CN112897617B - 一种金字塔形太阳能光热蒸发器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金字塔形太阳能光热蒸发器，包括隔热层、输水通道和金字塔形光热蒸发结构。所述金字塔形光热蒸发结构包括四个光热吸收面，每个光热吸收面均包含若干从金字塔顶延伸至底部的渐扩集水微流道；其从表层到底部依次为等离激元纳米颗粒表层、中间亲水层、底层基底。所述输水通道由吸水棉芯组成，吸水棉芯位于所述隔热层内设置的平行孔道内，其下端伸入到水体中，上端与光热吸收面集水微流道相连。该发明金字塔形三维光热蒸发结构大大增加了光热蒸发面积，同时利用等离激元纳米颗粒实现高效光热转换，此外集水微流道及亲水层保证了蒸发水的快速充分供应，从而实现高效太阳能蒸发及海水淡化。本发明还提供了上述蒸发器的制备方法。

Description

一种金字塔形太阳能光热蒸发器及其制备方法
技术领域
本发明涉及光热蒸发技术领域，特别是涉及一种三维形式的金字塔形太阳能光热蒸发器及其制备方法。
背景技术
海水淡化是解决水资源短缺的理想途径。基于太阳能光热蒸发的海水淡化技术，由于绿色无污染、能源利用持续度高的优点，已被广泛的应用于海水淡化等领域，成为净化水、解决水资源短缺的新兴途径，尤其为偏远地区、海岛等小范围的家庭用水提供了可行性的解决方法。
目前提出的太阳能光热转换界面蒸发结构，以二维平面式光热结构为主，其厚度很薄，通常直接悬浮或漂浮在海水表面进行光热转换，吸收体与海水液面直接接触，通过加热光热结构附近的薄层水产生蒸汽，进行盐分与淡水的分离。然而在上述过程中，由于漂浮于界面的薄膜结构厚度较薄，故向下部水体热量散失大，造成严重的热损耗。此外，目前已出现的的二维平面光热转换结构有效蒸发面积较少，且平面式结构对太阳光入射角度要求高，易造成光反射和散射损失，故而光吸收效率和光热转换效率偏低。
为此，三维光热蒸发结构成为太阳能光热蒸发的理想选择。然而目前的三维光热蒸发结构通常是吸收体与供水通道分离设计，供水通道仅将水输运至光热吸收体的某一点，再依赖于光吸收层表面的亲水特性逐渐润湿全部吸收层，易存在集水能力偏低、供水不足等难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种金字塔形太阳能光热蒸发器，大大增加有效光热蒸发面积，降低了光热吸收结构对光照射角度的要求，且其供水通道设置于吸收体表面层，大大提高了水的输运速率，从而提高光吸收效率和光热转换效率。
本发明的另一目的在于提供上述金字塔形太阳能光热蒸发器的制备方法。
本发明通过以下技术方案来实现：
一种金字塔形太阳能光热蒸发器，包括：隔热层、输水通道和金字塔形光热蒸发结构；
所述隔热层内部沿着高度方向含有若干平行设置的输水通道，所述金字塔形光热蒸发结构位于隔热层上方，所述隔热层漂浮于水体表面；
所述金字塔形光热蒸发结构的侧面为四个光热吸收面，每个光热吸收面均包含若干从金字塔顶延伸至底部的集水微流道，所述集水微流道的宽度沿着金字塔顶至底部的方向逐渐增大；所述集水微流道与输水通道连通；
所述金字塔形光热蒸发结构，从表层到内部依次为等离激元纳米颗粒表层、中间亲水层、底层基底。
在一较佳实施例中：所述输水通道为吸水棉芯；所述吸水棉芯位于所述隔热层内设置的平行孔道内；所述吸水棉芯的下端伸入到水体中，上端与所述微流道相连。
在一较佳实施例中：所述隔热层材料为聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫、硅基多孔材料中的一种。
在一较佳实施例中：所述输水通道为环矩形等距排列；输水通道的直径为 2-5mm，数目为24-40个。
在一较佳实施例中：所述微流道在金字塔底部一侧的宽度为0.25-0.5mm，深度为0.25-0.5mm，相邻两微流道的间距为1-3mm。
在一较佳实施例中：所述金字塔形光热蒸发结构的基底材料为聚二甲基硅氧烷，其表面含有10-30nm厚的等离激元纳米颗粒。
在一较佳实施例中：所述等离激元纳米颗粒包括金、银、铂、铜、铝等金属纳米颗粒及四氧化三铁等金属氧化物颗粒中的一种或几种组合。
本发明还提供了一种如上所述的一种金字塔形太阳能光热蒸发器的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备倒金字塔形模具，并浇注聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚液，在烘箱仲烘干后冷却至室温,剥离PDMS固化块体，得到金字塔形基底；
(2)采用等离子刻蚀方法，在金字塔基底四个侧面分别进行等离子刻蚀，分别加工出宽度沿着金字塔顶至底部方向逐渐增大的集水渐扩微流道；
