CN109654463B - 一种基于气泡群耦合纳米流体粒子的太阳能蒸发系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于气泡群耦合纳米流体粒子的太阳能蒸发系统，包括压缩空气源、高精度微流控组件、气泡群发生装置、太阳能蒸发容器和蒸汽冷凝收集装置等。其中气泡群发生装置内置于太阳能蒸发容器内，与压缩空气源和微流控组件通过管路连接；压缩空气源提供稳定气源，通过微流控组件调控气泡群发生装置中微气泡的大小；蒸汽冷凝收集装置位于太阳能蒸发容器上方，收集太阳能蒸发产生的蒸汽。本发明利用气泡群耦合纳米流体粒子技术，将光能吸收中心纳米流体粒子和光能散射中心气泡群的两种功能进行空间分离，与传统技术相比，可在低浓度纳米流体粒子的情况下，实现对太阳光能的高效光热转化与利用。
Description
技术领域
本发明属于可再生能源领域，具体涉及一种基于气泡群耦合纳米流体的太阳能蒸发系统。
背景技术
随着社会发展，能源与环境问题日益突出，太阳能以其资源总量大、分布广泛、清洁无二次污染等优点在能源、动力、航空航天、民生等领域有着重要应用。如何充分的利用太阳能这种丰富绿色资源是能源战略的当务之急。目前国内外对太阳能利用主要有以下几种方式：光电转化、光热转化和光化学转化。其中光热转换是一种非常重要的方式，利用纳米流体体吸收太阳能是太阳能利用领域的重要研究方向。但纳米流体的应用效果好坏受制于其浓度的限制。浓度过低，太阳能的热限定性差，太阳光会大部分透过加热水体而不用于产生蒸汽；浓度过高，热限定好，能量集中于空气和水的界面产生蒸汽，但纳米流体自身高昂的价格限制了其大规模应用。
纳米流体体吸收太阳能利用是太阳能光热转换的基本途径，本发明是在该技术的基础上，利用微气泡群对太阳光的散射技术及其高效吸湿能力来提高太阳能蒸发效率。通过气泡散射和纳米流体吸收的耦合作用增强太阳能光热转化效率，实现低浓度纳米流体高效太阳能光热转化。光热蒸发水产生的蒸汽可进行收集，此蒸发系统可应用于海水淡化、污水处理、蒸发制冷、太阳能杀菌、自驱动蒸发发电等多个领域。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种基于气泡群耦合纳米流体粒子的太阳能蒸发系统，用以提高太阳能光热转化效率，实现绿色能源的高效转化与利用。
一种基于气泡群耦合纳米流体粒子的太阳能蒸发系统，包括气泡群发生装置、太阳能蒸发容器、压缩空气源、高精度微流控组件、纳米流体粒子、冷凝装置、储水装置，其特征在于：利用气泡群和纳米流体粒子的耦合，被太阳光直接照射的纳米流体粒子由于光热效应变为加热纳米流体粒子；而照射在气泡群上的太阳光能被进多次散射、反射，反射和散射的太阳光照射在纳米流体粒子上被其二次吸收，增强了纳米流体粒子对太阳光能量的吸收，吸收能量的所述纳米流体粒子把热量传递给周围的水，加速其蒸发。
进一步，所述的气泡群发生装置位于所述太阳能蒸发容器的底部，通过管路与所述压缩空气源连接；所述高精度微流控组件用来调控气体的压力和流量；纳米流体粒子放置于太阳能蒸发容器中；所述太阳能蒸发容器中产生的水蒸气在所述冷凝装置内冷凝成水滴，收集于所述储水装置中。
进一步，所述的太阳能蒸发容器底部开孔，所述气泡群发生装置与所述开孔对应。
进一步，所述气泡群的流态和物理参数取决于气体压力、流量和所述气泡群发生装置的平均孔径。
进一步，所述物理参数包括气泡群的尺寸大小和发泡频率。
进一步，所述冷凝装置设置于所述太阳能蒸发容器的顶部，并倾斜放置。
进一步，所述冷凝装置为冷凝板。
进一步，所述纳米流体粒子包括金属等离子体纳米材料、碳基纳米材料或半导体纳米材料。
进一步，所述金属等离子体纳米材料包括金、银、铜、铝、镍。
进一步，所述碳基纳米材料包括碳纳米管、石墨烯及其衍生物或其他各类定型或无定型的碳材料。
