CN113701272B - 一种同时实现被动制冷和太阳能捕获利用的装置及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同时实现被动制冷和太阳能捕获利用的方法及装置，该方法能够打破现有技术中用于被动制冷的方法无法同时实现太阳能捕获利用，而通过太阳能界面蒸发的对太阳能进行利用的方法也不能同时实现被动制冷的技术壁垒，能够同时实现被动制冷和太阳能捕获利用。制备的装置在户外环境中，既可以收集太阳能进行蒸发，又可以给周围环境或者建筑物进行制冷。

Description

一种同时实现被动制冷和太阳能捕获利用的装置及其制备 方法
技术领域
本发明属于太阳能应用技术领域，具体涉及一种同时实现被动制冷和太阳能捕获利用的方法及装置。
背景技术
在烈日炎炎的夏天，空气的温度能够很容易达到40度以上，这会给人们带来极大的不舒适感，甚至造成生命的危险，人们对于制冷的需求日益增长。传统的冷却设备，如冰箱和空调，不仅需要消耗大量的能源，而且在设备运行过程中产生额外的热量，可导致温室效应和城市热岛效应。不依赖电力而提供净冷却能力的被动制冷技术被认为是一种良好的替代方案，可以减小能源的消耗和传统制冷对环境的影响。在被动制冷技术中，蒸发冷却和辐射制冷被广泛研究。辐射制冷是利用材料对太阳光反射进行制冷，辐射制冷的能力有限，理论上辐射制冷的比功率最大可以达到160W·m-2。蒸发冷却是利用水和空气的热湿交换实现制冷的方式，水在蒸发的过程中可以带走热量，可以给接触的物体进行降温。然而，这些被动制冷技术都无法将太阳能进行捕获利用。
太阳能是一种丰富的清洁能源，可被用于产热、发电、催化等。太阳能界面蒸发可以克服传统的体相蒸发热损失大、效率低的缺点，极大提升了太阳能的热利用效率。太阳能界面蒸发被报道广泛应用于海水淡化、污水净化、海盐收集、蒸发浓缩等方面。太阳能界面蒸发是利用材料对太阳光良好的吸收效果，将太阳光转换为热能，加速吸光材料表面的水分蒸发。这种吸光材料在1个太阳光强度下，吸光面的温度通常会高于周围环境的温度，显然无法用于制冷。
也就说现有技术中，用于被动制冷的方法无法同时实现太阳能捕获利用，而通过太阳能界面蒸发的对太阳能进行利用的方法也不能同时实现被动制冷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以同时实现被动制冷和太阳能捕获利用的方法，用以解决现有技术中该方面的研究欠缺的问题。
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种同时实现被动制冷和太阳能捕获利用的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)首先制备圆锥形太阳能蒸发器：
A.将丙烯酰胺(AM)单体加入到分散介质(优选为水)中，搅拌，得透明丙烯酰胺溶液；
B.加入N-N亚甲基双丙烯酰胺(MBA)至丙烯酰胺溶液中，搅拌至无色透明；
C.加入过硫酸铵(APS)作为引发剂和四甲基乙二胺(TMEDA)作为促引发剂，然后将反应溶液倒入尖端在下的圆锥形容器模具中，抽真空5分钟，除去反应液中的气泡；
D.向圆锥形容器模具缓缓加入液氮，反应体系将从上部液面处向下部的尖端逐步冷冻，待反应溶液完全冷冻后，将反应溶液和圆锥形容器模具一起放入-18℃冰箱中，反应8-240h(优选为48h)后进行冷冻干燥；
E.将反应好的圆锥形聚丙烯酰胺和圆锥形容器模具一起移入冷冻干燥机中进行干燥，干燥后取出圆锥形聚丙烯酰胺，然后在其表面涂覆一定厚度的碳纳米管(CNT)作为吸光层，干燥后得到圆锥形太阳能蒸发器；
(2)制备兼具被动制冷和太阳能界面蒸发的装置：
将圆锥形太阳能蒸发器尖端向上放置在盛水装置中，在圆锥形太阳能蒸发器中间钻开直径为底部直径1/3的孔至圆锥高度1/2处，孔内插入一支隔热套，隔热套穿过盛水装置至下部的制冷室内；将一支直径为圆锥形太阳能蒸发器锥底直径1/6的导热棒穿过隔热套，导热棒上端与圆锥形蒸发顶部接触，下端与制冷室接触，在导热棒底端与散热片连接。
