基于宽光谱纳米材料光热效应的太阳能水蒸发系统设计及应用
发布时间：2021-10-30 21:52
利用宽谱太阳能激发的光热效应,可以加速水的蒸发过程,实现水蒸馏,在解决水污染和缺水危机方面有着重要的应用前景。随着材料科学和纳米技术的进步,基于宽谱吸收纳米材料的光热太阳能水蒸发（Solar Steam Generation,SSG）技术正在突飞猛进地发展。在低太阳的功率密度辐射下,SSG的效率还有待于提高;SSG系统的设计有待于改善;纳米材料的光热效应的再应用也值得探索。本论文总结了光热太阳能水蒸发系统设计的三大关键因素:光热效应、水输运和蒸汽逃逸、热管理;介绍了各种高效的光热纳米材料最新研究进展,水输运和蒸汽排放系统的合理设计;计算设计了合理的热管理使热量损失最小化。在此基础上,论文开展的主要研究工作及取得的结果概述如下:1.研究并制备了太阳能宽光谱吸收铜纳米颗粒,并将其应用于SSG。通过简单置换反应制备的铜纳米颗粒表现出近乎完全的（97.7%）光吸收能力,覆盖了宽入射角和波长范围（200-1300 nm）并实现93%的高光热转换效率。首次通过将铜纳米颗粒涂覆在纤维素膜上,在2个标准太阳的低功率密度辐射下,可获得高达73%的太阳能蒸汽产生效率。此外,铜纳米颗粒可回收重复利用,并具有...
【文章来源】：南京师范大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SSG设计的三个关键因素：光热效应，供水和蒸汽逸出以及热管理
第1章绪论4图1.2.（a）是模拟的等离子-纳米颗粒涂层片的示意图。左插图中的扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope，SEM）图像显示了由较小特征组成的CuNP。比例尺代表50nm的长度。右插图显示了一个模拟的球形纳米粒子，为20nm球形的簇[53]。（b）WO2.9纳米棒的水蒸发应用示意图[9]。（c）基于碳海绵（CS）的SSG的示意图[58]。（d）基于聚合物的SSG的示意图[60]。（e）用于太阳能驱动的水蒸发的SnSe实验装置的示意图[40]。1.2.2基于材料类型的SSG光热材料分类（1）金属纳米颗粒：金属纳米颗粒的等离子共振可以有效地散射、捕获和吸收大范围的太阳光，接着在吸收太阳光后可以通过非辐射阻尼产生热量[50-52]。迄今为止，已经合成了各种具有高吸收太阳光性能的金属NP用于光热转化。在2017年，Mandal等通过简单的置换反应制备了铜纳米颗粒，证实铜纳米颗粒具有极好的吸收太阳光性能（图1.2a）[53]。该方法制备的铜纳米颗粒显示出极高的光吸收率（97.7％），其光有不同的入射角和波长范围（200-1300nm）。CuNPs在200至1300nm波长范围内的平均光反射率低于3％，这意味着可以吸收相应光谱中约97.7％的辐射太阳能[54]。当入射角从0°渐变为50°时，在波长范围内，平均光反射率始终低于5％。CuNPs可以进行有效的光热转化，在2sun（1sun=1kWm-2）光照下得到高达73％的太阳能水蒸汽产生效率[54]。（2）金属氧化物：由于间隔电荷转移，自由电子的局部表面等离子体激元共振和小的极化吸收，具有窄带隙的金属氧化物也显示出强而宽的光吸收性能，包含了近红外区域。这使得金属氧化物也适合用作光热材料，因为吸收的光可通过其电子-空穴对的非辐射复合而转化为热[55]。
第1章绪论6耦合，宽的吸收太阳光波长范围和突出的量子限制效应，单硒化锡（SnSe）层能有效利用太阳辐射并将其转化为热能，如图1.2e所示[40],重要的是，镀有SnSe的镍泡沫的最大蒸发速率已达到0.85kg·m-2·h-1，比相同条件下的商用超蓝涂料（0.7kg·m-2·h-1）所获得的值大21％。其良好的光热转换能力归因于多重散射诱导的光捕获的协同效应以及光吸收与声子发射之间的最佳平衡[40]。在2018年，Hu的团队开发了一种由窄带隙（0.45eV）的CuFeSe2NP半导体修饰的木材构成的膜。由于具有优异的性能，例如介孔结构，低密度，热定位，低导热性，高亲水性和成本效益，CuFeSe2NP修饰的木膜在5sun辐照下实现了86.2％的高太阳热转换效率[62]。1.2.3基于材料结构的SSG光热材料分类（1）多孔结构：溶胶或溶液中的胶体颗粒或大分子在一定条件下相互连接形成空间网络结构，结构空隙中填充液体作为分散介质。这种特殊的分散体称为凝胶。对于SSG，凝胶由于其多孔性，隔热性和三维结构而常常具有出色的蒸发性能。图1.3.（a）用于水处理的多孔结构的典型微观结构[63]。（b）在太阳光照射下的树木蒸腾作用（左）和模拟蒸腾作用系统（右），用于产生太阳能水蒸汽[66]。（c）纯聚偏二氟乙烯膜（PVDFM）（左）和12mg-CuS/PVDFM（右）的数码照片[48]。例如，如图1.3a所示，Geng等人报告了聚（N-异丙基丙烯酰胺水凝胶（poly(N-iso-propylacrylamide)(PNIPAm)hydrogel，PN）固定在超亲水三聚氰胺泡沫骨架
