納米顆粒加速光熱轉(zhuǎn)化的實驗研究

劉歡 劉廣林

摘 要：納米流體因其優(yōu)異的導熱和吸光性能被廣泛應用于太陽能光熱領(lǐng)域，這其中尤以納米金的光熱轉(zhuǎn)換效果最為突出。文章采用含有球狀納米金顆粒的納米流體，在太陽光模擬器下掛滴蒸發(fā)，同時用高速攝影抓拍，研究納米滴能否加快液滴的蒸發(fā)，增強光熱轉(zhuǎn)化。結(jié)果表明金納米滴比同樣條件下去離子水液滴的蒸發(fā)時間少，提高太陽光的利用效率，為太陽能光熱轉(zhuǎn)化提供一定的理論和實驗基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：納米顆粒；液滴蒸發(fā)；光熱轉(zhuǎn)化；太陽能

中圖分類號：TB383 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）19-0065-03

Abstract： Nanofluids are widely used in solar photothermal field because of their excellent thermal conductivity and light absorption properties， especially the photothermal conversion effect of gold nanoparticles is the most prominent. In this paper， the nano-fluid containing spherical gold nanoparticles was used to evaporate the droplets under the solar simulator， and the high-speed photography was used to study whether the droplets could accelerate the evaporation and enhance the photothermal transformation. The results show that the evaporation time of gold droplets is less than that of ionized water droplets under the same conditions， which improves the utilization efficiency of sunlight and provides a theoretical and experimental basis for solar photothermal conversion.

Keywords： nanoparticles； droplet evaporation； photothermal conversion； solar energy

1 概述

能源的利用與發(fā)展對社會進步起著至關(guān)重要的作用。隨著社會的不斷發(fā)展，對化石能源的需求不斷增加，而傳統(tǒng)化石能源總量有限且逐步枯竭使得人們將目光轉(zhuǎn)移到可再生能源上。太陽能是地球上分布廣泛、總量豐富的可再生能源，且利用技術(shù)成熟、成本低、清潔無污染。研究者們試圖將納米流體與太陽能相結(jié)合[1]，通過多種方式提高太陽能的利用效率。Tooraj Yousefi等[2]將Al2O3納米流體加入到太陽能板式集熱器中，發(fā)現(xiàn)雖然只有2%質(zhì)量分數(shù)的納米顆粒的加入，卻使得板式集熱器的效率增加了28.3%。太陽光照射到納米顆粒表面，納米結(jié)構(gòu)中的自由電子集體運動并偏離原子核往復的振動，當頻率與入射光頻率一致時，會使表面電子的振動得到大幅度的增強，在共振狀態(tài)下電磁場的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俦砻孀杂呻娮拥募w振動能，共振頻率波段附近納米顆粒消光截面遠遠大于自身的物理截面[3]，吸收的光能量全部轉(zhuǎn)化為熱量。因此在理論上貴金屬納米流體可以有效的增強對太陽光的吸收，提高對太陽能的利用效率。Wang等[4]利用甲酸蒸汽通入到檸檬酸鈉保護的金納米顆粒溶液中，加速納米金顆粒在界面上自組裝形成一層金納米顆粒薄膜，激光照射時薄膜吸收光的能量產(chǎn)生熱，加熱薄膜附近的水使其快速蒸發(fā)，加速太陽能產(chǎn)汽的效率。

基于以上納米流體在增強太陽能吸收的研究，本實驗將金納米流體與太陽光蒸發(fā)液滴相結(jié)合，觀察微小的金納米顆粒液滴能否強化對太陽光的吸收，加速液滴的蒸發(fā)，為大量微小液滴在太陽能光下快速蒸發(fā)做出一定的實驗和理論基礎(chǔ)，為太陽能高效產(chǎn)汽做出一定的理論依據(jù)。

2 實驗描述

2.1 實驗設(shè)備和方法

實驗裝置如圖1，光源為氙燈光源，因氙燈光譜與太陽光譜高度相似，用來模擬太陽光，在氙燈光源的出光口處添加一個AM1.5的濾光片，對氙燈光源進行修飾。氙燈光源固定在一塊400mm*400mm的水平放置的光學平板上，光學平板通過多孔角鐵支撐架與四位導軌控制器所在的光學平臺連接在一起，縱向?qū)к壣瞎潭ㄓ袡M梁，通過在導軌控制器中輸入對應參數(shù)，可以使這樣氙燈光源與整個橫梁上的位置來回移動，精確的控制與光源的距離。

數(shù)據(jù)采集器采集頻率設(shè)置為5Hz，高速攝像機配備108mm焦距鏡頭，攝像機每秒拍攝10張高清照片，對橫梁上的熱點偶頭對焦后，與同步器相連接，由同步器控制并同時觸發(fā)，同步采集實驗數(shù)據(jù)，做到溫度與尺寸的同步記錄。