优选地，上述方法中，所述水、丙烯酰胺、N-N亚甲基双丙烯酰胺的质量比为89∶10∶1。
优选地，所述四甲基乙二胺、过硫酸盐、丙烯酰胺的质量比为0.3∶0.5∶100。
优选地，所述过硫酸盐为过硫酸铵、过硫酸钾等，优选为过硫酸铵。
优选地，圆锥形聚丙烯酰胺表面涂覆的碳纳米管的厚度为10-200微米，更加优选地，厚度为50微米。
优选地，所述隔热套为中空的。
优选地，所述导热棒的顶端打磨成与圆锥形太阳能蒸发器同等锥度的圆锥形；优选地，所述导热棒在圆锥形蒸发器的长度为圆锥形蒸发器高度的5/6。
本发明还公开了按照上述方法制备得到的装置，该装置能够同时实现被动制冷和太阳能捕获利用。
本发明具有如下优点：
本发明所保护的方法，能够打破现有技术中用于被动制冷的方法无法同时实现太阳能捕获利用，而通过太阳能界面蒸发的对太阳能进行利用的方法也不能同时实现被动制冷的技术壁垒，能够同时实现被动制冷和太阳能捕获利用。制备的装置在户外环境中，既可以收集太阳能进行蒸发，又可以给周围环境或者建筑物进行制冷。
附图说明
图1是一种实施例制备得到的圆锥形太阳能蒸发器图像；
图中，(a)光学图像；(b)横切面SEM图像；(c)纵切面SEM图像；
图2是兼具被动制冷和太阳能界面蒸发的装置的示意图；
图中，1-制冷室；2-圆锥形太阳能蒸发器；3-隔热套；4-盛水装置；5-导热棒；6-散热片；
图3是在模拟1sun太阳光强度下和黑暗条件(关闭光照)下温度变化；
图4是1sun太阳光强度下三种蒸发模式示意图；
图中，(I)无制冷装置的圆锥形蒸发器；(II)连接制冷装置未连接制冷室的圆锥形蒸发器；(III)本发明的同时制冷的圆锥形太阳能蒸发器；
图5是本发明的圆锥形太阳能蒸发器户外环境下被动制冷效果；
图中，(a)日照充足的白天；(b)阴天白天；(c)晴朗的夜晚。
具体实施方式
下面将通过具体实施例对本发明进行详细的描述。提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
在圆锥形太阳能蒸发器制备过程中，发明人对实验过程的中的主要参数进行了如下研究：
一、APS用量和TMEDA用量对圆锥形PAM凝胶形成的影响
在PAM凝胶形成的反应体系中，固定MBA、AM、H20的质量比为1∶10∶89，在常温下探讨催化剂APS和促催化剂TMEDA的合适用量，结果如表1所示。
表1 APS用量和TMEDA用量对圆锥形PAM凝胶形成的影响
Figure GDA0003642979150000041
利用冰模板法制备PAM凝胶，PAM凝胶的形成过程需要在-18℃冰箱中完成。这就要求PAM凝胶的反应液在低温下可以顺利反应。同时，由于在利用冰模板法制备PAM凝胶的过程中，需要在常温下制备反应溶液，抽真空排除反应液中空气等操作，又要求PAM凝胶的反应液在常温下短时间不能发生聚合。根据经验，要求常温下反应液在20分钟内无凝胶化发生，120分钟能完成凝胶化。由表1中编号1-4实验可知，当不添加促催化剂TMEDA时，催化剂APS的用量从0.5％增加至5％，反应液24小时均未凝胶化，表明要实现低温下形成PAM凝胶，单独使用催化剂APS不合适。由表1中编号5-8实验可知，当不添加催化剂APS时，促催化剂TMEDA的用量从0.5％增加至5％，反应液24小时均未凝胶化，表明要实现低温下形成PAM凝胶，单独使用促催化剂TMEDA也不合适。由表1中编号9-10实验可知，当催化剂APS用量为1％时，加入促催化剂TMEDA后，反应液的凝胶化反应明显加快，过快的凝胶化反应不利于反应液的制备过程。由表1中编号11-15实验可知，当催化剂APS用量为0.5％时，促催化剂TMEDA的用量不宜超过0.3％。促催化剂TMEDA的量为0.5％和0.4％时，20min内均匀发生肉眼可见的凝胶化。当促催化剂TMEDA的量为0.2％和0.1％时，常温下反应液完全凝胶化分别需要8小时和10小时以上，在-18℃时的凝胶化时间将会更长，影响PAM凝胶的制备效率。在催化剂APS用量为0.5％，促催化剂TMEDA的用量为0.3％时，常温下20分钟内未见凝胶化，120分钟时可完全凝胶化。结果表明：催化剂APS的用量为0.5％，促催化剂TMEDA的用量为0.3％是合适的。由表1中编号16-18实验可知，当催化剂APS的用量为0.3％时，促催化剂TMEDA的用量从0.3％增加至1％时，4小时内均未见明显的凝胶化，表明催化剂APS的用量应高于0.3％。因此，在PAM凝胶的制备过程中，最佳选择是催化剂APS的用量为0.5％，促催化剂TMEDA的量为0.3％。
