基于纳米流体的太阳能光伏光热分光谱利用技术巧妙利用了纳米流体光谱选择性吸收特性,实现了光伏和光热两种收集技术的高效融合与协同匹配,以及太阳能全光谱的高效利用。
本书围绕太阳能光伏光热光谱分频利用系统的设计与应用,首先概述了太阳能分频利用技术的研究现状,再从纳米粒子对分频流体的光谱特性调控机理出发,论述了该项技术在应用与实施过程中所涉及的基本原理、基本方法、重要设计参数选择等内容,通过理论分析、实验测量和数值仿真等方法详细研究了光谱分频利用系统中各类设计参数和技术措施对系统性能的影响,这些内容对基于纳米流体的太阳能分频技术走向成熟具有重要的理论意义和应用参考价值。
本书系统揭示了纳米流体光谱分频技术在太阳能全光谱高效利用中的关键原理与工程路径，实现光伏与光热的高效协同，是国内首次全面论述该前沿方向的专著。书中从机理解析到系统设计、从实验验证到工程应用，内容跨越光学、传热、材料与能源工程多学科，对科研人员和工程技术人员具有重要参考价值，是探索高效太阳能利用与零碳能源系统的理想读物。
太阳能的高效利用是解决能源与环境危机，助力实现碳达峰碳中和宏伟目标的重要手段。然而，由于材料本身的特性，以晶硅电池为主流的光伏发电技术并不能高效利用全光谱的太阳辐射能，其能量转化效率亟待提升。从光谱层面，将不同波段的太阳辐射能量进行拆分，以匹配不同材料的光学特性，从而提升太阳能整体利用效率的光谱分频技术是目前提升太阳能利用效率的有效途径之一。
当前，纳米科学的不断进步使人们能够对光实现全面的操控，这为光谱分频技术的实现奠定了基础。利用纳米流体在太阳能光谱波段中的选择性吸收特性，实现太阳能光伏和光热两种收集技术的高效融合与协同匹配，有望实现太阳能的全光谱高效利用。在基于纳米流体的太阳能光伏光热分频利用技术中，光热单元与光伏单元彼此独立解耦，使得太阳能利用系统能够同时输出电能和中温热能，并在运行中可通过纳米流体的光学特性对热能和电能的输出进行调控。这样的特点使其具有更为广阔的应用领域，如石化、造纸、供暖、电力等。近期，该技术受到了国内外诸多学者的广泛关注。
然而，该项技术的实际应用并非轻而易举。影响该技术在实际应用中性能的诸多设计参数仍缺乏广泛深入的研究，并且一些与技术瓶颈相关的基础问题尚未厘清。针对这些问题，作者从该技术的发展现状与基础理论出发，详细论述了该项技术在应用实施过程中所涉及的基本方法、重要设计参数选择及其对系统性能的影响等内容。这些内容对太阳能分频技术领域的研究具有重要的参考价值。
本书的内容涉及基于纳米流体的光伏光热分频系统的基础理论与实践过程，包含分频系统设计理念、纳米流体光谱调控的机理、分频系统实验方法与系统性能分析、分频系统计算模型构建与参数选择等多项内容。本书适合能源动力、太阳能综合利用、光伏及光热等技术领域的工程师、学者专家及能源专业的研究生阅读。
本书的主要内容参考来源于作者及所在课题组发表的相关论文，感谢张一帆、吴锦瑞、倪俊、李俊、陈璐、宗顺禹、吴锦飞等完成的相关研究工作，同时也感谢彭梦琦、董青春、任丽娅、朱菲菲等同学对文字整理、公式录入、图表编辑付出的努力。衷心感谢国家自然科学基金委员会、上海市科学技术委员会、同济大学对本书涉及的相关项目的资助与支持。
由于作者水平所限，书中难免会有错误、不足、疏漏和不当之处，在此热切希望读者和同行专家提出宝贵的批评和建议。
安 巍
2025年8月
安巍，博士，教授，博士生导师，现任同济大学机械与能源工程学院教师。主要从事太阳能高效综合利用技术、热辐射基础理论与应用、微纳粒子的热辐射特性以及能源系统智能物联网技术等方向的研究。在国内外重要期刊和会议发表论文70余篇，授权国家发明专利7项。作为负责人承担三项国家自然科学基金项目、两项上海市科技创新行动计划项目、一项国家重点研发计划子课题和一项教育部中央高校基本科研业务专项资金项目，并参与国家安全重大基础研究计划（973计划）子专题研究。担任国家自然科学基金、上海市自然科学基金及上海市自然科学奖评审专家，《节能技术》期刊编委。
第1章 太阳能分频PV/T技术及其进展001
1.1 传统PV/T技术的特点与应用03
1.2 太阳能光谱分频的原理与分类005
1.3 固体分频技术的特点与进展007
1.3.1 干涉滤光分频008
1.3.2 光伏电池滤光011
1.3.3 其他类型的固体分频技术013
1.4 流体分频技术的特点与进展015
