太阳能热局域蒸发系统影响因素的实验研究
发布时间：2021-11-22 00:17
淡水资源短缺是二十一世纪最严重的全球性问题之一。太阳能热局域蒸发技术由于其高效的光热转换效率和优良的蒸发性能,在解决淡水资源短缺问题上具有巨大的潜力。本论文从热力学的角度出发,利用合理的实验手段设计了不同的太阳能热局域蒸发系统,优化了各种影响系统蒸发性能的因素并对系统进行热损失分析。探讨了光热层颗粒浓度、隔热层的厚度、隔热层的孔隙率等因素对蒸发性能的影响,解决了供水速率和入射能量不匹配以及室外太阳辐照密度持续变化导致的蒸发效率低下的问题,克服了样品在实际应用中力学性能差,稳定性弱的困难。具体内容如下:（1）将通过生物质为原料经碳化得到的碳颗粒涂覆在无尘纸上,制备出典型的双层结构系统。对系统的微观结构、干湿状态下的导热系数、光吸收效率和表面温度进行了表征。通过实验的方法研究无尘纸厚度对蒸发性能的影响,得到了提高蒸发速率的最佳厚度。使用同样的方法探究了碳颗粒浓度对蒸发速率的影响,得到了提高蒸发性能的最佳碳颗粒浓度。在1个太阳光强度的照射下,系统的蒸发速率和蒸发效率分别可达到0.964 kg?m-2?h-1和70%左右,是太阳能热局域蒸发系统应用的...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
世界（a）水资源和（b）太阳能能量分布图
1绪论3图1-2典型双层界面太阳蒸发系统的（a）示意图和（b）总体策略/结构方案Figure1-2(a)Athermallocalizeddoublelayerstructuresystem.(b)Theoverallstrategy/structureschemeofatypicaldouble-layeredinterfacialsolarevaporationsystem一个典型的太阳能热局域化双层结构系统主要包括顶层和底层两个部分，如图1-2b所示[51-53]。顶层由光热转换材料组成，具有高效太阳光吸收特性并将光转换成热能，加热水以实现水到水蒸气的快速转换。底层又称为保温层，为了获得较高的蒸汽蒸发效率，保温层应具有以下三个特性：（1）低导热性，以阻止热量散失到块状水中，使热量集中在空气-水界面；（2）亲水和多孔性，通过毛细力将散装水有效得输送到蒸发表面；（3）密度低，以确保整个结构在水面上自然漂浮[54-57]。这种热局域化海水淡化系统在合理的能量和物质管理下，具有良好的产生蒸汽的能力，近年来成为科学研究热点[58-61]。1.2太阳能热局域化中的光热转换(Photothermalconversioninsolarthermallocalization)太阳能热局域化中的光热转换过程中产生的热量，主要由金属纳米粒子的局域等离激元共振（图1-3a）、半导体的带隙跃迁（图1-3b）和分子的热振动（图1-3c）三种模式触发[62-65]。当入射光的能量与实现电子跃迁所需的能量相匹配时，光热材料分子内的电子将被激发到一个更高的能量状态，即光激发[66]。在这个过程中，光子的能量被电子吸收，这表明光在宏观上被吸收了[67,68]。然而，由于高能态的电子极不稳定，这些高能态电子将通过弛豫返回到低能态。弛豫是自发进行的，通过产生光子的辐射或者产生热载流子（包括电子、电子空穴对和声子）的非辐射释放能量[69]。通过电子-电子、电子-声子和声子-声子相互作用，这些热载流子将?