二、反应时间对PAM凝胶形成的影响
在PAM凝胶形成的反应体系中，固定MBA、AM、H2O的质量比为1∶10∶89，催化剂APS和促催化剂TMEDA的用量分别为0.5％和0.3％，探讨冰冻后反应体系在-18℃下的反应时间对PAM凝胶形成的影响，结果如表2所示。
表2反应时间对PAM凝胶形成的影响
编号 反应时间(小时) 拉伸强度(kPa)
1 8 无法测出
2 12 无法测出
3 24 16.4
4 36 27.8
5 48 35.7
6 72 36.1
由表2可知，当反应时间小于12小时，得到的PAM凝胶强度太低，拉力机无法测出。随着反应时间的延长，凝胶化反应逐渐充分，PAM凝胶的强度逐渐增大。反应时间为48小时时，PAM凝胶的拉伸强度可达35.7kPa。当反应时间延长至72小时时，PAM凝胶的拉伸强度增加不明显，但是延长反应时间会降低PAM凝胶的制备效率。因此，利用冰模板法制备PAM凝胶时，反应体系在-18℃的反应时间选为48小时。
三、PAM凝胶表面CNT涂层厚度对吸光率和涂层稳定性的影响
PAM凝胶表面涂覆的CNT厚度对太阳光的吸收率影响如表3所示。由表3可知，未涂覆CNT的PAM凝胶对太阳光的吸收率很低，仅有约6.1％的吸收率。涂覆CNT后，PAM凝胶对太阳光的吸收率明显增大，当涂层厚度为～10微米时，CNT对PAM表面覆盖不彻底，对太阳光的吸收率约为64％。当CNT涂层厚度为～30微米时，对太阳光的吸收率约为86％。当CNT涂层厚度为～50微米时，对太阳光的吸收率可高达98％。当CNT涂层厚度增加至～100微米时，由于涂层较为致密，增加了光的反射，对太阳光的吸收率下降至约96％。而且由于CNT涂层偏厚，稳定性变差，表层的CNT涂层会偶有脱落现象发生。当CNT涂层厚度增加至～200微米时，对太阳光的吸收率下降至约93％。而且由于CNT涂层过厚，稳定性变的较差，表层的CNT涂层非常容易脱落。同时，增加CNT的涂覆量会导致成本的上升。因此，CNT涂层的厚度选择约50微米最为适宜。
表3 PAM凝胶表面CNT涂层厚度对吸光率和图层稳定性的影响
Figure GDA0003642979150000061
实施例1圆锥形太阳能蒸发器制备
A.将10份(质量份计，以下同)丙烯酰胺(AM)单体加入到89份分散介质水中，搅拌，得透明丙烯酰胺溶液；
B.加入1份N-N亚甲基双丙烯酰胺(MBA)至丙烯酰胺溶液中，搅拌至无色透明；
C.加入0.05份过硫酸铵(APS)作为引发剂和0.03份四甲基乙二胺(TMEDA)作为促引发剂，然后将反应溶液倒入尖端在下的圆锥形容器模具中，抽真空5分钟，除去反应液中的气泡；
D.向圆锥形容器模具缓缓加入液氮，反应体系将从上部液面处向下部的尖端逐步冷冻，待反应溶液完全冷冻后，将反应溶液和圆锥形容器模具一起放入-18℃冰箱中，反应48h后，移入冷冻干燥机中进行冷冻干燥；
E.将反应得到的圆锥形聚丙烯酰胺(PAM)从圆锥形容器模具中取出，然后在其表面涂覆50微米厚的碳纳米管(CNT)作为吸光层，干燥后得到圆锥形太阳能蒸发器，其光学图像、横切面SEM图像；纵切面SEM图像见图1。
实施例2
一种同时实现被动制冷和太阳能捕获利用的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)首先按照实施例1的方法制备圆锥形太阳能蒸发器：
(2)然后制备兼具被动制冷和太阳能界面蒸发的装置：
