基于低维碳材料的高效光热蒸汽转化研究

发布时间：2020-07-22 04:51

【摘要】：近年来,传统能源造成的环境问题日显突出,人们开始关注清洁能源的开发和利用。太阳能作为一种取之不竭的清洁能源受到人们的重视。其中,光热-蒸汽转化作为一种重要的太阳能转化形式在海水淡化、分馏、灭菌等领域展现出很好的应用前景。然而由于吸收体的光学损耗,以及吸收体与水体和环境之间的热交换所造成的热学损耗,导致传统的光热-蒸汽转化效率较低(～40%),很大程度上限制了其广泛应用。以此为背景,本文从四个方面去解决吸收体的光学损耗问题,热学损耗问题和能量来源问题,并在此基础上尝试一些新的应用,如污水处理、重金属回收以及水电联产等。(1)该部分着重解决吸收体的光学损耗和吸收体通过水体的热传导损耗。文中选用氧化石墨烯薄膜(吸收率94%)作为吸收体来有效降低吸收体的光学损耗。在结构上充分利用二维材料层间热导率低的特性,同时使吸收体和水体间接接触,通过二维水传输通道的设计同时达到有效水供应与极低的热传导损耗,从而在无需外界聚焦和保温的条件下,获得了～80%的光热-蒸汽转换效率。同时氧化石墨烯薄膜可折叠,为便携式、高效、低成本的太阳能海水淡化技术的发展迈进一步。(2)该部分着重解决吸收体通过对流和辐射对环境的热损耗,并将该技术应用于污水处理。文中提出并实现了“人工蒸腾”结构,突破传统二维平面器件的局限,设计出三维的空心锥形结构,大大缓解了器件在真实环境中对太阳光入射角的依赖性。同时,有效的增大了吸收体的有效蒸发面积,降低了吸收体的蒸发温度,进而有效控制了吸收体对环境的热对流和热辐射损耗。从而在无需外界聚焦和保温的条件下,获得了～85%的光热-蒸汽转换效率。在应用层面,该工作将界面光热-蒸汽转换拓展到重金属污水处理上。实验结果表明:该技术不仅可以得到符合饮用标准的水,同时也可有效的回收重金属(如金和铜等),为高效的太阳能光热-蒸汽的利用和发展提供新的思路。(3)该部分着重解决蒸发过程中能量来源单一(传统仅依靠太阳能),通过引入环境能量来进一步提高蒸发量。文中通过柱状蒸发体的设计,有效的降低蒸发的温度,使其低于环境温度。在该条件下,环境能量由于温差驱动,会以对流和辐射的形式进入吸收体,进而参与到蒸发的过程中来进一步提高蒸发量。实验结果表明:在该条件下,吸收体的蒸发量可达1.62kg/m~2h(1个太阳下),大于仅依靠太阳能条件下100%转化效率下的蒸发量(1个太阳下,1.47kg/m~2h)。该工作概念性的提出引入环境能量,为进一步提高光热-蒸汽的蒸发量提供新的思路。(4)该部分着重利用蒸汽冷凝潜热来实现水电联产的目的。文中吸收体所产生的高温蒸汽被导入到联有热电模块的腔室中进行冷凝,冷凝潜热被储存在腔室中,进而通过热电模块来产生电流。同时,冷凝所得的蒸馏水通过腔室流出,达到水电联产的目的。实验结果表明:在30 kW/m~2的条件下,该装置可获得～27 W/m~2的电能和～74.7%的光热-蒸汽转化效率。此外,由于热存储的设计,在光源关闭后,发电模块仍可持续工作一段时间。该方法有效的结合了太阳能的转化、储存和利用,为水电联产提供了一个有效的途径。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ127.11
【图文】：

淡水资源,地球,大气水

地球上水资源的覆盖面积约７０％。从某种意义上讲，地球上水资源丰富。然逡逑而约９７．５％的水资源为盐水（平均盐度在３５０００邋ｐｐｍ），不能直接用于生活或饮用逡逑［１－３］。如图１．１所示，地球上的淡水资源约２．５％，方便使用的淡水约０．０１％。其逡逑中０．００７６％来自沼泽，０．００１２％来自土壤水，０．０００９％来自大气水，０．０００２％来自河逡逑流和０．０００１％来自生物水。随着世界人口的快速增加，工业发展所造成的水资源逡逑的破坏及污染，使得世界目前面临严重的水资源短缺。据来自联合国数据统计，逡逑全球目前约有１５亿人口面临饮用水危机，预计到２０２５年，这一数字将增加到２３逡逑亿，涉及８０多个国家和地区。逡逑地球上的水逦淡水逦方便使用的淡水逡逑１００％逦２．５３％逦０．０１％逡逑．逦生物水逡逑，：Ａ逡逑Ｖ邋Ｌ７６％邋Ｊ邋ｖ邋＇胃大气水逡逑娝＿逡逑１００Ｌ逡逑０．邋００１２％逡逑■＝．逦ｏ．邋ｏｉｌ逡逑ｊｆ：到３邋＾邋３？逡逑ｆ＇＼逦＾逦方便使用的淡水逡逑ｌ逦淡水逦０．０１％逡逑２．５３％逡逑地球上的水逡逑１００％逡逑图１．１．地球上水资源的组成以及淡水资源的分布。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１．邋Ｔｈｅ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｗａｔｅｒ邋ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ邋ｏｎ邋ｔｈｅ邋ｅａｒｔｈ邋ａｎｄ邋ｔｈｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｏｆ逡逑ｆｒｅｓｈ邋ｗａｔｅｒ邋ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ．逡逑我国