硕士学位论文4图1-3各种光热材料的光热机制：（a）等离子体加热，（b）电子空穴的产生和弛豫，（c）分子的热振动。（d）波长范围为300纳米至2.5毫米的太阳光谱辐射Figure1-3Photothermalmechanismsofvarioustypesofphotothermalmaterials:(a)Plasmonicheating,(b)electron-holegenerationandrelaxationand(c)thermalvibrationofmolecules.(d)Solarspectralirradiationacrossawavelengthrangeof300nmto2.5mm为了提高光热转换效率，光热材料应具有覆盖整个太阳光谱的宽吸收光谱[71]。根据AM1.5标准，入射到系统表面的太阳光可分为三个部分（如图1-3d），其中紫外光（300-400nm）约占3%，可见光（400-700nm）约占45%，近红外光（700-2500）约占52%[72]。因此，应用于太阳能海水淡化的光热转换材料需要具有覆盖紫外、可见光和近红外的宽吸收光谱。这里我们要注意的是，水本身尽管不能很好地吸收可见光（<1000nm），但是对近红外光（>1300nm）具有很强的吸收能力，这表明水可以吸收太阳光谱中波长在1300nm到2500nm之间的光[73]。在选择光热转换材料时，不应优先考虑材料近红外吸收能力。基于上述讨论以及近些年纳米技术的迅速发展，太阳能热局域化海水淡化技术中光热转换材料的研究也取得了显著成就。各种各样的材料被用于太阳能光热转换中，其中很多材料正是基于纳米粒子的局域等离激元共振。金纳米颗粒具有与太阳光中可见光和红外光谱的等离子体响应，但是其光学性能与其形状、尺寸和结构等内部结构密切相关。例如，Zhou等人通过自组装在多孔基底的表面和通道沉积具有随机尺寸的金纳米颗粒，从而实现有效的光吸收，在400nm到10μm的波长范围内产生99%的光吸收效率（图1-4a）[74]。其他的金属纳米颗粒如银、铜、铝、镍等也被广泛应用?
【参考文献】：
期刊论文
[1]The revival of thermal utilization from the Sun: interfacial solar vapor generation[J]. Lin Zhou,Xiuqiang Li,George W.Ni,Shining Zhu,Jia Zhu. National Science Review. 2019(03)
[2]Three-dimensional artificial transpiration for efficient solar waste-water treatment[J]. Xiuqiang Li,Renxing Lin,George Ni,Ning Xu,Xiaozhen Hu,Bin Zhu,Guangxin Lv,Jinlei Li,Shining Zhu,Jia Zhu. National Science Review. 2018(01)
[3]太阳能海水淡化技术[J]. 姜晓霞. 机械工程师. 2013(05)
[4]太阳能海水淡化技术研究进展[J]. 常泽辉,侯静,温雯. 价值工程. 2013(06)
[5]我国太阳能利用的现状及发展前景[J]. 储呈阳. 企业改革与管理. 2012(08)
[6]太阳能海水淡化新技术综述[J]. 刘业凤,胡海涛. 水处理技术. 2011(08)
[7]我国太阳能资源的利用现状与产业发展[J]. 王峥,任毅. 资源与产业. 2010(02)
本文编号：3510546
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
世界（a）水资源和（b）太阳能能量分布图
1绪论3图1-2典型双层界面太阳蒸发系统的（a）示意图和（b）总体策略/结构方案Figure1-2(a)Athermallocalizeddoublelayerstructuresystem.(b)Theoverallstrategy/structureschemeofatypicaldouble-layeredinterfacialsolarevaporationsystem一个典型的太阳能热局域化双层结构系统主要包括顶层和底层两个部分，如图1-2b所示[51-53]。顶层由光热转换材料组成，具有高效太阳光吸收特性并将光转换成热能，加热水以实现水到水蒸气的快速转换。底层又称为保温层，为了获得较高的蒸汽蒸发效率，保温层应具有以下三个特性：（1）低导热性，以阻止热量散失到块状水中，使热量集中在空气-水界面；（2）亲水和多孔性，通过毛细力将散装水有效得输送到蒸发表面；（3）密度低，以确保整个结构在水面上自然漂浮[54-57]。这种热局域化海水淡化系统在合理的能量和物质管理下，具有良好的产生蒸汽的能力，近年来成为科学研究热点[58-61]。1.2太阳能热局域化中的光热转换(Photothermalconversioninsolarthermallocalization)太阳能热局域化中的光热转换过程中产生的热量，主要由金属纳米粒子的局域等离激元共振（图1-3a）、半导体的带隙跃迁（图1-3b）和分子的热振动（图1-3c）三种模式触发[62-65]。当入射光的能量与实现电子跃迁所需的能量相匹配时，光热材料分子内的电子将被激发到一个更高的能量状态，即光激发[66]。在这个过程中，光子的能量被电子吸收，这表明光在宏观上被吸收了[67,68]。然而，由于高能态的电子极不稳定，这些高能态电子将通过弛豫返回到低能态。弛豫是自发进行的，通过产生光子的辐射或者产生热载流子（包括电子、电子空穴对和声子）的非辐射释放能量[69]。通过电子-电子、电子-声子和声子-声子相互作用，这些热载流子将?
