淡水資源短缺是二十一世紀(jì)最嚴(yán)重的全球性問(wèn)題之一。太陽(yáng)能熱局域蒸發(fā)技術(shù)由于其高效的光熱轉(zhuǎn)換效率和優(yōu)良的蒸發(fā)性能,在解決淡水資源短缺問(wèn)題上具有巨大的潛力。本論文從熱力學(xué)的角度出發(fā),利用合理的實(shí)驗(yàn)手段設(shè)計(jì)了不同的太陽(yáng)能熱局域蒸發(fā)系統(tǒng),優(yōu)化了各種影響系統(tǒng)蒸發(fā)性能的因素并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行熱損失分析。探討了光熱層顆粒濃度、隔熱層的厚度、隔熱層的孔隙率等因素對(duì)蒸發(fā)性能的影響,解決了供水速率和入射能量不匹配以及室外太陽(yáng)輻照密度持續(xù)變化導(dǎo)致的蒸發(fā)效率低下的問(wèn)題,克服了樣品在實(shí)際應(yīng)用中力學(xué)性能差,穩(wěn)定性弱的困難。具體內(nèi)容如下:（1）將通過(guò)生物質(zhì)為原料經(jīng)碳化得到的碳顆粒涂覆在無(wú)塵紙上,制備出典型的雙層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。對(duì)系統(tǒng)的微觀結(jié)構(gòu)、干濕狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)、光吸收效率和表面溫度進(jìn)行了表征。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法研究無(wú)塵紙厚度對(duì)蒸發(fā)性能的影響,得到了提高蒸發(fā)速率的最佳厚度。使用同樣的方法探究了碳顆粒濃度對(duì)蒸發(fā)速率的影響,得到了提高蒸發(fā)性能的最佳碳顆粒濃度。在1個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)度的照射下,系統(tǒng)的蒸發(fā)速率和蒸發(fā)效率分別可達(dá)到0.964 kg?m^-2?h^-1和70%左右,是太陽(yáng)能熱局域蒸發(fā)系統(tǒng)應(yīng)用的... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：95 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

世界（a）水資源和（b）太陽(yáng)能能量分布圖

1緒論3圖1-2典型雙層界面太陽(yáng)蒸發(fā)系統(tǒng)的（a）示意圖和（b）總體策略/結(jié)構(gòu)方案Figure1-2(a)Athermallocalizeddoublelayerstructuresystem.(b)Theoverallstrategy/structureschemeofatypicaldouble-layeredinterfacialsolarevaporationsystem一個(gè)典型的太陽(yáng)能熱局域化雙層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要包括頂層和底層兩個(gè)部分，如圖1-2b所示[51-53]。頂層由光熱轉(zhuǎn)換材料組成，具有高效太陽(yáng)光吸收特性并將光轉(zhuǎn)換成熱能，加熱水以實(shí)現(xiàn)水到水蒸氣的快速轉(zhuǎn)換。底層又稱(chēng)為保溫層，為了獲得較高的蒸汽蒸發(fā)效率，保溫層應(yīng)具有以下三個(gè)特性：（1）低導(dǎo)熱性，以阻止熱量散失到塊狀水中，使熱量集中在空氣-水界面；（2）親水和多孔性，通過(guò)毛細(xì)力將散裝水有效得輸送到蒸發(fā)表面；（3）密度低，以確保整個(gè)結(jié)構(gòu)在水面上自然漂浮[54-57]。這種熱局域化海水淡化系統(tǒng)在合理的能量和物質(zhì)管理下，具有良好的產(chǎn)生蒸汽的能力，近年來(lái)成為科學(xué)研究熱點(diǎn)[58-61]。1.2太陽(yáng)能熱局域化中的光熱轉(zhuǎn)換(Photothermalconversioninsolarthermallocalization)太陽(yáng)能熱局域化中的光熱轉(zhuǎn)換過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，主要由金屬納米粒子的局域等離激元共振（圖1-3a）、半導(dǎo)體的帶隙躍遷（圖1-3b）和分子的熱振動(dòng)（圖1-3c）三種模式觸發(fā)[62-65]。當(dāng)入射光的能量與實(shí)現(xiàn)電子躍遷所需的能量相匹配時(shí)，光熱材料分子內(nèi)的電子將被激發(fā)到一個(gè)更高的能量狀態(tài)，即光激發(fā)[66]。在這個(gè)過(guò)程中，光子的能量被電子吸收，這表明光在宏觀上被吸收了[67,68]。然而，由于高能態(tài)的電子極不穩(wěn)定，這些高能態(tài)電子將通過(guò)弛豫返回到低能態(tài)。弛豫是自發(fā)進(jìn)行的，通過(guò)產(chǎn)生光子的輻射或者產(chǎn)生熱載流子（包括電子、電子空穴對(duì)和聲子）的非輻射釋放能量[69]。通過(guò)電子-電子、電子-聲子和聲子-聲子相互作用，這些熱載流子將?

碩士學(xué)位論文4圖1-3各種光熱材料的光熱機(jī)制：（a）等離子體加熱，（b）電子空穴的產(chǎn)生和弛豫，（c）分子的熱振動(dòng)。（d）波長(zhǎng)范圍為300納米至2.5毫米的太陽(yáng)光譜輻射Figure1-3Photothermalmechanismsofvarioustypesofphotothermalmaterials:(a)Plasmonicheating,(b)electron-holegenerationandrelaxationand(c)thermalvibrationofmolecules.(d)Solarspectralirradiationacrossawavelengthrangeof300nmto2.5mm為了提高光熱轉(zhuǎn)換效率，光熱材料應(yīng)具有覆蓋整個(gè)太陽(yáng)光譜的寬吸收光譜[71]。根據(jù)AM1.5標(biāo)準(zhǔn)，入射到系統(tǒng)表面的太陽(yáng)光可分為三個(gè)部分（如圖1-3d），其中紫外光（300-400nm）約占3%，可見(jiàn)光（400-700nm）約占45%，近紅外光（700-2500）約占52%[72]。因此，應(yīng)用于太陽(yáng)能海水淡化的光熱轉(zhuǎn)換材料需要具有覆蓋紫外、可見(jiàn)光和近紅外的寬吸收光譜。這里我們要注意的是，水本身盡管不能很好地吸收可見(jiàn)光（<1000nm），但是對(duì)近紅外光（>1300nm）具有很強(qiáng)的吸收能力，這表明水可以吸收太陽(yáng)光譜中波長(zhǎng)在1300nm到2500nm之間的光[73]。在選擇光熱轉(zhuǎn)換材料時(shí)，不應(yīng)優(yōu)先考慮材料近紅外吸收能力�；谏鲜鲇懻撘约敖┠昙{米技術(shù)的迅速發(fā)展，太陽(yáng)能熱局域化海水淡化技術(shù)中光熱轉(zhuǎn)換材料的研究也取得了顯著成就。各種各樣的材料被用于太陽(yáng)能光熱轉(zhuǎn)換中，其中很多材料正是基于納米粒子的局域等離激元共振。金納米顆粒具有與太陽(yáng)光中可見(jiàn)光和紅外光譜的等離子體響應(yīng)，但是其光學(xué)性能與其形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)等內(nèi)部結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。例如，Zhou等人通過(guò)自組裝在多孔基底的表面和通道沉積具有隨機(jī)尺寸的金納米顆粒，從而實(shí)現(xiàn)有效的光吸收，在400nm到10μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)產(chǎn)生99%的光吸收效率（圖1-4a）[74]。其他的金屬納米顆粒如銀、銅、鋁、鎳等也被廣泛應(yīng)用?

【參考文獻(xiàn)】：
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