超浸润多孔材料的制备及其光热转换性能研究
发布时间：2022-01-11 11:16
无污染、高效的太阳能海水淡化对于缓解传统能源危机、减少水污染、促进环境保护具有十分重要的意义。然而,作为太阳能蒸汽发生系统的核心部件,目前已有的光热材料在实际运行中仍存在着诸多复杂挑战,例如光热转换效率低、原料成本高昂、制备工艺繁琐等,从而限制其大规模的商业应用。针对能源效率低下的问题,目前学术界研究的焦点主要集中于提高太阳能界面蒸发光热材料的光吸收、减少热损失和优化供水从而进一步提高水蒸气产生率和太阳能转换率。结合上述情况,本研究课题主要的目的在于发展新型、高效的太阳能界面蒸发光热材料,研究的侧重点在通过调控多孔光热材料表面浸润性,以期达到水传输优化从而提高太阳能转换效率。同时在光热材料的制备以及底物选择方面,考虑压缩成本,简化工艺以便于大规模推广使用。具体而言,本论文中以商用聚氨酯海绵和制备出的二氧化锰纳米线为底物,分别按照不同方法进行表面改性,制备出两种新型的超浸润太阳能界面蒸发光热材料,并系统研究了影响光热材料的太阳能蒸汽效率的一系列因素。研究结果不但为未来超浸润光热材料的制备提供新的研究思路,而且可为太阳能界面蒸发光热转换系统的设计和优化提供了一条新途径。论文的主要研究内容及...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
太阳能蒸汽发生装置发展趋势示意图[8]
超浸润多孔材料的制备及其光热转换性能的研究2学激发等离子体共振来引起局部热化从而一定程度上减少热损失，提高光热转换效率，缺点在于过程涉及对整个水体的加热，因此光热转换效率偏低。同时纳米粒子易团聚，容易发生二次沉降，循环稳定性差，需要长期对纳米流体进行泵送，需要额外做功[7]；另一种是界面蒸发技术，能够将太阳辐射锁定水-空气的蒸发界面上，局部加热以最大限度减少热损失，可以实现很高的太阳能光热转换效率[8]。通过引入不同材料和对结构的合理设计共同促成了应用前景广阔的太阳能光热蒸发技术。本篇论文将重点在第二种技术的基础上研究水传输对于最终太阳能光热转换效率的影响，在尽可能提高光热转换效率的同时，降低生产成本和制备工艺，以使其尽可能实际应用于发展中国家。1.2界面蒸发太阳能产汽系统的设计要点1.2.1水分传输在太阳光的照射下，光热转换材料将其表面上的水迅速变成蒸汽。因此，一个良好的光热蒸发系统离不开良好的供水，以便水分子可以快速连续地传输到光热材料的表面，以实现高效的水蒸发。供水的改善可以从两个方面着手：（1）输水通道的优化设计；（2）改善材料本身的浸润性。图1.2水通路示意图：（a）一维的输水通道；（b）二维的输水通道；（c）三维输水通道；（四）自调节输水通道[9]Figure1.2Schematicillustrationof:(a)1Dwatertransportchannels;(b)2Dwatertransportchannels;(c)3Dwatertransportchannels;(d)self-regulatingwatertransportchannels.[9]输水通道的设计：类似于天然木材孔道，水通过毛细作用力在一维通道中传输。Hu的课题组使用3D打印技术设计了具有一系列垂直多孔结构且具有一维水
超浸润多孔材料的制备及其光热转换性能的研究4图1.3界面太阳能蒸发期间的热传递。（a）常规蒸发和（b）具有精确热量管理的新型蒸发系统示意图[18]Figure1.3Theheattransferduringtheinterfacialsolarevaporation.(a)Theconventionalevaporatorand(b)thenovelevaporatingsystemwithpreciseheatmanagement[18]热管理设计还可以赋予光热蒸发系统收集环境能量的能力。2018年，Li等人发明了一种热量增强的界面太阳能蒸发系统，以优化现有的热能产生方法[18]。作者组装了圆柱形光热蒸发系统以收集太阳能以及环境能量，因此能量转换效率理论上超过了100％。蒸发系统的上层使用吸光材料收集太阳辐射，含水量高的侧壁在环境能量驱动下可以缓慢释放产生的蒸气。除了减少潜在的热量损失外，从产生的蒸汽中收集能量可能是通过热管理提高能源利用率的一种新颖策略[19]。Chang等人提出了收集太阳能的新思路[20]。在一个密闭空间内，太阳能通过纸支撑的金纳米颗粒薄膜转化为热能，将水加热成水蒸汽后，蒸汽扩散到腔室的另一侧，冷凝并释放吸收的热能。这项杰出的工作实现了将太阳能迅速转换为热能的高效过程，并且能够借助热蒸气将收集到的热能转移到指定目标。2018年，Li等人提出一种出色的热管理方式，可以很好地存储和回收太阳能蒸汽能[21]，可以在生产清洁水的同时发电。将蒸汽能，能量存储和发电相结合，这项工作为利用来自热蒸汽的额外热能提供了一种有前景的方法，证明了将太阳能产汽与发电相结合的创新方法。1.2.3成本控制与可扩展制备先进的光热材料大大提高了光收集界面的效率，同时也增加了这些材料的成本。昂贵的原料和繁琐的制备工艺都阻碍了太阳能蒸发系统的广泛应用。例如，金纳米颗粒在太阳能蒸汽生产中显示出令人鼓舞的性能，但是这种
