等離激元效應(yīng)促進(jìn)光熱轉(zhuǎn)化的機(jī)理研究

劉歡　劉廣林

摘 ? 要：隨著傳統(tǒng)化石能源短缺問(wèn)題和環(huán)境污染的日漸加重，開(kāi)發(fā)新能源成為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必要途徑。太陽(yáng)能憑借其簡(jiǎn)單、高效、直接以及清潔無(wú)污染的性質(zhì)成為新能源開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，納米流體因其良好的輻射傳熱性質(zhì)，可作為太陽(yáng)能熱利用的集熱工質(zhì)，提高光熱轉(zhuǎn)換效率。本文研究利用納米顆粒的表面等離激元效應(yīng)來(lái)解釋納米流體促進(jìn)光熱轉(zhuǎn)化的機(jī)理。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能 ?納米流體 ?等離激元 ?光熱轉(zhuǎn)化

中圖分類號(hào)：TB383 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）06（b）-0089-02

在傳統(tǒng)常規(guī)能源儲(chǔ)量緊張且環(huán)境污染日益嚴(yán)重的前提下，新能源的開(kāi)發(fā)和研究蔚然成風(fēng)[1]。關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破和對(duì)于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需求也在加速推動(dòng)化石能源向新能源轉(zhuǎn)化的進(jìn)程，太陽(yáng)能就是清潔的可再生能源之一，在能源戰(zhàn)略中占有重要的地位[2]。太陽(yáng)能熱利用是太陽(yáng)能實(shí)際利用中的重要組成部分。多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)及研究表明，納米流體的光熱轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)高于一般工質(zhì)，非常適合作為太陽(yáng)能集熱工質(zhì)。

1 ?納米流體定義

納米流體是指在基液中加入納米級(jí)別的金屬或非金屬顆粒，從而制備出穩(wěn)定、均勻的分散系，其本質(zhì)是形成具有優(yōu)良熱導(dǎo)率、質(zhì)量擴(kuò)散率、和傳熱系數(shù)的膠態(tài)懸浮物。其特殊的輻射性能和良好的光熱轉(zhuǎn)換性能，關(guān)鍵在于納米顆粒的特殊性[3]。本文研究利用納米顆粒的局域表面等離激元效應(yīng)解釋納米流體的優(yōu)良特性。

2 ?等離激元效應(yīng)

在外電磁場(chǎng)激發(fā)下，高摻雜半導(dǎo)體或金屬納米結(jié)構(gòu)中的類自由電子會(huì)被激發(fā)。電子運(yùn)動(dòng)與電磁場(chǎng)互相激勵(lì)產(chǎn)生共諧振蕩，這便是表面等離激元。由于聲子可以理解成晶體中的原子發(fā)生集體震蕩的量子化描述，因此表面等離激元也可表述為電子與電磁場(chǎng)共諧振蕩的量子化描述，準(zhǔn)粒子攜帶相應(yīng)的動(dòng)量和能量[4]。

3 ?納米顆粒等離激元效應(yīng)光熱轉(zhuǎn)換機(jī)理

等離激元共振時(shí)，光學(xué)激發(fā)的納米顆粒能夠顯著地升高環(huán)境溫度甚至融化周圍的介質(zhì)。等離激元的光熱轉(zhuǎn)換過(guò)程為：納米顆粒將吸收的光能轉(zhuǎn)換為電子諧振的動(dòng)能，然后經(jīng)由晶格對(duì)電子的散射，把諧振的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為晶格的振動(dòng)能，最后晶格振動(dòng)的熱能傳遞到周圍環(huán)境，引起溫升，實(shí)現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換[5]。研究表明，當(dāng)入射光波長(zhǎng)接近表面等離子共振峰時(shí)，光熱轉(zhuǎn)換效率最佳。

在沒(méi)有相變的情況下，納米顆粒系統(tǒng)內(nèi)的傳熱可以用常見(jiàn)的導(dǎo)熱方程來(lái)描述：

（1）

這里溫度T（r，t）是坐標(biāo)r和時(shí)間t的函數(shù)，ρ（r）， c（r）， k（r）分別是質(zhì)量密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，熱源為納米顆粒。

在納米顆粒的內(nèi)部，熱流量q（r，t）滿足：

（2）

這里j（r，t）是電流密度，E（r，t）是電場(chǎng)強(qiáng)度。

由于在實(shí)際光熱轉(zhuǎn)換過(guò)程中，平均值更有研究意義，可得到：

（3）

這里j*（r）及E（r）分別是j（r，t）和E（r，t）的振幅，化成矢量形式可得：

（4）

入射光強(qiáng)度滿足如下方程，式中ε0是真空介電常數(shù)，nm是介質(zhì)折射率，E0是入射場(chǎng)強(qiáng)。

（5）

4 ?結(jié)語(yǔ)

常規(guī)能源的短缺及污染問(wèn)題日漸加重使得太陽(yáng)能熱利用成為了學(xué)者們研究的熱門(mén)方向。大量的研究結(jié)果表明，納米流體具有較高的光熱轉(zhuǎn)換效率，適宜作為太陽(yáng)能的集熱工質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的高效吸收利用[6]。本文研究利用納米顆粒的表面等離激元效應(yīng)解釋納米流體的優(yōu)異性能。除了表面等離激元效應(yīng)，納米流體內(nèi)還存在其他的效應(yīng)使得其光熱轉(zhuǎn)換性能優(yōu)異，希望能在日后的學(xué)習(xí)中開(kāi)展進(jìn)一步的研究，為高效吸收利用太陽(yáng)能奠定一定的理論基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] Zhang H， Chen H-J， Du X， et al. Photothermal conversion characteristics of gold nanoparticle dispersions [J]. Solar Energy， 2014（100）： 141-147.

[2] Mercatelli L， Sani E， Zaccanti G， et al. Absorption and scattering properties of carbon nanohorn-based nanofluids for direct sunlight absorbers [J]. Nanoscale research letters， 2011， 6（1）： 1-9.

[3] Saidur R， Meng T， Said Z， et al. Evaluation of the effect of nanofluid-based absorbers on direct solar collector [J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2012， 55（21）： 5899-907.

[4] 邵磊，阮琦鋒，王建方，等.局域表面等離激元[J].物理，2014，43（5）：290-298.

[5] 王榮明，林煒鏵，王江彩，等.金屬局域表面等離激元共振和表面等離激元波導(dǎo)：原理和應(yīng)用[J].金屬功能材料，2016，23（5）：1-6.

[6] 宣益民，李強(qiáng).納米流體強(qiáng)化傳熱研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2000（4）：466-470.