太阳能热局域蒸发系统影响因素的实验研究

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理想选择。(2)通过在烧结了的锯末膜上涂抹碳颗粒的方法,构建了一种双层太阳能热局域蒸发系统。首先对系统进行了一系列的表征,然后探讨了隔热层孔隙率对系统蒸发性能的影响。水扩散系数增大的正效应和锯末膜导热系数增大的负效应共同决定了提高蒸发效率的最佳孔隙率。系统的蒸发速率和蒸发效率在1 kW?m~(-2)的太阳光照射下分别达到1.2 kg?m~(-2)?h~(-1)和77.64%。此项工作对于其他太阳能热局域蒸发系统隔热层的设计具有一定的启发作用。(3)研究了一种独特的炭黑-纤维素海绵体系,该体系中的水不是从块状水中吸收的,而是通过可调节的注水设备注入的。通过合理地将注水速率与入射能量相匹配来降低能量损失,该系统(91.5%)可以大大提升系统蒸发效率近10%。在较低的辐照密度下,由于表面温度低于环境温度,蒸发效率可突破理论值的100%。考虑到成本低、制备简单、热管理性能好、蒸发效率高的特点,我们认为碳黑/纤维素海绵注水系统可以提供一种可靠有效的蒸汽生成途径。(4)采用真空过滤法,制备了炭黑/聚乙烯亚胺细菌纤维素(CPB)光热膜。首先对CPB膜的微观结构,力学性能进行表征,证实了CPB膜具有较好的结构强度。探讨了炭黑颗粒浓度和聚乙烯亚胺浓度对光吸收能力和吸水能力的影响。CPB膜在一个太阳光辐照下的蒸发效率可达85.05%左右。CPB膜具有成本低、制作简单、力学性能好、可扩展性好、脱盐能力强等优点,为实际应用提供了一条可行的途径。该论文有图47幅,表2个,参考文献115篇。