【摘要】：近年來(lái),傳統(tǒng)能源造成的環(huán)境問(wèn)題日顯突出,人們開(kāi)始關(guān)注清潔能源的開(kāi)發(fā)和利用。太陽(yáng)能作為一種取之不竭的清潔能源受到人們的重視。其中,光熱-蒸汽轉(zhuǎn)化作為一種重要的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化形式在海水淡化、分餾、滅菌等領(lǐng)域展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景。然而由于吸收體的光學(xué)損耗,以及吸收體與水體和環(huán)境之間的熱交換所造成的熱學(xué)損耗,導(dǎo)致傳統(tǒng)的光熱-蒸汽轉(zhuǎn)化效率較低(～40%),很大程度上限制了其廣泛應(yīng)用。以此為背景,本文從四個(gè)方面去解決吸收體的光學(xué)損耗問(wèn)題,熱學(xué)損耗問(wèn)題和能量來(lái)源問(wèn)題,并在此基礎(chǔ)上嘗試一些新的應(yīng)用,如污水處理、重金屬回收以及水電聯(lián)產(chǎn)等。(1)該部分著重解決吸收體的光學(xué)損耗和吸收體通過(guò)水體的熱傳導(dǎo)損耗。文中選用氧化石墨烯薄膜(吸收率94%)作為吸收體來(lái)有效降低吸收體的光學(xué)損耗。在結(jié)構(gòu)上充分利用二維材料層間熱導(dǎo)率低的特性,同時(shí)使吸收體和水體間接接觸,通過(guò)二維水傳輸通道的設(shè)計(jì)同時(shí)達(dá)到有效水供應(yīng)與極低的熱傳導(dǎo)損耗,從而在無(wú)需外界聚焦和保溫的條件下,獲得了～80%的光熱-蒸汽轉(zhuǎn)換效率。同時(shí)氧化石墨烯薄膜可折疊,為便攜式、高效、低成本的太陽(yáng)能海水淡化技術(shù)的發(fā)展邁進(jìn)一步。(2)該部分著重解決吸收體通過(guò)對(duì)流和輻射對(duì)環(huán)境的熱損耗,并將該技術(shù)應(yīng)用于污水處理。文中提出并實(shí)現(xiàn)了“人工蒸騰”結(jié)構(gòu),突破傳統(tǒng)二維平面器件的局限,設(shè)計(jì)出三維的空心錐形結(jié)構(gòu),大大緩解了器件在真實(shí)環(huán)境中對(duì)太陽(yáng)光入射角的依賴(lài)性。同時(shí),有效的增大了吸收體的有效蒸發(fā)面積,降低了吸收體的蒸發(fā)溫度,進(jìn)而有效控制了吸收體對(duì)環(huán)境的熱對(duì)流和熱輻射損耗。從而在無(wú)需外界聚焦和保溫的條件下,獲得了～85%的光熱-蒸汽轉(zhuǎn)換效率。在應(yīng)用層面,該工作將界面光熱-蒸汽轉(zhuǎn)換拓展到重金屬污水處理上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該技術(shù)不僅可以得到符合飲用標(biāo)準(zhǔn)的水,同時(shí)也可有效的回收重金屬(如金和銅等),為高效的太陽(yáng)能光熱-蒸汽的利用和發(fā)展提供新的思路。(3)該部分著重解決蒸發(fā)過(guò)程中能量來(lái)源單一(傳統(tǒng)僅依靠太陽(yáng)能),通過(guò)引入環(huán)境能量來(lái)進(jìn)一步提高蒸發(fā)量。文中通過(guò)柱狀蒸發(fā)體的設(shè)計(jì),有效的降低蒸發(fā)的溫度,使其低于環(huán)境溫度。在該條件下,環(huán)境能量由于溫差驅(qū)動(dòng),會(huì)以對(duì)流和輻射的形式進(jìn)入吸收體,進(jìn)而參與到蒸發(fā)的過(guò)程中來(lái)進(jìn)一步提高蒸發(fā)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在該條件下,吸收體的蒸發(fā)量可達(dá)1.62kg/m~2h(1個(gè)太陽(yáng)下),大于僅依靠太陽(yáng)能條件下100%轉(zhuǎn)化效率下的蒸發(fā)量(1個(gè)太陽(yáng)下,1.47kg/m~2h)。該工作概念性的提出引入環(huán)境能量,為進(jìn)一步提高光熱-蒸汽的蒸發(fā)量提供新的思路。(4)該部分著重利用蒸汽冷凝潛熱來(lái)實(shí)現(xiàn)水電聯(lián)產(chǎn)的目的。文中吸收體所產(chǎn)生的高溫蒸汽被導(dǎo)入到聯(lián)有熱電模塊的腔室中進(jìn)行冷凝,冷凝潛熱被儲(chǔ)存在腔室中,進(jìn)而通過(guò)熱電模塊來(lái)產(chǎn)生電流。同時(shí),冷凝所得的蒸餾水通過(guò)腔室流出,達(dá)到水電聯(lián)產(chǎn)的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在30 kW/m~2的條件下,該裝置可獲得～27 W/m~2的電能和～74.7%的光熱-蒸汽轉(zhuǎn)化效率。此外,由于熱存儲(chǔ)的設(shè)計(jì),在光源關(guān)閉后,發(fā)電模塊仍可持續(xù)工作一段時(shí)間。該方法有效的結(jié)合了太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化、儲(chǔ)存和利用,為水電聯(lián)產(chǎn)提供了一個(gè)有效的途徑。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TQ127.11
【圖文】：

