CN113307322A - 一种基于等离激元效应的太阳能蒸发器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种基于等离激元效应的太阳能蒸发器。其特征是：它由氟塑料薄膜、二氧化硅气凝胶、吸收基底层、含多角星的吸收层、圆拱形蒸发池、水凝管、蓄水罐、进水槽与出水槽组成。太阳光照射至透明圆拱形蒸发池，光谱能量充分被含多角星的吸热层吸收并产生热量，蒸发池内的水受到局域加热后温度迅速上升，达到沸点后成水蒸气状态，并由冷凝管转换成液态水，最后由蓄水罐进行收集。本发明具备易携带、制作简易、成本低、蒸发效率高等特点，是海岛生存中海水淡化的优选方案。

Description

一种基于等离激元效应的太阳能蒸发器
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于等离激元效应的太阳能蒸发器，可用于海水淡化等多个领域，能够快速制备适合饮用的淡水，属于光热转化技术领域。
(二)背景技术
金属和半导体材料之间具有一定的载流子浓度，这些载流子之间又会相互作用，从而一方面使空间某一处的载流子浓度升高或降低，另一方面也会使其它空间的载流子浓度发生振荡。如果金属表面的自由电子振荡频率与入射光产生的电磁波频率相同，会使金属表面的自由电子发生集体振荡，在金属表面具有很强的局域场增强效应，基于表面等离激元增强效应的超材料吸收器，在满足超薄厚度的条件下有更高的吸收效率以及更宽的工作频段，能够极大提高对光的吸收效率，从而提升光热之间的转换。
由于地球存储的淡水资源有限以及世界人口的急剧增加，人们将更多的目光投入到海水的淡化方向，近些年来对太阳能的利用技术也愈发成熟，一系列的太阳能吸收器也接踵出现，但部分吸收结构复杂，制备工艺难，以及吸收效率低这些不足都使得光热转换成为难点，如何设计一款便捷、快速的海水蒸发系统成为最为关键的问题之一。
为解决上述问题，申请人于2021年公开的一种太阳能海水淡化装置(中国专利：202110084222.6)提出球面膜的设计，利用阳光辐射进行水加热，光热之间的转换效率低且温度较难达到液态水蒸发条件；申请人于2020年公开的一种用于太阳能蒸汽生成的光热体装置及其制造、应用(中国专利：02011603295.3)提出了利用涂塑金属丝网和与其贴合的一块双面异效织物方案，这种方案存在光热效率低以及无法用于海面等复杂水域；申请人于2019年公开的一种集热器蒸发端以及太阳能集热器(中国专利：202011240529.2)提出了完备的蒸发装置，但结构复杂，不利于携带以及集热器的光热转换效率低。
本发明公开了一种基于等离激元效应的太阳能蒸发器。可用于海水蒸发等领域。该系统多角星结构的设计利用等离激元效应，极大地增强了光吸收能力，提高了蒸发效率；圆拱形的设计使液态水局域在一定范围内被加热层局域型加热，防止了浪打等外在条件的对蒸发性能的消极影响，更汇聚了太阳光，进一步提高光热转换效率。与此同时，该结构制备工艺简单，便捷性好且可循环使用，相对于其他蒸发装置，该装置完全无污染，无功耗。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于海水淡化等领域，能够快速制备适合饮用淡水的基于等离激元效应的太阳能蒸发器。
本发明的目的是这样实现的：
该系统由氟塑料薄膜1、二氧化硅气凝胶2、吸收基底层3、蓄水管4，含多角星的吸收层5、进水槽与出水槽6，水凝管7，圆拱形蒸发8组成。所述系统中外部水以人工注入等方式从进水槽6流入圆拱形蒸发池后，太阳光照射至透明圆拱形蒸发池8，光谱能量充分被含多角星的吸收层5吸收并产生热量，进而蒸发池内的液体水吸热达到沸点成水蒸气状态后由冷凝管7转换成液态水，最后由蓄水罐4进行收集。收集完成之后，打开出水槽6流出蒸发池剩余液体后，对装置进行回收。
所述的吸热结构主要由多角星，如五角星阵列分布于吸收层内部，主要组成材料由高熔点金属，如钨组成，多角形尖端产生的等离激元效应LSPR加上纳米阵列在活性层之间产生的F-P效应极大地增强了光吸收能力，两种效应吸收的热量对局域的液态水进行加热，从而使液态水的温差变化很大，进而提升了蒸发效率。
所述的吸热结构如五角星阵列，其内半径r1控制在(60±15)nm之间，外半径r2控制在(100±20)nm之间，纳米结构阵列间距控制在(30±15)nm之间。可以通过改变纳米阵列中多角星的相关尺寸以及阵列间距从而调控光吸收性能。
所述的多角星形状结构可以设置成四角星、五角星、六角形等形状，进行尺寸的优化可以进一步改善吸收性能，从而达到太阳光谱的完美吸收进而转换成热量对液态水进行加热蒸发。
所述的蒸发池形状为圆拱形，主要材料由透光薄膜材料，如PE膜组成，圆拱大小由吸热层纳米结构阵列的尺寸决定，其中高度由碳纤维复合材料组成的支架控制，圆拱大小由吸热层纳米结构阵列尺寸决定，圆拱形的设计一方面有利于会聚光，使光充分地被吸收结构吸收，更为重要的是圆拱形设计提供了一个相对密封的蒸发池环境，有利于对局域的液态水加热从而提高蒸发效率，同时，也降低了如浪打等外部环境的影响。
所述的二氧化硅气凝胶，将其密封处理，并与氟塑料薄膜一起组合，共同构成系统结构的隔热和浮力层，二氧化硅气凝胶的使用主要用于防止吸收层吸收的热量透过底层被消耗，减小非必要的传热损失，从而使太阳光能量充分局域在吸收层。两种材料的组合使结构漂浮于水面，给整个装置提供浮力来源，从而增大吸收层与太阳光的接触。
所述的水凝器安放于圆拱形的蒸发池中，用于将蒸发的水蒸气进行冷凝成液态水。
所述的进水槽与出水槽设置于圆拱形吸收层的两侧部分。进水槽可人工手动调节向蒸发池内注入液态水，蒸发池内的液态水达到一定体积后人工进行封口，使吸收池内的水相对稳定，有利于太阳光对局域的液态水进行持续加热，出水槽用于收集液态水完成之后，将蒸发池剩余液态水进行排水处理。
本发明的优点在于：1、多角星结构的设计增大了光吸收能力，提高了蒸发效率；2、圆拱形的设计不仅放置了浪打等外在条件的影响，更汇聚了太阳光，光热转换效率更高；3、该吸收结构可批量制作，并且成本低，方便携带，应用领域广泛，如海水蒸发等多个领域。4、相对于其他蒸发装置，该装置完全无污染，无功耗。
(四)附图说明
图1是一种基于等离激元效应的太阳能蒸发器的结构示意图。该系统由氟塑料薄膜、二氧化硅气凝胶、多角星阵列组成的吸收层、圆拱形蒸发池、水凝管、蓄水罐、进水槽以及与出水槽组成。
图2是一种含五角星的吸热结构示意图
图3是一种三角星结构示意图
图4是一种四角星结构示意图
图5是五角星结构对应的吸收效率图
图6是五角星结构对应的太阳能吸收光谱图
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
实施案例1：工业制备出如图1的系统，其中等离激元吸收层的五角星纳米阵列内径r1为50.0nm，外径r2为100.0nm，阵列间距为30.0nm，整个系统包括氟塑料薄膜、二氧化硅气凝胶、多角星阵列组成的吸收层、圆拱形蒸发池、水凝器、蓄水罐、进水槽以及出水槽组成。将10平方米的装置铺设在海面上，以人工注入等方式将海水从进水槽注入圆拱形蒸发池，待液体体积满足蒸发需求时，关闭进水槽，太阳光照射至透明圆拱形蒸发池，光谱能量充分被含多角星的吸热层吸收并产生热量，如图5、图6为系统对应的吸收效率以及吸收太阳能光谱图，吸收层内的液体水由于收到的等离激元LSPR等效应的局域加热很快达到沸点后变成水蒸气，再由蒸发池内的冷凝管转换成液态水，最后由蓄水罐进行收集，观察蓄水罐内的水，满足需求后则可以打开出水槽进行装备的回收。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (5)