(4)采用氦等离子体处理方法，将金字塔基底结构置于等离子体清洗器密闭仓中，使表层PDMS材料完全氧化，形成具有类二氧化硅亲水层；
(5)采用溅射镀膜方法，将金字塔基底结构置于离子溅射仪真空室中，使待沉积侧面保持水平，采用金靶材进行溅射镀膜；再调转金字塔侧面，重复相同操作，直至金字塔结构四个侧面均溅射完成，从而得到表面含有10-30nm 厚的等离激元纳米颗粒、且均布有微流道的金字塔形光热蒸发结构；
(6)将金字塔形光热蒸发结构置于隔热层上方，并将吸水棉芯置于隔热层内部的平行孔道中，形成输水通道，从而得到完整的金字塔形太阳能光热蒸发器。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)金字塔形三维光热蒸发结构，相比于二维平面光热蒸发结构而言，显著降低了对光照入射角度的要求，大大增加了实际光热蒸发面积。
(2)金字塔形光热蒸发结构表面集水微流道的设计，大大提高了水在光热吸收体表面的输运速度，确保光热结构蒸发过程中充足的水供应。
(3)隔热泡沫内嵌吸水棉芯结构的设计，大大降低了光热吸收层向下部水体热传导损失，同时不影响水体向光热蒸发结构的供水，从而保证光热蒸发过程的持续进行。
(4)等离激元纳米颗粒的应用，在光热转换中能充分发挥热局域性能，自发抑制对整个水体的加热，且等离激元纳米颗粒可覆盖全太阳光谱，有效提高了光吸收效率。
附图说明
图1为本发明中金字塔形太阳能光热蒸发器工作原理图；
图2为本发明中金字塔形太阳能光热蒸发器结构示意图；
图3为本发明中金字塔光热吸收结构放大图及截面图；
图4为本发明中隔热层截面形状示意图；
图中：1.隔热层；2.输水通道；3.金字塔形光热蒸发结构；4.集水微流道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶 /底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
结合图1-图4，本实施例提供了一种金字塔形太阳能光热蒸发器，包括隔热层1、输水通道2和金字塔形光热蒸发结构3；
所述隔热层1内部沿着高度方向设置有若干平行输水通道2，所述金字塔形光热蒸发结构3位于隔热层1上方，所述隔热层1漂浮于水体表面。
所述金字塔形光热蒸发结构3的侧面包括四个光热吸收面，每个光热吸收面均包含若干从金字塔顶延伸至底部的集水微流道4，所述集水微流道的宽度沿着金字塔顶至底部的方向逐渐增大；所述集水微流道4与输水通道连通。
所述金字塔形光热蒸发结构3，从表层到内部依次为等离激元纳米颗粒表层、中间亲水层、底层基底。
在本实施例中，所述隔热层1中设有多个上下相通的平行孔道，平行孔道内嵌有条状的吸水棉芯，吸水棉芯下端伸入到水体中作为输水通道2，吸水棉芯的上端与光热吸收面的集水微流道4相连，下端伸入到水体中。
本实施例中，所述隔热层为圆柱形状，其直径D为50mm，厚度C为20mm。所述隔热层材料为聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫、硅基多孔材料中的一种。
本实施例中，所述的输水通道为环矩形等距排列，输水通道的直径d1为 2-5mm，相邻两通孔圆心距n为5mm，通孔数目为24-40个。
本实施例中，所述金字塔形光热蒸发结构3高H为12-40mm，底面形状为正方形，边长L为30-50mm。
本实施例中，所述集水微流道4为自金字塔顶至底部渐扩式V形微流道，底部流道宽t为0.25mm，流道深h为0.25mm，相邻两微流道间距d为1mm。
本实施例中，所述金字塔形光热蒸发结构3基底材料为聚二甲基硅氧烷 (PDMS)，其表面含有10-30nm厚的等离激元纳米颗粒。所述等离激元纳米颗粒包括金、银、铂、铜、铝等金属纳米颗粒及四氧化三铁等金属氧化物颗粒中的一种或几种组合。
在本实施例中，所述金字塔形太阳能光热蒸发器的制备方法，包括以下步骤：
(1)金字塔形凹陷模具的制备：采用机械加工方法，制备倒金字塔形模具，模具尺寸参数与金字塔相同，即深度为12-40mm，顶面形状为正方形，其边长为30-50mm。
(2)PDMS预聚液的制备：将PDMS主剂和固化剂按质量比例为15:1-10： 1的比例进行机械搅拌10-30分钟，超声分散10-30分钟，再进行真空脱气处理0.5-1小时，得到没有气泡的PDMS预聚液；
(3)金字塔形基底制备成形：将上述PDMS预聚液浇注于三维金字塔状模具中，将其置于烘箱中于70-100℃保持4h，后取出并冷却至室温,剥离PDMS 固化块体，形成金字塔形基底33；