分布图,中国水资源,分布图

约为世界人均的１／４。中国水资源总量为２．８万亿ｍ３。其中地表水２．７万亿ｍ３，逡逑地下水０．８３万亿ｍ３邋（由于地表水与地下水相互转换、互为联通，有０．７３万亿立逡逑方米的重复计算在里面），河川径流的水资源约为０．１万亿ｍ３。如图１．２所示，地逡逑区分布不均［４］。长江流域及其以南地区水资源占全国的８１％而国土面积只占全国逡逑的３６．５％；淮河流域及其以北地区的水资源占全国水资源总量的１９％，而国土面逡逑积占全国的６３．５％。年内年际分配不匀，旱涝灾害频繁。大部分地区年内连续四逡逑个月降水量占全年的７０％以上，连续枯水或连续丰水较为常见。按照国际标准，逡逑人均水资源＞３０００邋ｍ３为轻度缺水；＞２０００邋ｍ３为中度缺水；＞１０００邋ｍ３为重度缺逡逑水；＞５００邋ｍ３为极度缺水。目前国内有１６个省（区、市）人均水资源量（不包括过境逡逑水）低于严重缺水线，有６个省、区（山东、江苏、山西、河南、宁夏、河北）人逡逑均水资源量＜５００邋ｍ３，为极度缺水地区。随着人口的快速增长，工业、农业发展所逡逑造成的水污染，使得富水地区也逐渐面临水资源的危机以及卫生和安全问题。据逡逑统计全国农村中约有８０００多万人饮用高氟水、４０００多万人饮用苦成水、２００多万逡逑人饮用高砷水、１．９亿人饮用有害物质含量超标的不安全水。逡逑中围水资源分布暠逡逑Ｈ逡逑＾蠲：德邋Ｉ邋＿逡逑图１．２．中国水资源分布图［４］。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２．邋Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ｗａｔｅｒ邋ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ邋ｉｎ邋Ｃｈｉｎａ［４］．逡逑１．２太阳能在海水淡化中的应用逡逑目前进行海水淡化已经成为解决淡水问题一种广泛应用的方法。近年来

原理图,太阳能蒸馏,原理

能海水淡化装置。这类装置由于结构简单、用材方便，而且运行维护成本较低，逡逑因而被人们广泛采用。但这类装置也有局限性，即受限于太阳光强度，单位面积逡逑的产水量较低。被动式太阳能海水蒸馏系统的分类如图１．３所示，被动式太阳能逡逑蒸馏系统主要分为三类，即传统的太阳能蒸馏系统（分单级盘式和多级盘式），倾逡逑斜式太阳能蒸馏系统（倾斜盘式和多级带幕芯式）和新型太阳能蒸馏系统（回热逡逑式，球面聚光式和降膜式等）。其中盘式太阳能海水淡化装置是最为常见的被动式逡逑太阳能海水淡化装置。逡逑被动式太阳能蒸馏系统逡逑／逦Ｉ逦４逡逑Ｉ逦＼逡逑传统的太阳逦倾斜式太阳逦新型太阳能逡逑能蒸馏系统逦能蒸馏系统逦蒸馏系统逡逑逦｜逦邋逦｜逦邋逦Ｉ逦逡逑Ｉ邋逦邋＼逦Ｉ逦＼逦Ｉ逦Ｉ逡逑单级逦多级逦倾斜逦多级带逦回热球面聚降膜逡逑盘式逦盘式逦盘式逦幕芯式逦式邋光式逦式等逡逑图１．３．被动式太阳能海水蒸馏系统分类图。逡逑（逦Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３．邋Ｔｈｅ邋ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ｐａｓｓｉｖｅ邋ｓｏｌａｒ邋ｓｅａｗａｔｅｒ邋ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ邋ｓｙｓｔｅｍ．逡逑盘式太阳能海水装置的示意图如图１．４所示，整个盘面用透明的玻璃密封，逡逑照射到顶盖上的太阳光大部分会透过透明的盖板，进入水体，进而被水体底部的逡逑吸收体吸收。小部分被盖板吸收或反射。吸收体因吸收了太阳光，促使海水温度逡逑上升，海水发生蒸发。温度较高的蒸汽由于密度较小，遇到温度较低的玻璃盖板，逡逑发生冷凝。在此过程中，冷凝释放的潜热通过玻璃与外界周围环境发生热辐射和逡逑热对流进行散热。凝结的水顺着顶盖流下

【参考文献】