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米银颗粒尺寸的可控制备[J]. 张治,刘继宪,刘艳伟,薛静,刘远猛,李海龙. 山东工业技术. 2018(05)
[2]太阳能海水淡化的新技术发展现状[J]. 张学镭,卜跃刚,刘强,王梅梅. 电力科学与工程. 2017(12)
本文编号：3582686
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
太阳能蒸汽发生装置发展趋势示意图[8]
超浸润多孔材料的制备及其光热转换性能的研究2学激发等离子体共振来引起局部热化从而一定程度上减少热损失，提高光热转换效率，缺点在于过程涉及对整个水体的加热，因此光热转换效率偏低。同时纳米粒子易团聚，容易发生二次沉降，循环稳定性差，需要长期对纳米流体进行泵送，需要额外做功[7]；另一种是界面蒸发技术，能够将太阳辐射锁定水-空气的蒸发界面上，局部加热以最大限度减少热损失，可以实现很高的太阳能光热转换效率[8]。通过引入不同材料和对结构的合理设计共同促成了应用前景广阔的太阳能光热蒸发技术。本篇论文将重点在第二种技术的基础上研究水传输对于最终太阳能光热转换效率的影响，在尽可能提高光热转换效率的同时，降低生产成本和制备工艺，以使其尽可能实际应用于发展中国家。1.2界面蒸发太阳能产汽系统的设计要点1.2.1水分传输在太阳光的照射下，光热转换材料将其表面上的水迅速变成蒸汽。因此，一个良好的光热蒸发系统离不开良好的供水，以便水分子可以快速连续地传输到光热材料的表面，以实现高效的水蒸发。供水的改善可以从两个方面着手：（1）输水通道的优化设计；（2）改善材料本身的浸润性。图1.2水通路示意图：（a）一维的输水通道；（b）二维的输水通道；（c）三维输水通道；（四）自调节输水通道[9]Figure1.2Schematicillustrationof:(a)1Dwatertransportchannels;(b)2Dwatertransportchannels;(c)3Dwatertransportchannels;(d)self-regulatingwatertransportchannels.[9]输水通道的设计：类似于天然木材孔道，水通过毛细作用力在一维通道中传输。Hu的课题组使用3D打印技术设计了具有一系列垂直多孔结构且具有一维水
超浸润多孔材料的制备及其光热转换性能的研究4图1.3界面太阳能蒸发期间的热传递。（a）常规蒸发和（b）具有精确热量管理的新型蒸发系统示意图[18]Figure1.3Theheattransferduringtheinterfacialsolarevaporation.(a)Theconventionalevaporatorand(b)thenovelevaporatingsystemwithpreciseheatmanagement[18]热管理设计还可以赋予光热蒸发系统收集环境能量的能力。2018年，Li等人发明了一种热量增强的界面太阳能蒸发系统，以优化现有的热能产生方法[18]。作者组装了圆柱形光热蒸发系统以收集太阳能以及环境能量，因此能量转换效率理论上超过了100％。蒸发系统的上层使用吸光材料收集太阳辐射，含水量高的侧壁在环境能量驱动下可以缓慢释放产生的蒸气。除了减少潜在的热量损失外，从产生的蒸汽中收集能量可能是通过热管理提高能源利用率的一种新颖策略[19]。Chang等人提出了收集太阳能的新思路[20]。在一个密闭空间内，太阳能通过纸支撑的金纳米颗粒薄膜转化为热能，将水加热成水蒸汽后，蒸汽扩散到腔室的另一侧，冷凝并释放吸收的热能。这项杰出的工作实现了将太阳能迅速转换为热能的高效过程，并且能够借助热蒸气将收集到的热能转移到指定目标。2018年，Li等人提出一种出色的热管理方式，可以很好地存储和回收太阳能蒸汽能[21]，可以在生产清洁水的同时发电。将蒸汽能，能量存储和发电相结合，这项工作为利用来自热蒸汽的额外热能提供了一种有前景的方法，证明了将太阳能产汽与发电相结合的创新方法。1.2.3成本控制与可扩展制备先进的光热材料大大提高了光收集界面的效率，同时也增加了这些材料的成本。昂贵的原料和繁琐的制备工艺都阻碍了太阳能蒸发系统的广泛应用。例如，金纳米颗粒在太阳能蒸汽生产中显示出令人鼓舞的性能，但是这种
【参考文献】：
期刊论文
[1]纳米银颗粒尺寸的可控制备[J]. 张治,刘继宪,刘艳伟,薛静,刘远猛,李海龙. 山东工业技术. 2018(05)
[2]太阳能海水淡化的新技术发展现状[J]. 张学镭,卜跃刚,刘强,王梅梅. 电力科学与工程. 2017(12)
本文编号：3582686
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