碳基纳米流体及界面材料的太阳能水蒸发性能研究
发布时间：2021-09-30 19:16
化石能源危机、淡水资源缺乏、水污染加剧是当今世界面临的难题。利用太阳能水蒸发进行海水淡化、污水处理具有节约能源、降低污染的巨大优势。太阳能水蒸发是利用光热转换材料将光能转换为热能并加热水使之蒸发,太阳光吸收/光热转换、热能高效利用、充足的水运输是太阳能水蒸发系统的关键。目前研究热点的太阳能水蒸发系统主要有以纳米流体为吸收体的体积式蒸发系统、以漂浮在水界面的光热材料为吸收体的界面式蒸发系统。本文以锑掺杂的氧化锡（ATO）纳米颗粒、葡萄糖为原料,制备了ATO@C（无定型碳包覆ATO纳米颗粒）水基纳米流体以及ATO/C泡沫状界面光热转换材料,并对其构成的体积式蒸发系统、界面式蒸发系统的性能进行了研究。结果如下:1.将ATO纳米颗粒悬浮液与葡萄糖在200℃水热反应4h得到ATO@C水基纳米流体。ATO@C纳米颗粒是ATO纳米颗粒表面包裹无定形碳壳的核壳结构,粒径为20-30nm,在水中具有较高的稳定性。ATO@C纳米流体结合了C在可见光区域和ATO在近红外区域的吸收优势。随着固含量增加,纳米流体的太阳光吸收率和光热转换效率增强,0.3wt%的纳米流体可以吸收99.9%的太阳光,光热转换效率为9...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
太阳光辐照度图谱(AM1.5)
仁侵苯幼?恍?首罡叩囊恢帧?光热效应是光激发产生部分或全部热能(热)的结果。这种效应可以在无机材料（如贵金属和半导体）以及有机材料（如碳基材料，染料和共轭聚合物）中观察到。采用光热转换材料作为获取太阳能的热发生器是一种利用太阳能进行广泛应用的新方法，如蒸汽发电、生活用水加热、蒸馏、脱盐、净化和光热催化等。在高效太阳能集热器材料的设计中，太阳光的吸收和转换效率对光热性能都有影响。根据电磁辐射与物质相互作用机制的不同，将光热机理分为分子热振动、金属等离子体共振和半导体非辐射弛豫三类[1]。图1-2不同物质在相应光吸收范围内的光热原理和材料工程（a）分子的热运动（b）微观结构工程（c）金属的等离子体共振（d）粒子的几何形状和尺寸调整（e）半导体的非辐射弛豫（f）能带结构工程Fig.1-2Photothermalprinciplesandmaterialengineeringofdifferentsubstancesinthecorrespondinglightabsorptionrange(a)Thermalmotionofmolecules(b)Microstructuralengineering(c)Plasmaresonanceofmetals(d)Particlegeometryandsizeadjustment(e)Non-radiativerelaxationofsemiconductors(f)Bandstructureengineering碳基材料（例如无定形碳，炭黑和石墨）都是黑色的，并且由于其π波段的光学跃迁而具有良好的太阳光收集能力。如图1-2（a）所示，在太阳光的照射下，π轨道中能量较低的电子被激发，从π轨道跃迁到π*轨道。此外，共轭π键在它们的吸收光谱中引起红移。随着π键数量的增加，最高的被占据分子轨道（HOMO）与最低的未被占据分子轨道（LUMO）之间的能带隙减校这些带的吸收波长取
青岛科技大学硕士研究生学位论文7图1-3（a）基于底部加热的蒸汽发生器，太阳能吸收体将太阳光转化为热能，从底部加热散装液体（b）基于体积加热的蒸发器，分散均匀的太阳能吸收剂将入射的太阳光子转换为热能以加热液体（c）基于界面加热的蒸发器，将光热转换和蒸发集中到气液界面Fig.1-3(a)Asteamgeneratorbasedonbottomheating,asolarabsorberconvertssunlightintoheat,andabulkliquidisheatedfromthebottom(b)Avolume-basedevaporator,auniformlydispersedsolarabsorberwillinjectthesunPhotonisconvertedintothermalenergytoheattheliquid(c)Evaporatorbasedoninterfaceheating,whichfocusesthephotothermalconversionandevaporationtothegas-liquidinterface1.3体积式太阳能水蒸发系统体积式太阳能水蒸发系统是由纳米流体和所需的盛放装置构成，以纳米流体作为光热转换材料，吸收入射的太阳光来进行水蒸发。影响系统水蒸发性能的因素主要包括：纳米流体的光吸收能力、光热转换效率、热量利用效率。想要得到高的蒸发效率：一方面必须吸收足够多的太阳光，以便利用太阳辐射产生的大部分能量；另一方面，具有高效的光热转换能力，被纳米流体吸收的光尽量多地转换为热能，而不是以其他形式的能量散失掉或被重新辐射。1.3.1光吸收性能材料将光转换为热能的能力取决于材料的光吸收能力[1]。这包括两个因素，整个太阳光谱的吸收范围以及每个波长的吸收强度。因此，这将要求太阳能吸收器在300nm至2500nm的整个太阳光谱范围内具有最小的透射率和反射率，并且要有高的吸收率（ASTMG-173，AM1.5）。因此，材料的整体高太阳吸收率对于获得高的太阳热效率至关重要[35]。太阳吸收率是材料吸收太阳辐射的能力的量度，这由总共吸收的太阳辐射与入射辐射之?