将圆锥形太阳能蒸发器尖端向上放置在盛水装置中，在圆锥形太阳能蒸发器中间钻开直径为底部直径1/3的孔至圆锥高度1/2处，孔内插入一支隔热套，隔热套穿过盛水装置至下部的制冷室内；将一支直径为圆锥形太阳能蒸发器锥底直径1/6的导热棒穿过隔热套，导热棒上端与圆锥形蒸发顶部接触，下端与制冷室接触，在导热棒底端与散热片连接。
实施例3兼具被动制冷和太阳能界面蒸发的装置
如图1所示，所述装置包括制冷室1、圆锥形太阳能蒸发器2、隔热套3、盛水装置4、导热棒5和散热片6；圆锥形太阳能蒸发器2放置在盛水装置4中，所述圆锥形太阳能蒸发器2的中间钻孔，孔内插入所述隔热套3，隔热套3穿过盛水装置4至下部的制冷室1内，导热棒5插入隔热套3内并且底部插入制冷室1内，导热棒5底端与散热片6连接。
其中，一种实施方式为，上述装置中，所述孔的直径为圆锥形太阳能蒸发器2锥底直径的1/3，孔深为圆锥形太阳能蒸发器高度的1/2；所述导热棒的直径为圆锥蒸发器锥底直径的1/6；所述导热棒的顶端打磨成与圆锥蒸发器同等锥度的圆锥形；所述导热棒在圆锥形蒸发器的长度为圆锥形蒸发器高度的5/6；所述圆锥形太阳能蒸发器的外壁涂覆吸光层；所述吸光层的厚度为50微米，具体的制备过程如下：将圆锥形太阳能蒸发器2尖端向上放置在盛水装置4中，在圆锥形太阳能蒸发器2中间钻开直径为底部直径1/3的孔至圆锥高度1/2处，孔内插入一支隔热套3，隔热套3穿过盛水装置4至下部的制冷室3内；将一支直径为圆锥形太阳能蒸发器2锥底直径1/6的导热棒5插入隔热套3内并且底部插入制冷室1内，在导热棒4底端与散热片6连接。
另一种具体的实施方式为：圆锥形太阳能蒸发器底部直径14mm，高度为21mm，从底部开直径为4.7mm的孔至10.5mm处。在一个直径为40mm的白色塑料圆形容器中开一个4.7mm孔，在一个直径40mm的泡沫上开一个直径与圆锥形太阳能蒸发器直径相同，深度为20mm的孔作为制冷室。将一只长为26mm、直径为2mm的银棒一段打磨成与圆锥形太阳能蒸发器同等锥度的圆锥形，将打磨的银棒尖端在上，插入一只外径为4.7mm，内径为2mm，长度为17.5mm的中空隔热套中，连接圆锥形蒸发器、导热棒、隔热套、盛水容器，在导热棒另一端连接一片直径为10mm的散热片，然后将上述整体与制冷室连接，在盛水容器中加入6.5ml水。
实施例4被动制冷与蒸发效果测试
(1)实验室测试：在实验室，利用太阳光模拟器模拟一个太阳光强度(1000w·m-2)，将上述制备的兼具被动制冷和太阳能界面蒸发的装置置于一个封闭空间内，上部开口，开口直径与太阳光模拟器镜头一致。将整个装置置于太阳光模拟器下，测试了温度随时间的变化。然后关闭太阳光模拟器，模拟在夜间太阳能蒸发器的蒸发和制冷。在1sun光照强度(1000wm-2)下和黑暗条件下，空气的温度Tair，圆锥蒸发器尖端的温度Teva，制冷室内的温度Tc随光照时间的变化如图3所示。
从图中可以得出，在1sun太阳光强度下，随着光照时间延长，空气的温度Tair，圆锥蒸发器尖端的温度Teva，制冷室内的温度Tc都逐渐增大，慢慢稳定在空气的温度Tair≈43.5℃，圆锥蒸发器尖端的温度Teva≈36.3℃，制冷室内的温度Tc≈36.3℃。关闭太阳光模拟器，温度逐渐降低直至平稳，空气的温度Tair≈24.9℃，圆锥蒸发器尖端的温度Teva≈21.8℃，制冷室内的温度Tc≈22.6℃。
为了测定制冷功率，设计了3种蒸发模式，如图4所示。测定了不同模式下的蒸发速率，根据不同模式下蒸发速率的变化，利用公式(1)计算制冷功率
Figure GDA0003642979150000081
其中，P为单位面积制冷功率(W·m-2)，Am为蒸发速率差(kg·m-2·h-1)，hLV为水的蒸发潜热，t为时间(s)。
通过对比可以得出，在1sun太阳光强度下，蒸发模式I、II、III的蒸发速率分别为3.76、4.37、4.11kg·m-2·h-1。蒸发模式I和蒸发模式II之间的蒸发速率差用作计算最大制冷功率，为414W·m-2；蒸发模式I和蒸发模式III之间的蒸发速率差用作计算稳定制冷时的制冷功率，为177W·m-2。
