近幾十年來,隨著需求的穩(wěn)步增長,以及工業(yè)發(fā)展所造成的水資源破壞,淡水資源的稀缺對人類社會的可持續(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)機理,以期為雙層海水淡化系統(tǒng)的改進、優(yōu)化以及拓展提供一定參考。對于宏觀系統(tǒng),我們基于有限元方法建立并優(yōu)化了由實驗驗證的宏觀傳熱傳質(zhì)計算模型,然后分析了各類影響因素對雙層結(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,惡化其邊界散熱條件;而要想獲得較高的蒸發(fā)效率,改善水蒸汽的輸運條件將更行之有效,此時產(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;相對于多孔材料的熱導(dǎo)率,雙層結(jié)構(gòu)的有效熱導(dǎo)率對系統(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,對于第一層材料,我們基于有限元方法建立由Mie散射理論驗證的納米顆粒光熱轉(zhuǎn)化數(shù)值計算模型,然后從單納米顆粒組成的零維系統(tǒng)出發(fā)層層遞進的分析研究了太陽光全光譜下納米顆粒的擁擠效應(yīng),進而發(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)動離子輸運數(shù)值計算模型,然后研究分析納米通道內(nèi)與多孔材料內(nèi)熱驅(qū)動離子的輸運問題,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)的通道長度(約為85 h)使其熱致功率最大。而多孔材料內(nèi)熱驅(qū)動離子輸運造成的熱電流(約為27.2 mA)、熱電勢(約為63.7 mV)以及熱致功率(約為433.2μW)足以驅(qū)動商用電氣元件,因此直接利用多孔材料內(nèi)熱驅(qū)動離子的輸運性能進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】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：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，對于一些偏遠地區(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)進行光熱蒸計的雙層結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由負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，以達到在低聚光條件下增強太的。該研究表明，在太陽輻射強度為 10 個太陽時，其系統(tǒng)光熱蒸汽轉(zhuǎn)，同時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，進金納米顆粒通過自組裝的方法與多孔模板有機結(jié)合，制備了一個該光吸收體在 200nm 到 10000nm 波段實現(xiàn)了高達 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%，被認為是太陽能海水淡化的絕佳體系給出完美解釋，這一點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太陽輻射強度下，將 3.6mg 的金m 的電漿膜上得到了一個蒸發(fā)效率為 85%的蒸發(fā)裝置。

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本文編號：2810745