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国新能源可持续发展路径[J]. 杜松卿. 中国外资. 2019(13)
[2]中国陆地太阳能资源开发潜力区域分析[J]. 李柯,何凡能. 地理科学进展. 2010(09)
[3]浅谈太阳能海水淡化[J]. 张有刚,李琳,夏朝凤,高文峰. 太阳能. 2008(01)
本文编号：3416487
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
太阳光辐照度图谱(AM1.5)
仁侵苯幼?恍?首罡叩囊恢帧?光热效应是光激发产生部分或全部热能(热)的结果。这种效应可以在无机材料（如贵金属和半导体）以及有机材料（如碳基材料，染料和共轭聚合物）中观察到。采用光热转换材料作为获取太阳能的热发生器是一种利用太阳能进行广泛应用的新方法，如蒸汽发电、生活用水加热、蒸馏、脱盐、净化和光热催化等。在高效太阳能集热器材料的设计中，太阳光的吸收和转换效率对光热性能都有影响。根据电磁辐射与物质相互作用机制的不同，将光热机理分为分子热振动、金属等离子体共振和半导体非辐射弛豫三类[1]。图1-2不同物质在相应光吸收范围内的光热原理和材料工程（a）分子的热运动（b）微观结构工程（c）金属的等离子体共振（d）粒子的几何形状和尺寸调整（e）半导体的非辐射弛豫（f）能带结构工程Fig.1-2Photothermalprinciplesandmaterialengineeringofdifferentsubstancesinthecorrespondinglightabsorptionrange(a)Thermalmotionofmolecules(b)Microstructuralengineering(c)Plasmaresonanceofmetals(d)Particlegeometryandsizeadjustment(e)Non-radiativerelaxationofsemiconductors(f)Bandstructureengineering碳基材料（例如无定形碳，炭黑和石墨）都是黑色的，并且由于其π波段的光学跃迁而具有良好的太阳光收集能力。如图1-2（a）所示，在太阳光的照射下，π轨道中能量较低的电子被激发，从π轨道跃迁到π*轨道。此外，共轭π键在它们的吸收光谱中引起红移。随着π键数量的增加，最高的被占据分子轨道（HOMO）与最低的未被占据分子轨道（LUMO）之间的能带隙减校这些带的吸收波长取
青岛科技大学硕士研究生学位论文7图1-3（a）基于底部加热的蒸汽发生器，太阳能吸收体将太阳光转化为热能，从底部加热散装液体（b）基于体积加热的蒸发器，分散均匀的太阳能吸收剂将入射的太阳光子转换为热能以加热液体（c）基于界面加热的蒸发器，将光热转换和蒸发集中到气液界面Fig.1-3(a)Asteamgeneratorbasedonbottomheating,asolarabsorberconvertssunlightintoheat,andabulkliquidisheatedfromthebottom(b)Avolume-basedevaporator,auniformlydispersedsolarabsorberwillinjectthesunPhotonisconvertedintothermalenergytoheattheliquid(c)Evaporatorbasedoninterfaceheating,whichfocusesthephotothermalconversionandevaporationtothegas-liquidinterface1.3体积式太阳能水蒸发系统体积式太阳能水蒸发系统是由纳米流体和所需的盛放装置构成，以纳米流体作为光热转换材料，吸收入射的太阳光来进行水蒸发。影响系统水蒸发性能的因素主要包括：纳米流体的光吸收能力、光热转换效率、热量利用效率。想要得到高的蒸发效率：一方面必须吸收足够多的太阳光，以便利用太阳辐射产生的大部分能量；另一方面，具有高效的光热转换能力，被纳米流体吸收的光尽量多地转换为热能，而不是以其他形式的能量散失掉或被重新辐射。1.3.1光吸收性能材料将光转换为热能的能力取决于材料的光吸收能力[1]。这包括两个因素，整个太阳光谱的吸收范围以及每个波长的吸收强度。因此，这将要求太阳能吸收器在300nm至2500nm的整个太阳光谱范围内具有最小的透射率和反射率，并且要有高的吸收率（ASTMG-173，AM1.5）。因此，材料的整体高太阳吸收率对于获得高的太阳热效率至关重要[35]。太阳吸收率是材料吸收太阳辐射的能力的量度，这由总共吸收的太阳辐射与入射辐射之?
【参考文献】：
期刊论文
[1]我国新能源可持续发展路径[J]. 杜松卿. 中国外资. 2019(13)
[2]中国陆地太阳能资源开发潜力区域分析[J]. 李柯,何凡能. 地理科学进展. 2010(09)
[3]浅谈太阳能海水淡化[J]. 张有刚,李琳,夏朝凤,高文峰. 太阳能. 2008(01)
本文编号：3416487
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