地球上水資源的覆蓋面積約７０％。從某種意義上講，地球上水資源豐富。然逡逑而約９７．５％的水資源為鹽水（平均鹽度在３５０００邋ｐｐｍ），不能直接用于生活或飲用逡逑［１－３］。如圖１．１所示，地球上的淡水資源約２．５％，方便使用的淡水約０．０１％。其逡逑中０．００７６％來(lái)自沼澤，０．００１２％來(lái)自土壤水，０．０００９％來(lái)自大氣水，０．０００２％來(lái)自河逡逑流和０．０００１％來(lái)自生物水。隨著世界人口的快速增加，工業(yè)發(fā)展所造成的水資源逡逑的破壞及污染，使得世界目前面臨嚴(yán)重的水資源短缺。據(jù)來(lái)自聯(lián)合國(guó)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，逡逑全球目前約有１５億人口面臨飲用水危機(jī)，預(yù)計(jì)到２０２５年，這一數(shù)字將增加到２３逡逑億，涉及８０多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。逡逑地球上的水邐淡水邐方便使用的淡水逡逑１００％邐２．５３％邐０．０１％逡逑．邐生物水逡逑，：Ａ逡逑Ｖ邋Ｌ７６％邋Ｊ邋ｖ邋＇胃大氣水逡逑娝＿逡逑１００Ｌ逡逑０．邋００１２％逡逑■＝．邐ｏ．邋ｏｉｌ逡逑ｊｆ：到３邋＾邋３？逡逑ｆ＇＼邐＾邐方便使用的淡水逡逑ｌ邐淡水邐０．０１％逡逑２．５３％逡逑地球上的水逡逑１００％逡逑圖１．１．地球上水資源的組成以及淡水資源的分布。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．逡逑我國(guó)

約為世界人均的１／４。中國(guó)水資源總量為２．８萬(wàn)億ｍ３。其中地表水２．７萬(wàn)億ｍ３，逡逑地下水０．８３萬(wàn)億ｍ３邋（由于地表水與地下水相互轉(zhuǎn)換、互為聯(lián)通，有０．７３萬(wàn)億立逡逑方米的重復(fù)計(jì)算在里面），河川徑流的水資源約為０．１萬(wàn)億ｍ３。如圖１．２所示，地逡逑區(qū)分布不均［４］。長(zhǎng)江流域及其以南地區(qū)水資源占全國(guó)的８１％而國(guó)土面積只占全國(guó)逡逑的３６．５％；淮河流域及其以北地區(qū)的水資源占全國(guó)水資源總量的１９％，而國(guó)土面逡逑積占全國(guó)的６３．５％。年內(nèi)年際分配不勻，旱澇災(zāi)害頻繁。大部分地區(qū)年內(nèi)連續(xù)四逡逑個(gè)月降水量占全年的７０％以上，連續(xù)枯水或連續(xù)豐水較為常見(jiàn)。按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，逡逑人均水資源＞３０００邋ｍ３為輕度缺水；＞２０００邋ｍ３為中度缺水；＞１０００邋ｍ３為重度缺逡逑水；＞５００邋ｍ３為極度缺水。目前國(guó)內(nèi)有１６個(gè)�。▍^(qū)、市）人均水資源量（不包括過(guò)境逡逑水）低于嚴(yán)重缺水線(xiàn)，有６個(gè)省、區(qū)（山東、江蘇、山西、河南、寧夏、河北）人逡逑均水資源量＜５００邋ｍ３，為極度缺水地區(qū)。隨著人口的快速增長(zhǎng)，工業(yè)、農(nóng)業(yè)發(fā)展所逡逑造成的水污染，使得富水地區(qū)也逐漸面臨水資源的危機(jī)以及衛(wèi)生和安全問(wèn)題。據(jù)逡逑統(tǒng)計(jì)全國(guó)農(nóng)村中約有８０００多萬(wàn)人飲用高氟水、４０００多萬(wàn)人飲用苦成水、２００多萬(wàn)逡逑人飲用高砷水、１．９億人飲用有害物質(zhì)含量超標(biāo)的不安全水。逡逑中圍水資源分布暠逡逑Ｈ逡逑＾蠲：德邋Ｉ邋＿逡逑圖１．２．中國(guó)水資源分布圖［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太陽(yáng)能在海水淡化中的應(yīng)用逡逑目前進(jìn)行海水淡化已經(jīng)成為解決淡水問(wèn)題一種廣泛應(yīng)用的方法。近年來(lái)