进一步，所述半导体纳米材料包括黑色二氧化钛、硫化铜。
进一步，所述压缩空气源为气体钢瓶。
进一步，所述高精度微流控组件包括针阀、流量计。
本发明具有如下优点：
（1）本发明在传统技术基础上引入气泡群，将太阳光的吸收中心和散射中心分离。
（2）本发明所引入的微气泡群廉价（空气或二氧化碳等）、稳定且操作简单，可降低传统技术中纳米流体的浓度，节约成本。
（3）本发明太阳能光热蒸发水生成水蒸气的效率高，清洁无污染，具有很高性价比优势。
（4）本发明可用于海水淡化、污水处理、太阳能灭菌、蒸发制冷、自驱动蒸发发电等领域，为传统的水处理技术能力提升及工程应用提出了新的思路及解决方案。
附图说明
图1为气泡群耦合纳米流体的作用原理图；
图2为本发明的一种基于气泡群纳米流体的太阳能蒸发系统一实施例的示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例和附图对本发明进行详细的说明。
图1为气泡群与纳米流体耦合作用原理图。如图所示，太阳光9辐射纳米流体粒子7的情况下，太阳光9从上方入射进入水体，照射在部分纳米流体粒子7上的太阳光由于光热效应热量会被纳米流体吸收，变为受热的纳米流体粒子11，未被吸收的太阳光9会透过水体。
只存在气泡群6的情况下，太阳光9从上方照入水体，气泡群6不会吸收太阳光9，但会对太阳光向四周散射，改变太阳光的入射路径，使太阳光9从向周围流体散射。
在气泡群6和纳米流体粒子7耦合情况下，当太阳光9从上方辐射水体，分别照射到纳米流体粒子7和气泡群6上，直接照射在纳米流体粒子7上的太阳光能由于光热效应变为加热纳米流体粒子11，最后传递给周围流体；照射在气泡群6上的太阳光能被进多次散射、反射，反射的太阳光9照射在纳米流体粒子7上进行生热蒸发。二者的耦合作用增强了纳米流体粒子7对太阳光能量的吸收。纳米流体粒子7，由于自身的高效光热转化效应，对太阳光吸收效率高，可作为太阳能蒸发技术中的光能吸收中心。微气泡群6可以对入射的太阳光进行多次全方向散射和反射，延长太阳光的入射路径，可作为太阳能蒸发技术中的散射中心。纳米流体粒子7作为太阳能的光能吸收中心，用于全光谱或多波段吸收太阳的光能，其吸收的太阳光可分为两部分：一部分是直接照射到纳米流体粒子7表面的太阳光，另一部分是经过气泡群6散射和反射到纳米流体粒子表面二次吸收的太阳光。
图2为本发明的气泡群强化纳米流体的太阳能蒸发系统装置的一实施例的示意图，本系统利用了图1示出的气泡群与纳米流体耦合作用原理。气泡群纳米流体的太阳能蒸发系统包括气体钢瓶1、针阀2、流量计3、气泡群发生装置4、储水装置5、气泡群6、纳米流体粒子7、冷凝装置8、太阳能蒸发容器12。
气体钢瓶1内装压缩空气，作为稳定气源经针阀2控制压力，流量计3监测并调节气体流量大小，通过管路与气泡群发生装置4相连接。在太阳能蒸发容器12的底部开孔，气泡群发生装置与该孔对应放置。
气泡群发生装置4通过金属烧结而成，该装置可广泛应用于微纳气泡群的生成，气泡群发生装置的平均孔径大小可调，通过供气压力及其尺寸可调控气泡直径大小。
气泡群6由气泡群发生装置4产生，气体压力大小、气体流量以及气泡群发生装置的平均孔径大小影响气泡群6的流态和物理参数，物理参数如气泡群的尺寸大小和发泡频率。在整个系统中，气泡群6作为光散射和反射中心，对太阳光起到散射和反射作用，增加纳米流体粒子对太阳光的吸收射机率。在将气泡群6通入太阳能蒸发容器中，其可以对照射进来的太阳光进行各方向的散射，增加了太阳光的入射路径，同时可使太阳光多次反射到周围的纳米流体粒子上，增强了纳米流体粒子对太阳光的吸收。微气泡群通过气泡群纳米流体多相界面，实现高效的热质传递， 同时减小了流体的导热系数，阻碍了热量向流体深部传递，较好的实现了热限定。
太阳能蒸发容器12，上端是倾斜的冷凝装置8，冷凝装置8连接着储水装置5。冷凝装置8可为冷凝板。