1.4.1 流体分频的实验进展017
1.4.2 分频流体的特性021
1.4.3 流体分频的计算模型022
1.4.4 流体分频技术的研究重点025
第2章 纳米流体的辐射特性及其光谱调控的基本原理032
2.1 分频纳米流体的研制流程034
2.2 含粒子半透明介质的辐射特性及其数学描述035
2.2.1 光在介质中的传输过程035
2.2.2 光在介质中传输的数学描述035
2.2.3 纳米流体辐射特性038
2.2.4 基液的辐射特性038
2.2.5 单个粒子及粒子系辐射特性041
2.2.6 含气泡纳米流体的辐射特性043
2.3 粒子辐射特性的计算方法简介045
2.3.1 Mie散射理论046
2.3.2 Rayleigh散射048
2.3.3 时域有限元差分法050
2.3.4 有限元法056
2.4 等离激元纳米粒子辐射特性的调控机理060
2.4.1 表面等离子共振效应060
2.4.2 球形金银纳米粒子辐射特性061
2.4.3 杆形金纳米粒子的辐射特性063
2.4.4 粒子光谱调控与分频流体的材料选择064
2.5 纳米流体辐射特性的检测066
2.5.1 纳米流体的透射光谱测量066
2.5.2 纳米粒子微观形貌与尺寸检测067
2.5.3 粒子数密度的测量068
2.5.4 粒子浓度和尺寸同时获取的方法068
2.6 两种典型分频流体的合成方法072
第3章 分频PV/T实验系统的设计与性能分析076
3.1 实验系统设计的原则076
3.2 户外实验测试系统设计077
3.2.1 聚光单元设计079
3.2.2 分频光热单元设计079
3.2.3 光伏单元及其冷却通道设计081
3.3 分频纳米流体的热物理性质082
3.4 性能测试方法与测量仪器085
3.5 光伏电池对系统性能的影响088
3.6 纳米流体浓度对性能的影响089
3.7 光热单元隔热措施对性能的影响092
3.8 误差分析0943.9 本章小结095
第4章 分频PV/T混合发电系统的性能预测模型097
4.1 分频PV/T混合发电系统组成097
4.2 分频PV/T混合发电系统的计算模型098
4.2.1 聚光器的性能计算098
4.2.2 光电单元计算模型100
4.2.3 光热单元计算模型101
4.2.4 混合系统的性能参数104
4.3 计算流程与参数选取105
4.4 计算模型的验证106
4.4.1 集热管封腔内的自然对流换热108
4.4.2 模型验证与误差分析112
4.5 理想分频窗口设置分析114
4.6 流体允许温度对性能的影响116
4.7 太阳能收集器中的能量分配18
4.8 本章小结120
第5章 利用电池废热的分频PV/T系统分析122
5.1 利用电池废热的分频PV/T发电系统122
5.1.1 发电系统的构成122
5.1.2 计算模型与计算流程124
5.1.3 与传统太阳能聚光发电系统的性能对比127
5.1.4 Si和GaAs电池的对比129
5.2 分频PV/T太阳能热电联供系统132
5.2.1 热电联供系统的构成133
5.2.2 计算模型与性能参数134
5.2.3 分频PV/T联供系统的性能优势--135
5.2.4 分频PV/T联供系统热电比的调节136
5.3 本章小结137
第6章 分频蒸馏光伏联供系统性能测试139
6.1 分频蒸馏光伏联供系统的优势140
6.2 分频蒸发器的设计141
6.2.1 蒸发器的光学性能分析141
6.2.2 蒸发器内的热与流动分析144
6.2.3 蒸发器的结构与外冷凝的循环控制146
6.2.4 纳米流体的光谱特征147
6.3 分频蒸馏光伏联供系统性能测试148
6.3.1 实验系统与测试设备148
6.3.2 联供系统的性能指标149
6.3.3 分频蒸馏系统的性能分析151
6.3.4 纳米流体浓度对性能的影响154
6.3.5 制水成本分析157
6.4 本章小结-158
第7章 分频蒸馏光伏联供系统的计算模型159
7.1 分频联供系统的数学模型159
7.1.1 分频纳米流体的辐射特性161
7.1.2 蒸发器内的能量传输162
7.1.3 计算模型的验证170
7.2 粒子浓度对系统性能的影响172
7.3 系统在不同地区的性能对比174
7.4 本章小结177
附录179
书单推荐