能海水淡化裝置。這類(lèi)裝置由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用材方便，而且運(yùn)行維護(hù)成本較低，逡逑因而被人們廣泛采用。但這類(lèi)裝置也有局限性，即受限于太陽(yáng)光強(qiáng)度，單位面積逡逑的產(chǎn)水量較低。被動(dòng)式太陽(yáng)能海水蒸餾系統(tǒng)的分類(lèi)如圖１．３所示，被動(dòng)式太陽(yáng)能逡逑蒸餾系統(tǒng)主要分為三類(lèi)，即傳統(tǒng)的太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)（分單級(jí)盤(pán)式和多級(jí)盤(pán)式），傾逡逑斜式太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)（傾斜盤(pán)式和多級(jí)帶幕芯式）和新型太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)（回?zé)徨义鲜�，球面聚光式和降膜式等）。其中盤(pán)式太陽(yáng)能海水淡化裝置是最為常見(jiàn)的被動(dòng)式逡逑太陽(yáng)能海水淡化裝置。逡逑被動(dòng)式太陽(yáng)能蒸餾系統(tǒng)逡逑／邐Ｉ邐４逡逑Ｉ邐＼逡逑傳統(tǒng)的太陽(yáng)邐傾斜式太陽(yáng)邐新型太陽(yáng)能逡逑能蒸餾系統(tǒng)邐能蒸餾系統(tǒng)邐蒸餾系統(tǒng)逡逑邐｜邐邋邐｜邐邋邐Ｉ邐逡逑Ｉ邋邐邋＼邐Ｉ邐＼邐Ｉ邐Ｉ逡逑單級(jí)邐多級(jí)邐傾斜邐多級(jí)帶邐回?zé)崆蛎婢劢的ゅ义媳P(pán)式邐盤(pán)式邐盤(pán)式邐幕芯式邐式邋光式邐式等逡逑圖１．３．被動(dòng)式太陽(yáng)能海水蒸餾系統(tǒng)分類(lèi)圖。逡逑（邐Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３．邋Ｔｈｅ邋ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ｐａｓｓｉｖｅ邋ｓｏｌａｒ邋ｓｅａｗａｔｅｒ邋ｄｉｓｔｉｌｌａｔｉｏｎ邋ｓｙｓｔｅｍ．逡逑盤(pán)式太陽(yáng)能海水裝置的示意圖如圖１．４所示，整個(gè)盤(pán)面用透明的玻璃密封，逡逑照射到頂蓋上的太陽(yáng)光大部分會(huì)透過(guò)透明的蓋板，進(jìn)入水體，進(jìn)而被水體底部的逡逑吸收體吸收。小部分被蓋板吸收或反射。吸收體因吸收了太陽(yáng)光，促使海水溫度逡逑上升，海水發(fā)生蒸發(fā)。溫度較高的蒸汽由于密度較小，遇到溫度較低的玻璃蓋板，逡逑發(fā)生冷凝。在此過(guò)程中，冷凝釋放的潛熱通過(guò)玻璃與外界周?chē)h(huán)境發(fā)生熱輻射和逡逑熱對(duì)流進(jìn)行散熱。凝結(jié)的水順著頂蓋流下

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 Ming Zhou;Zongfu Yu;;Artificial transpiration: an efficient means of waste-water treatment[J];National Science Review;2018年02期

2 Xiuqiang Li;Renxing Lin;George Ni;Ning Xu;Xiaozhen Hu;Bin Zhu;Guangxin Lv;Jinlei Li;Shining Zhu;Jia Zhu;;Three-dimensional artificial transpiration for efficient solar waste-water treatment[J];National Science Review;2018年01期

本文編號(hào)：2765352