(4)光热吸收面集水微流道的加工：利用刻蚀机对金字塔结构四个侧面分别进行氧等离子刻蚀，加工宽0.25mm、深0.25m、间距1mm的V形微流道。每个侧面流道数目为20-24个。控制氧气速率为20-40mL/min，压力保持在 10-20Pa，加工功率为150-200W。
(5)金字塔形基底表面亲水化处理：将上述具有微流道的金字塔基底置于等离子体清洗器密闭仓中，对结构表面进行氦等离子体处理。控制氦气速率为20-40mL/min，压力保持在20-30Pa，加工功率为200-300W。使表层PDMS材料完全氧化，形成类二氧化硅亲水层32。
(6)金字塔表面等离激元纳米颗粒的溅射沉积：将亲水化处理后的金字塔结构装夹于离子溅射仪真空室中的基底平台上，使待沉积侧面保持水平，采用金靶材进行溅射镀膜。控制真空室内氩气进气速率为80-100mL/min，压力保持在0.6-2Pa，溅射金速率为2-4nm/min，溅射时间控制在5-10min。从而得到表层为等离激元纳米颗粒层31、中间层为亲水层32、底层为金字塔形基底33 的光热蒸发结构，如图3所示。
(7)溅射完成后，调转金字塔侧面，重复步骤(5)中相同操作，直至金字塔结构四个侧面均溅射完成，从而得到表面沉积有20nm厚金薄膜、且均布有V形微流道的三维金字塔形光热蒸发结构。
(8)将金字塔形光热蒸发结构3置于隔热层1上方，并将吸水棉芯置于隔热层1内部平行孔道中，形成输水通道2，从而得到完整的金字塔形太阳能光热蒸发器。
太阳能光热蒸发器工作原理如下：
结合图1分析，隔热层1漂浮于海水水体表面，隔热层1中的吸水棉芯首先将烧杯内的水吸到隔热层上部，三维金字塔结构3的表面亲水层及集水微流道4，通过毛细作用力将输运上来的水迅速吸液扩散至整个三维结构表面。当光照射在金字塔结构表面时，金字塔表面吸收层的金纳米颗粒吸收太阳光，通过等离激元效应产生局域热，大大加快光热转换、水蒸发，从而实现海水中水与盐分的蒸馏分离，实现太阳能海水淡化。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (5)

1.一种金字塔形太阳能光热蒸发器的制备方法，其特征在于，所述金字塔形太阳能光热蒸发器包括：隔热层、输水通道和金字塔形光热蒸发结构；
所述隔热层内部沿着高度方向含有若干平行设置的输水通道，所述金字塔形光热蒸发结构位于隔热层上方，所述隔热层漂浮于水体表面；
所述金字塔形光热蒸发结构的侧面为四个光热吸收面，每个光热吸收面均包含若干从金字塔顶延伸至底部的集水微流道，所述集水微流道的宽度沿着金字塔顶至底部的方向逐渐增大；所述集水微流道与输水通道连通；
所述金字塔形光热蒸发结构，从表层到内部依次为等离激元纳米颗粒表层、中间亲水层、底层基底；
其制备方法包括如下步骤：
（1）制备倒金字塔形模具，并浇注聚二甲基硅氧烷预聚液，在烘箱中烘干后冷却至室温,剥离聚二甲基硅氧烷固化体，得到金字塔形基底；
（2）采用等离子刻蚀方法，在金字塔基底四个侧面分别进行等离子刻蚀，分别加工出宽度沿着金字塔顶至底部方向逐渐增大的渐扩集水微流道；
（3）采用氦等离子体处理方法，将金字塔基底结构置于等离子体清洗器密闭仓中，使表层聚二甲基硅氧烷材料完全氧化，形成具有类二氧化硅亲水层；
（4）采用溅射镀膜方法，将金字塔基底结构置于离子溅射仪真空室中，使待沉积侧面保持水平，采用金靶材进行溅射镀膜；再调转金字塔侧面，重复相同操作，直至金字塔结构四个侧面均溅射完成，从而得到表面含有10-30nm厚的等离激元纳米颗粒、且均布有微流道的金字塔形光热蒸发结构；
(5)将金字塔形光热蒸发结构置于隔热层上方，并将吸水棉芯置于隔热层内部的平行孔道中，形成输水通道，从而得到完整的金字塔形太阳能光热蒸发器。
2.根据权利要求1所述的一种金字塔形太阳能光热蒸发器的制备方法，其特征在于：所述输水通道为吸水棉芯；所述吸水棉芯的下端伸入到水体中，上端与所述集水微流道相连。
3.根据权利要求1所述的一种金字塔形太阳能光热蒸发器的制备方法，其特征在于：所述隔热层材料为聚苯乙烯泡沫、聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫、硅基多孔材料中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种金字塔形太阳能光热蒸发器的制备方法，其特征在于：所述若干平行设置的输水通道呈环矩形等距排列；输水通道的直径为2-5mm，数目为24-40个。
5.根据权利要求1所述的一种金字塔形太阳能光热蒸发器的制备方法，其特征在于：所述集水微流道在金字塔底部一侧的宽度为0.25-0.5mm，深度为0.25-0.5mm，相邻两微流道的间距为1-3mm。
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