻璃器皿采用雙層真空玻璃瓶，內部直徑為2 cm，外部直徑為4 cm，內部高度10 cm，外部高度11 cm，1 cm厚真空夾層則位于中間，整個玻璃厚度1.5 mm，橡膠塞6 mm厚，橡膠塞、玻璃導熱系數分別為0.15 J（m·s·K），0.76 J（m·s·K），瓶壁與內部流體、外部空氣的對流換熱系數分別為15 W（m·K），10 W（m·K），集熱瓶與水平面保持60 ℃，再用太陽光持續垂直照射集熱瓶1 h，之后按照以下方案進行實驗。

第一個方案：將10 mL超純水加入其中一個試管中，再將0.4 mL金溶膠與9.6 mL超純水混合液加入另一個試管中，兩個試管初始溫度保持一致，試管內所有熱電耦檢測點保持基本一致的相對溫度，水浴加熱兩試管內溶液，監測溫升情況。該方案的目的在于驗證比熱容的變化可能會對溫度變化產生的影響，原因是加入金溶膠會使溶液比熱容出現相應的變化，在混合液、超純水液太陽輻射熱量吸收相同的情況下，兩種溶液溫升變化速率可能有所不同[2]。

第二個方案：向兩個玻璃瓶中分別加入10 mL超純水、0.4 mL金溶膠與9.6 mL超純水。確保瓶內各個熱電耦探頭維持基本相同的相對溫度，監測溫升變化情況及垂直照射時的太陽瞬時輻射值的變化情況。實驗目的在于分析加入金溶膠后對混合液溫升變化產生的影響，根據實驗數據分析加入0.4 mL金溶膠后混合液光熱轉化效率產生的變化[3]。

2? ? 實驗結果與討論

2.1? 第一方案的實驗結果

收集并分析自開始加熱起至液體溫度升高到平穩時間內的溫度變化數據，圖3顯示為溫度隨著加熱時間變化的情況。水浴加熱試管時，試管中的溶液會對溫度的變化有異常的敏感性，若加熱時造成的溫度變化速率太快時，容易影響溫升變化觀察結果。70 ℃溫度下，觀察更為準確、穩定。此外，實驗中需用沸水加熱玻璃瓶。從圖3可以發現，雙層真空玻璃瓶具有較顯著的隔熱性能。溶液加熱時，需采用熱對流、熱傳導兩種試進行實驗。實驗中，兩種溶液的溫升速率基本保持一致，溫升峰值也基本一致[4]。

10 g混合液中包含了4.543×10﹣3 g金溶膠，比例極低，因此，金溶膠的添加對超純水比熱容的影響可以忽略不計，視兩者比熱容相同。加熱兩種溶液的過程中，一定時間內會產生相同的熱源Q，若兩種溶液能夠保持相同的質量m，那么比熱容也能夠基本保持相同，使比熱容帶來的溫升變化情況也基本相同。

2.2? 第二方案的實驗結果

溶液初始溫度為25.9 ℃，陽光照射1 h內，會出現一定的溫升變化，實驗中需收集這一變化數據，記錄下每10 s發生的溫升變化數據，記錄下每10 min發生的太陽瞬時輻射值數據。實驗數據如圖4所示。照射1 h后，超純水、混合液分別從初始的25.9 ℃上升到44.3 ℃、48.8 ℃，混合液溫升數據較超純水高5.3 ℃。取擬合曲線式y=A+B1x+B2x2，太陽輻射瞬時值的變化曲線擬合公式中的A值為587.571 43，B1值為﹣0.058 75，B2值為8.928 57×10﹣7;超純水溫度變化擬合曲線公式中的A值為23.089 32，B1值為0.011 06，B2值為﹣1.463 79×10﹣6;超純水溫度變化擬合曲線公式中的A值為23.745 81，B1值為0.014 52，B2值為﹣2.155 95×10﹣6。對比兩個方案結果，太陽垂直照射實驗中，兩種液體的溫升速率存在差異，原因在于金納米顆粒的添加增加了混合液對于太陽光輻射量的吸收量與速率，進而加速了溫升變化，而比熱容并非溫升變化差異的原因[5]。

3? ? 討論

分析光照時的熱量傳遞情況可以得知：溶液能夠將1 h照射實驗中太陽光輻射量產生的部分熱源Qz轉化成溶液本身的熱量Qr，促使液體溫度不斷上升。溶液溫度在光照情況下超過環境溫度時，溶液中就會有一部分熱量Qs散向瓶頸、瓶塞、瓶身。實驗中還存在因反射與透射等因素未被溶液所吸收的能量Qc。

