近幾十年來,隨著需求的穩(wěn)步增長(zhǎng),以及工業(yè)發(fā)展所造成的水資源破壞,淡水資源的稀缺對(duì)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了威脅。太陽能蒸發(fā)技術(shù)作為一種有效的太陽能利用技術(shù),其不僅在海水淡化領(lǐng)域有所應(yīng)用,也在污水處理、醫(yī)療滅菌甚至發(fā)電方面均有潛在應(yīng)用前景。近年來,一種雙層結(jié)構(gòu)的海水淡化系統(tǒng)由于其高效利用太陽能而引起了廣泛的關(guān)注。目前大量研究都集中在改良和優(yōu)化雙層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的材料、結(jié)構(gòu)以及整體裝置。而本文采用數(shù)值模擬的方法分別從宏觀和微觀角度分析雙層海水淡化系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)機(jī)理,以期為雙層海水淡化系統(tǒng)的改進(jìn)、優(yōu)化以及拓展提供一定參考。對(duì)于宏觀系統(tǒng),我們基于有限元方法建立并優(yōu)化了由實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的宏觀傳熱傳質(zhì)計(jì)算模型,然后分析了各類影響因素對(duì)雙層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)蒸發(fā)效率與蒸汽溫度的影響,發(fā)現(xiàn):要想得到高溫水蒸汽就必須犧牲蒸發(fā)效率,削弱水蒸汽的輸運(yùn),惡化其邊界散熱條件;而要想獲得較高的蒸發(fā)效率,改善水蒸汽的輸運(yùn)條件將更行之有效,此時(shí)產(chǎn)生的水蒸汽為低溫水蒸汽。此外,我們還發(fā)現(xiàn)存在最佳的孔隙率(約為50%)使得雙層海水淡化系統(tǒng)的蒸發(fā)效率最高;相對(duì)于多孔材料的熱導(dǎo)率,雙層結(jié)構(gòu)的有效熱導(dǎo)率對(duì)系統(tǒng)蒸發(fā)效率的影響更大;選擇性吸收體的使用將有助于提高雙層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)蒸發(fā)效率與蒸汽溫度。在微觀角度中,對(duì)于第一層材料,我們基于有限元方法建立由Mie散射理論驗(yàn)證的納米顆粒光熱轉(zhuǎn)化數(shù)值計(jì)算模型,然后從單納米顆粒組成的零維系統(tǒng)出發(fā)層層遞進(jìn)的分析研究了太陽光全光譜下納米顆粒的擁擠效應(yīng),進(jìn)而發(fā)現(xiàn)在納米粒子的二維平面規(guī)則分布中,六角格子分布是利于太陽能光熱轉(zhuǎn)換的最佳分布,并且在該分布中315nm的粒子間距為利于太陽能光熱轉(zhuǎn)換的最佳間距。更有意義的是在太陽光全光譜下任何空間分布的多粒子系統(tǒng)的能量吸收問題都可以視為三種基本極化模式的疊加,因此我們可以使用電磁場(chǎng)分解模型來處理任意多粒子體系在太陽光全光譜下的能量吸收問題。對(duì)于第二層材料,我們依然基于有限元方法,并使用Poisson-Nernst-Planck方程建立熱驅(qū)動(dòng)離子輸運(yùn)數(shù)值計(jì)算模型,然后研究分析納米通道內(nèi)與多孔材料內(nèi)熱驅(qū)動(dòng)離子的輸運(yùn)問題,從而發(fā)現(xiàn)離子濃度(8(8_(4)4))為1 mol·m~(-3),通道半寬度?為1 nm的納米通道系統(tǒng)是較理想的熱電系統(tǒng),并且該系統(tǒng)存在最優(yōu)的溫差(約為85 K)與最優(yōu)的通道長(zhǎng)度(約為85 h)使其熱致功率最大。而多孔材料內(nèi)熱驅(qū)動(dòng)離子輸運(yùn)造成的熱電流(約為27.2 mA)、熱電勢(shì)(約為63.7 mV)以及熱致功率(約為433.2μW)足以驅(qū)動(dòng)商用電氣元件,因此直接利用多孔材料內(nèi)熱驅(qū)動(dòng)離子的輸運(yùn)性能進(jìn)行雙層海水淡化系統(tǒng)蒸汽-電聯(lián)產(chǎn)是可行的。
【學(xué)位單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：P747;TK124
【部分圖文】：

的能源技術(shù)受到人們的重視[6-9]。該技術(shù)裝條件的限制，對(duì)于一些偏遠(yuǎn)地區(qū)和缺乏基為一種有效的太陽能利用技術(shù)，其不僅在菌甚至發(fā)電方面均有潛在應(yīng)用前景[10-15]。較大致使其轉(zhuǎn)化效率較低（30%~50%），在[16]。近年來，陳剛課題組提出了一種雙層射下實(shí)現(xiàn) 63%的光蒸汽轉(zhuǎn)化效率[17]。這種注，其系統(tǒng)圖如下圖 1-1 所示。在該系統(tǒng)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)化，而第二層材料一般利用多孔First layer(Light absorption)layerVapor

工程碩士專業(yè)學(xué)位論文綜述（Literature Review）觀系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及分析 年，麻省理工學(xué)院陳剛課題組[17]首先提出了利用雙層結(jié)構(gòu)進(jìn)行光熱蒸計(jì)的雙層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由負(fù)載石墨顆粒的碳泡沫組成。利用上層石墨顆粒與下層碳泡沫優(yōu)秀的親水性和隔熱性，以達(dá)到在低聚光條件下增強(qiáng)太的。該研究表明，在太陽輻射強(qiáng)度為 10 個(gè)太陽時(shí)，其系統(tǒng)光熱蒸汽轉(zhuǎn)，同時(shí)該課題組也提出了理想材料模型，即第一層材料擁有較高的光學(xué)材料具有較好親水性與較小的熱導(dǎo)率。

材料被廣泛應(yīng)用于雙層海水淡化系統(tǒng)的第一層來吸收太陽能，進(jìn)金納米顆粒通過自組裝的方法與多孔模板有機(jī)結(jié)合，制備了一個(gè)該光吸收體在 200nm 到 10000nm 波段實(shí)現(xiàn)了高達(dá) 99%的吸收效最寬頻、最高效的光吸收黑體材料，其原理圖如下圖 1-3 所示。但t law，我們可以知道溫度為 300 K 到 360 K 的物體大約在 9500 n峰值輻射，并且較高的光吸收效率意味著較高的發(fā)射效率。換句效的光吸收性能，但并不能證明其有高效的光熱轉(zhuǎn)化性能。之后本以及改進(jìn)吸收體紅外部分的吸收性能，采取了鋁的結(jié)構(gòu)，其在 范圍平均吸收效率為 96%，被認(rèn)為是太陽能海水淡化的絕佳體系給出完美解釋，這一點(diǎn)將在之后的部分給予說明。除了自組裝金型金屬納米吸收體。Song 等[20]人將金納米顆粒沉積在無塵紙上 77.8%的蒸發(fā)裝置。He 等[21]人改變沉積在電漿膜上金納米顆粒的效率的影響，最終在 10KW·m-2太陽輻射強(qiáng)度下，將 3.6mg 的金m 的電漿膜上得到了一個(gè)蒸發(fā)效率為 85%的蒸發(fā)裝置。

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