在黑暗条件下，蒸发模式I、II、III的蒸发速率分别为0.97、1.19、1.03kg·m-2·h-1。蒸发模式I和蒸发模式II之间的蒸发速率差用作计算最大制冷功率，为149W·m-2；蒸发模式I和蒸发模式III之间的蒸发速率差用作计算稳定制冷时的制冷功率，为109W·m-2。
(2)户外测试：在户外，在不同的时间，测试了空气的温度Tair，圆锥蒸发器尖端的温度Teva，制冷室内的温度Tc随光照时间的变化如图5所示。由图5a可知，在晴朗的户外，阳光照射充足时，空气的温度保持在43℃左右，而本发明的圆锥形太阳能蒸发器的顶端温度为28℃左右，制冷室的温度保持在30℃左右，制冷效果非常显著。由图5b可知，在夏天的户外，即使阳光照射微弱，空气的温度也达到了34℃左右，而本发明的圆锥形太阳能蒸发器的顶端温度为25℃左右，制冷室的温度保持在27℃左右，制冷效果也很显著。由图5c可知，在夏天，夜间空气的温度在28.5℃左右，而本发明的圆锥形太阳能蒸发器的顶端温度为24.5℃左右，制冷室的温度保持在26℃左右，制冷效果显著。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种同时实现被动制冷和太阳能捕获利用的装置的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)首先制备圆锥形太阳能蒸发器：
A.将丙烯酰胺单体加入到分散介质中，搅拌，得透明丙烯酰胺溶液；
B.加入N-N亚甲基双丙烯酰胺至丙烯酰胺溶液中，搅拌至无色透明；
C.加入过硫酸盐作为引发剂和四甲基乙二胺作为促引发剂，然后将反应溶液倒入尖端在下的圆锥形容器模具中，抽真空5分钟，除去反应液中的气泡；
D.向圆锥形容器模具缓缓加入液氮，反应体系将从上部液面处向下部的尖端逐步冷冻，待反应溶液完全冷冻后，将反应溶液和圆锥形容器模具一起放入-18℃冰箱中，反应8-240h后进行冷冻干燥；
E.将反应好的圆锥形聚丙烯酰胺和圆锥形容器模具一起移入冷冻干燥机中进行干燥，干燥后取出圆锥形聚丙烯酰胺，然后在其表面涂覆一定厚度的碳纳米管作为吸光层，干燥后得到圆锥形太阳能蒸发器；
(2)制备兼具被动制冷和太阳能界面蒸发的装置：
将圆锥形太阳能蒸发器尖端向上放置在盛水装置中，在圆锥形太阳能蒸发器中间钻开直径为底部直径1/3的孔至圆锥高度1/2处，孔内插入一支隔热套，隔热套穿过盛水装置至下部的制冷室内；将一支直径为圆锥形太阳能蒸发器锥底直径1/6的导热棒穿过隔热套，导热棒上端与圆锥形蒸发顶部接触，下端与制冷室接触，在导热棒底端与散热片连接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分散介质为水。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述水、丙烯酰胺、N-N亚甲基双丙烯酰胺的质量比为89：10：1。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述四甲基乙二胺、过硫酸盐、丙烯酰胺的质量比为0.3∶0.5∶100。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述过硫酸盐为过硫酸铵。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，圆锥形聚丙烯酰胺表面涂覆的碳纳米管的厚度为10-200微米。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述隔热套中空。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述导热棒的顶端打磨成与圆锥蒸发器同等锥度的圆锥形。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述导热棒在圆锥形蒸发器的长度为圆锥形蒸发器高度的5/6。
10.按照权利要求1-9任一项所述的方法制备得到的装置。
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