因此，可采用以下公式計算太陽能輻射總量：

（1）

t1值為0 s，t2值為3 600 s，A值為587.571 43，B1值為﹣0.058 75，B2值為0.928 57×10﹣7;S代表受照射溶液面積，取值1×10﹣3 m2，θ代表太陽高度角，取值30°，計算可得Qz=3 496.8 J。

設定瓶中各處的溫度相同，并經瓶頸、瓶塞與瓶身向外界散熱，計算公式為：

（2）

t1值為0 s，t2值為3 600 s，設定光照時的環境溫度恒定30 ℃，Δt=A+B1t+B2t2-30，l1代表瓶頸長度，取值0.04 m，A代表瓶塞面積，取值3.14×10﹣4，l2代表瓶高，取值0.06 m，R1表示瓶頸熱阻，取值2.476 m2K/W，R2表示瓶塞熱阻，取值0.21 m2K/W，R3表示瓶身熱阻，取值4.149 m2K/W。光照實驗中超純水向外界環境釋放的熱量值為Qs1=768.8 J，混合液散向外界釋放的熱量值為Qs2=1 217.4 J，Qr計算公式為：

Qr=cmΔt? ? ? ?（3）

c代表液體比熱容，取值4.2×103 J/kg·℃，m代表溶液質量，取值0.01 kg，Δt表示初終時刻的溶液溫度差值。因此，可計算獲得光照過程中超純水所吸收的熱量為Qr1=772.8 J，混合液所吸收的熱量為Qr2=961.8 J。根據能量平衡原理可獲得以下公式：

Qz=Qr+Qs+Qc? ?（4）

實際光熱轉化效率計算公式為：

（5）

而理論光熱轉化效率計算公式為：

（6）

根據式（6）可計算超純水和混合液的理論光熱轉化效率分別是44.1%，62.3%，在本實驗中，實際轉化率分別是22.1%，27.5%?；旌弦褐幸蚪鹑苣z的加入，增加了液體對太陽能的光熱轉化效率，以混合液為工質的集熱裝置的保濕性能也會對太陽能的光熱利用效率產生影響[6]。

進一步的數值模擬研究還表明，金納米顆粒粒徑不同時，共振吸收峰會出現不同的變化，低于100 nm粒徑的金納米顆粒，粒徑的增加會導致可見光波范圍內液體吸收峰向長波方向不斷移動;粒徑超過100 nm的金納米顆粒，粒徑的增加則會使液體吸收峰向紫外光譜范圍內進行跳躍，顆粒粒徑的增加會使其吸收峰向短波方向進行移動，顆粒粒徑增加時，金納米棒吸光性能會逐漸超過金納米球吸光性能，因此，金球顆粒為納米級別時，金溶膠對太陽光的吸收性能要遠超微米級別金球顆粒的吸光性能。為更好地發揮金溶膠的效果，需通過實驗分析最優粒徑[7]。

4? ? 結語

在水中加入金納米顆粒，集熱器內工質對太陽能的光熱轉化效率得以顯著提升，同時，將其運用于太陽能電池涂層中，能夠顯著提高光流密度，采用添加金溶膠后的復合薄膜作為太陽能電池阻擋層，可顯著提高電池效率，降低阻抗。為充分發揮金溶膠在光電轉換中的作用，仍需探討比例、粒徑、形狀不同的情況下，金溶膠光熱轉換效率的差異，進而獲得最佳混合液的質量分數、顆粒類型及其粒徑。

[參考文獻]

[1]王? ?霄.金溶膠對太陽能光熱轉化效率的影響[D].西安：西安建筑科技大學，2016.

[2]王? ?霄，張鴻雁.金溶膠對太陽能光熱轉化效率的影響[J].建筑熱能通風空調，2017（4）：18-21.

[3]劉? ?躍，武麗萍，趙華文.金溶膠用于膠體性質研究實驗改進的探索[J].化學教育，2017（8）：26-29.

[4]胡曉青，王宏志，李耀剛，等.Au修飾的全納米顆粒自組裝SnO2/TiO2薄膜及其DSSCs阻擋層應用[J].硅酸鹽通報，2015（10）：2803-2808.

[5]任凌云，劉英軍，佘希林，等.金溶膠的合成及應用進展[J].現代化工，2010（s2）：70-72.

[6]陳梅潔.Au納米流體的制備及其光熱轉換特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2016.

[7]李? ?瑩.生物模板法制備金/二氧化鈦納米結構薄膜及其光電催化活性研究[D].煙臺：煙臺大學，2016.