1.一种基于等离激元效应的太阳能蒸发器。其特征是：它由氟塑料薄膜、二氧化硅气凝胶、吸收基底层、含多角星的吸收层、圆拱形蒸发池、水凝管、蓄水罐、进水槽以及出水槽组成。所述系统中以人工注入等方式从进水槽注入液态水于圆拱形蒸发池后，太阳光照射至透明圆拱形蒸发池，太阳光谱能量充分被含多角星的吸热层吸收并产生热量，蒸发池内的液体水达到沸点成水蒸气状态后由冷凝管转换成液态水，最后由蓄水罐进行收集。收集完成之后，打开出水槽流出蒸发池剩余液体并对装置进行回收。
2.根据权利要求1所述的吸热层主要由多角星，如五角星阵列分布于吸收层内部，主要组成材料由高熔点金属，如钨等材料组成。
3.根据权利要求1所述的吸热层如五角星阵列，其内半径r1控制在(60±15)nm之间，外半径r2控制在(100±20)nm之间，纳米结构阵列间距控制在(30±15)nm之间。
4.根据权利要求1所述的蒸发池形状为圆拱形，主要材料由透光薄膜，如PE膜组成，圆拱大小由吸热层纳米结构阵列的尺寸决定，其中高度由碳纤维复合材料组成的支架控制。
5.根据权利要求1所述的二氧化硅气凝胶，将其密封处理，并与氟塑料薄膜一起组合，共同构成系统结构的隔热和浮力层，从而提高吸收层的太阳能光谱吸收效率。
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