【参考文献】：
期刊论文
[1]具有高效光热转换性能的碳基纳米复合材料(英文)[J]. 张骞,徐卫林,王贤保. Science China Materials. 2018(07)
本文编号：3467491
【文章来源】：南京师范大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SSG设计的三个关键因素：光热效应，供水和蒸汽逸出以及热管理
第1章绪论4图1.2.（a）是模拟的等离子-纳米颗粒涂层片的示意图。左插图中的扫描电子显微镜（scanningelectronmicroscope，SEM）图像显示了由较小特征组成的CuNP。比例尺代表50nm的长度。右插图显示了一个模拟的球形纳米粒子，为20nm球形的簇[53]。（b）WO2.9纳米棒的水蒸发应用示意图[9]。（c）基于碳海绵（CS）的SSG的示意图[58]。（d）基于聚合物的SSG的示意图[60]。（e）用于太阳能驱动的水蒸发的SnSe实验装置的示意图[40]。1.2.2基于材料类型的SSG光热材料分类（1）金属纳米颗粒：金属纳米颗粒的等离子共振可以有效地散射、捕获和吸收大范围的太阳光，接着在吸收太阳光后可以通过非辐射阻尼产生热量[50-52]。迄今为止，已经合成了各种具有高吸收太阳光性能的金属NP用于光热转化。在2017年，Mandal等通过简单的置换反应制备了铜纳米颗粒，证实铜纳米颗粒具有极好的吸收太阳光性能（图1.2a）[53]。该方法制备的铜纳米颗粒显示出极高的光吸收率（97.7％），其光有不同的入射角和波长范围（200-1300nm）。CuNPs在200至1300nm波长范围内的平均光反射率低于3％，这意味着可以吸收相应光谱中约97.7％的辐射太阳能[54]。当入射角从0°渐变为50°时，在波长范围内，平均光反射率始终低于5％。CuNPs可以进行有效的光热转化，在2sun（1sun=1kWm-2）光照下得到高达73％的太阳能水蒸汽产生效率[54]。（2）金属氧化物：由于间隔电荷转移，自由电子的局部表面等离子体激元共振和小的极化吸收，具有窄带隙的金属氧化物也显示出强而宽的光吸收性能，包含了近红外区域。这使得金属氧化物也适合用作光热材料，因为吸收的光可通过其电子-空穴对的非辐射复合而转化为热[55]。
第1章绪论6耦合，宽的吸收太阳光波长范围和突出的量子限制效应，单硒化锡（SnSe）层能有效利用太阳辐射并将其转化为热能，如图1.2e所示[40],重要的是，镀有SnSe的镍泡沫的最大蒸发速率已达到0.85kg·m-2·h-1，比相同条件下的商用超蓝涂料（0.7kg·m-2·h-1）所获得的值大21％。其良好的光热转换能力归因于多重散射诱导的光捕获的协同效应以及光吸收与声子发射之间的最佳平衡[40]。在2018年，Hu的团队开发了一种由窄带隙（0.45eV）的CuFeSe2NP半导体修饰的木材构成的膜。由于具有优异的性能，例如介孔结构，低密度，热定位，低导热性，高亲水性和成本效益，CuFeSe2NP修饰的木膜在5sun辐照下实现了86.2％的高太阳热转换效率[62]。1.2.3基于材料结构的SSG光热材料分类（1）多孔结构：溶胶或溶液中的胶体颗粒或大分子在一定条件下相互连接形成空间网络结构，结构空隙中填充液体作为分散介质。这种特殊的分散体称为凝胶。对于SSG，凝胶由于其多孔性，隔热性和三维结构而常常具有出色的蒸发性能。图1.3.（a）用于水处理的多孔结构的典型微观结构[63]。（b）在太阳光照射下的树木蒸腾作用（左）和模拟蒸腾作用系统（右），用于产生太阳能水蒸汽[66]。（c）纯聚偏二氟乙烯膜（PVDFM）（左）和12mg-CuS/PVDFM（右）的数码照片[48]。例如，如图1.3a所示，Geng等人报告了聚（N-异丙基丙烯酰胺水凝胶（poly(N-iso-propylacrylamide)(PNIPAm)hydrogel，PN）固定在超亲水三聚氰胺泡沫骨架
【参考文献】：
期刊论文
[1]具有高效光热转换性能的碳基纳米复合材料(英文)[J]. 张骞,徐卫林,王贤保. Science China Materials. 2018(07)
本文编号：3467491
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/xnylw/3467491.html