纳米流体粒子7可包括金、银、铜、铝、镍等金属等离子体纳米材料，还可以是碳基纳米材料，如碳纳米管、石墨烯及其衍生物及其他各类定型或无定型的碳材料，或一些半导体纳米材料，如黑色二氧化钛、硫化铜等。
基于气泡群纳米流体的太阳能蒸发系统的工作流程为：在太阳能蒸发容器12中加入纳米流体粒子溶液，打开气体钢瓶1，通过针阀2调控气体流量，从流量计3上读数，气泡群发生装置4会随着气体流量的大小改变气泡流态，太阳能蒸发容器12上端封闭，受太阳光9照射。一方面纳米流体粒子7直接吸收太阳光，另一方面，气泡群6可将太阳光散射和反射到纳米流体粒子7上，由于二者的耦合作用，低浓度的纳米粒子可比拟高浓度纳米粒子对太阳光的吸收强度。而后纳米流体粒子7高效产热加热周围的流体，同时太阳光也会直接对水进行加热，两者使得太阳能蒸发容器12中的水温升高，加速蒸发生成蒸汽，产生的水蒸气在冷凝装置8内冷凝成水滴，会沿着冷凝装置8流入储水装置5中。
综上所述，本发明提出基于气泡群耦合纳米流体粒子的太阳能蒸发系统，利用产生的微气泡群，将太阳能蒸发技术中的吸收中心和散射中心分离，可大幅度的提高光热转化产生蒸汽的效率，降低所需纳米流体粒子的浓度，节约成本同时提高了蒸汽产率。因此，该原理及系统具有很强的科学创新性及技术竞争力，有很广泛的工业应用前景。
Claims (10)
1.一种基于气泡群耦合纳米流体粒子的太阳能蒸发系统，包括气泡群发生装置、太阳能蒸发容器、压缩空气源、高精度微流控组件、纳米流体粒子、冷凝装置、储水装置；所述气泡群发生装置位于所述太阳能蒸发容器的底部，通过管路与所述压缩空气源连接，所述太阳能蒸发容器底部开孔，所述气泡群发生装置与所述开孔对应；所述高精度微流控组件用来调控气体的压力和流量；所述纳米流体粒子放置于所述太阳能蒸发容器中；其特征在于：利用气泡群和纳米流体粒子的耦合，被太阳光直接照射的纳米流体粒子由于光热效应变为加热纳米流体粒子；而照射在气泡群上的太阳光能被进多次散射、反射，反射和散射的太阳光照射在纳米流体粒子上被其二次吸收，增强了纳米流体粒子对太阳光能量的吸收，吸收能量的所述纳米流体粒子把热量传递给周围的水，加速其蒸发；所述太阳能蒸发容器中产生的水蒸气在所述冷凝装置内冷凝成水滴，收集于所述储水装置中，所述冷凝装置设置于所述太阳能蒸发容器的顶部，并倾斜放置。
2.根据权利要求1所述的一种基于气泡群耦合纳米流体粒子的太阳能蒸发系统，其特征在于：所述气泡群的流态和物理参数取决于气体压力、流量和所述气泡群发生装置的平均孔径。
3.根据权利要求2所述的一种基于气泡群耦合纳米流体粒子的太阳能蒸发系统，其特征在于：所述物理参数包括气泡群的尺寸大小和发泡频率。
4.根据权利要求1所述的一种基于气泡群耦合纳米流体粒子的太阳能蒸发系统，其特征在于：所述冷凝装置为冷凝板。
5.根据权利要求1所述的一种基于气泡群耦合纳米流体粒子的太阳能蒸发系统，其特征在于：所述纳米流体粒子包括金属等离子体纳米材料、碳基纳米材料或半导体纳米材料。
6.根据权利要求5所述的一种基于气泡群耦合纳米流体粒子的太阳能蒸发系统，其特征在于：所述金属等离子体纳米材料包括金、银、铜、铝、镍。
7.根据权利要求5所述的一种基于气泡群耦合纳米流体粒子的太阳能蒸发系统，其特征在于：所述碳基纳米材料包括碳纳米管、石墨烯及其衍生物或其他各类定型或无定型的碳材料。
8.根据权利要求5所述的基于气泡群耦合 纳米流体的太阳能蒸发系统，其特征在于：所述半导体纳米材料包括黑色二氧化钛、硫化铜。
9.根据权利要求1所述的基于气泡群耦合 纳米流体的太阳能蒸发系统，其特征在于：所述压缩空气源为气体钢瓶。
10.根据权利要求1所述的基于气泡群耦合 纳米流体的太阳能蒸发系统，其特征在于：所述高精度微流控组件包括针阀、流量计。
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