游標卡尺量取熱電偶偶頭直徑為0.4mm，焊接好偶頭連接在數(shù)據(jù)采集器，迅速插入冰水中，測得響應時間為60ms左右，完全滿足實驗所需的靈敏度。將熱電偶偶頭固定在橫梁上，另一端接在溫度采集通道上。

玻璃罩如圖1b，在頂部的玻璃蓋開有平衡大氣壓強的五個直徑為2mm的小孔，左側(cè)開有直徑為60mm的通光孔，光源從通光孔照射到液滴上，前方開有直徑為40mm的相機孔，高速攝像機的鏡頭旋進玻璃罩里面，可以清晰的拍攝到液滴不同時刻的形態(tài)。

2.2 實驗材料

實驗所用材料為納米金膠體和去離子水，膠體顆粒的質(zhì)量濃度分別為10ug/ml、25ug/ml、100ug/ml，采用制備工藝已經(jīng)非常成熟的檸檬酸鈉還原法，一定比例的氯金酸和檸檬酸鈉在沸水浴加熱，氯金酸被還原成納米金顆粒，然后離心去除多余的檸檬酸鈉還原劑，避光放置在5℃的環(huán)境中可以長時間保存（圖2）。

2.3 實驗步驟

實驗設(shè)備如圖1連接后，在同步器里將高速攝像機采集頻率設(shè)置為10Hz，接通氙燈光源的電源，氙燈風扇工作10分鐘后，點亮氙燈并用遮光板遮在出光口，氙燈點亮并穩(wěn)定運行10分鐘后，氙燈光源的輻射強度達到穩(wěn)定，使用光功率計測量熱電偶偶頭處的輻射強度，調(diào)節(jié)氙燈光源的功率旋鈕，直到輻射強度達到并穩(wěn)定在1200W/m2，再次用遮光板將出光口遮住。

采用接觸角測量儀控制液滴體積，生成直徑為1.5mm左右的液滴，然后掛在熱電偶偶頭上，蓋上玻璃罩的上蓋板，同步器同時觸發(fā)高速攝像機和采集器，然后移走遮光片，液滴蒸干后放回遮光片，以上步驟重復進行，采集數(shù)據(jù)。

2.4 實驗結(jié)果及分析

圖3是四個體積分別為1.601mm3、1.614mm3、1.652mm3、1.634mm3的液滴蒸發(fā)過程中溫度隨時間的變化關(guān)系。從圖中我們可以得出結(jié)論金納米顆?？梢詮娀瘜μ柟獾奈?，加速液滴蒸發(fā)。但是與納米滴的透射光譜所得出的結(jié)果不同的是，并不是濃度越大的液滴蒸發(fā)速度越快，因為同樣實驗條件下25ug/ml的納米滴蒸發(fā)速度不僅快于10ug/ml的液滴，也快于100ug/ml的納米滴，說明隨著蒸發(fā)進行，液滴溫度逐漸升高，納米顆粒的穩(wěn)定性變差，吸收光的效果受到影響。濃度最大的100ug/ml的液滴的溫度跳動最為明顯，納米顆粒被光照射后溫度會快速上升，加速納米顆粒在液滴內(nèi)的運動速度，不斷的撞擊到熱電偶上后就會得到參差不齊的溫度時間變化曲線，我們可以得出結(jié)論納米金顆粒溶液在強化太陽能吸收研究中存在一個最佳的體積濃度，這也與[5]得出的結(jié)論一致。

3 結(jié)論

（1）納米金顆粒由于局域表面等離激元效應可以強化水在200nm-800nm可見光波段對太陽光的吸收，極大的降低對光的透射率，并且將吸收的光的能量轉(zhuǎn)化為熱，可以有效加速液滴的蒸發(fā)過程。

（2）金納米顆粒溶液的濃度越大，對光的吸收越強，但并不是隨著金納米顆粒溶液濃度的增大而增強，而是存在一個最佳的利用濃度。

參考文獻：

[1]Filho E P B， Mendoza O S H， Beicker C L L， et al. Experimental investigation of a silver nanoparticle-based direct absorption solar thermal system[J]. Energy Conversion & Management， 2014，84（84）：261-267.

[2]Tooraj Yousefi， Farzad Veysi， Ehsan Shojaeizadeh， et al. An experimental investigation on the effect of Al2O3-H2O nanofluid on the efficiency of flat-plate solar collectors[J]. Renewable Energy，2012，86（2）：207-212.

[3]Ming T， Chen H， Jiang R， et al. Plasmon-Controlled Fluorescence： Beyond the Intensity Enhancement[J]. Journal of Physical Chemistry Letters，2012，3（2）：191-202.

[4]Wang Z， Liu Y， Tao P， et al. Evaporation： bio-inspired evaporation through plasmonic film of nanoparticles at the air-water interface （small 16/2014）[J]. Small，2014，10（16）：3233-3233.

[5]H.H. Richardson， M.T. Carlson， P.J. Tandler， P. Hernandez， A.O. Govorov Experimental and theoretical studies of light-to-heat conversion and collective heating effects in metal nanoparticle solutions Nano Lett.， 9（2009），pp.1139-1146.