硕士学位论文4图1-3各种光热材料的光热机制：（a）等离子体加热，（b）电子空穴的产生和弛豫，（c）分子的热振动。（d）波长范围为300纳米至2.5毫米的太阳光谱辐射Figure1-3Photothermalmechanismsofvarioustypesofphotothermalmaterials:(a)Plasmonicheating,(b)electron-holegenerationandrelaxationand(c)thermalvibrationofmolecules.(d)Solarspectralirradiationacrossawavelengthrangeof300nmto2.5mm为了提高光热转换效率，光热材料应具有覆盖整个太阳光谱的宽吸收光谱[71]。根据AM1.5标准，入射到系统表面的太阳光可分为三个部分（如图1-3d），其中紫外光（300-400nm）约占3%，可见光（400-700nm）约占45%，近红外光（700-2500）约占52%[72]。因此，应用于太阳能海水淡化的光热转换材料需要具有覆盖紫外、可见光和近红外的宽吸收光谱。这里我们要注意的是，水本身尽管不能很好地吸收可见光（<1000nm），但是对近红外光（>1300nm）具有很强的吸收能力，这表明水可以吸收太阳光谱中波长在1300nm到2500nm之间的光[73]。在选择光热转换材料时，不应优先考虑材料近红外吸收能力。基于上述讨论以及近些年纳米技术的迅速发展，太阳能热局域化海水淡化技术中光热转换材料的研究也取得了显著成就。各种各样的材料被用于太阳能光热转换中，其中很多材料正是基于纳米粒子的局域等离激元共振。金纳米颗粒具有与太阳光中可见光和红外光谱的等离子体响应，但是其光学性能与其形状、尺寸和结构等内部结构密切相关。例如，Zhou等人通过自组装在多孔基底的表面和通道沉积具有随机尺寸的金纳米颗粒，从而实现有效的光吸收，在400nm到10μm的波长范围内产生99%的光吸收效率（图1-4a）[74]。其他的金属纳米颗粒如银、铜、铝、镍等也被广泛应用?
【参考文献】：
期刊论文
[1]The revival of thermal utilization from the Sun: interfacial solar vapor generation[J]. Lin Zhou,Xiuqiang Li,George W.Ni,Shining Zhu,Jia Zhu. National Science Review. 2019(03)
[2]Three-dimensional artificial transpiration for efficient solar waste-water treatment[J]. Xiuqiang Li,Renxing Lin,George Ni,Ning Xu,Xiaozhen Hu,Bin Zhu,Guangxin Lv,Jinlei Li,Shining Zhu,Jia Zhu. National Science Review. 2018(01)
[3]太阳能海水淡化技术[J]. 姜晓霞. 机械工程师. 2013(05)
[4]太阳能海水淡化技术研究进展[J]. 常泽辉,侯静,温雯. 价值工程. 2013(06)
[5]我国太阳能利用的现状及发展前景[J]. 储呈阳. 企业改革与管理. 2012(08)
[6]太阳能海水淡化新技术综述[J]. 刘业凤,胡海涛. 水处理技术. 2011(08)
[7]我国太阳能资源的利用现状与产业发展[J]. 王峥,任毅. 资源与产业. 2010(02)
本文编号：3510546
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