一种三元复合的太阳能蒸汽产生装置及其应用的制作方法

本发明涉及纳米技术和光热转化材料领域，具体涉及一种三元复合的太阳能蒸汽产生装置及其应用。

背景技术：

近几年，可再生能源引起了社会各界的广泛关注，太阳能因其充足，易得，无污染等优势成为可再生能源领域研究的重点之一。通过以氧化石墨烯，金纳米颗粒等为代表的光热转化材料可以有效的捕获太阳能并使之转换为可利用热能并加热纳米流体、产生高温蒸汽，这为太阳能的广泛利用，比如从大规模的太阳能光热发电、海水淡化和污水处理产业，到小规模的水提纯和灭菌系统等应用提供了可能。优良的光热转化材料可以提高太阳能转化效率，因此从根本上推动能源系统和产业的改善和升级。

碳基纳米材料具有非常大的比表面积(2600m²g^-1)和大的共轭体系，可以通过表面的π-π相互作用以及分子间的范德华力，协同吸附各种功能纳米材料形成复合/杂化材料。一方面，碳基光热转换材料对整个紫外可见(uv-vis)直至近红外光区域有明显的吸收作用(高的吸收率α)，碳材料的电子具有明显的等离子共振效应。同时碳材料有很高的化学和热稳定性，长时间激光照射不会发生性能衰减。因此，被近红外光激发的碳材料能产生明显的热效应，使周围的介质温度迅速升高。另一方面，碳纳米材料基本上是红外惰性的(irinactive)，可以大大降低红外热辐射损失(低的发射率ε)，是一类性能优异、应用前景广阔的光热转换材料。

目前，国内外学者对光热转换纳米材料的基础和应用研究主要集中在光热治疗及热成像等生物医药领域。光热转换纳米材料通过吸收波长为700-1400nm的近红外光产生热效应，而近红外激光对生物组织的穿透能力非常强，并且穿透过程中光衰减特别小，在生物医疗上是一种重要的“生物窗口”，因此近红外激光驱动的光热治疗技术研究相当广泛和深入，而光热转换纳米材料和技术在太阳能利用领域的开发和应用研究才刚刚起步。

常见的光热转化材料主要分为两种，一种为含有金属纳米颗粒、碳材料及高分子材料等的纳米流体，另一种为局部加热的光热转化薄膜。与纳米流体相比，光热转化薄膜可以将光照限制在薄膜层而不照射下层水体，从而减少了热量由水体向环境中的耗散，提高了光热转化效率。然而，目前的光热转化薄膜多数直接放置在水面上，由于薄膜材料本身导热率较高，仍然存在薄膜向下层水体传热的热损情况发生，使光热转化效率无法突破这一瓶颈。

技术实现要素：

本发明提供一种三元复合的太阳能蒸汽产生装置及其应用，旨在一定程度上解决现有技术中存在的不足。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种三元复合的太阳能蒸汽产生装置，其包括盛水容器、光热转化薄膜、隔热板和输水管道，所述盛水容器中装有水，所述隔热板整体位于水面上方或仅下部浸入水中，所述光热转化薄膜位于所述隔热板的上方或覆盖在所述隔热板上部的外表面，所述输水管道包括插入所述隔热板的若干毛细管，所述毛细管的下端开口浸入水中，所述毛细的上端开口靠近或接触所述光热转化薄膜。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

具体的，所述盛水容器为上部敞口的玻璃容器或透明塑料容器。

具体的，所述光热转化薄膜为碳基光热转化薄膜。

具体的，所述碳基光热转化薄膜为还原氧化石墨烯基光热转化薄膜。

所述的还原氧化石墨烯基光热转化薄膜可通过如下方法制备：还原氧化石墨烯基光热转化薄膜通过如下方法制备得到：(1)还原氧化石墨烯的合成：将200mg氧化石墨烯和50mg抗坏血酸加入到200ml去离子水中，磁力搅拌10分钟。将上述分散液置于微波反应器中，200w，95℃反应10分钟。将生成液过滤干燥得到还原氧化石墨烯；(2)还原氧化石墨烯基光热转化薄膜的制备：将100mg定型滤纸加入到100ml溶剂中，在100℃温度下磁力搅拌2小时，得到纤维素分散液。将60mg还原氧化石墨烯加入到纤维素分散液中，继续搅拌0.5小时，真空抽滤得到重塑纤维膜，经35℃真空干燥30分钟得到还原氧化石墨烯基光热转化薄膜。

可以理解的是，除上述光热转化薄膜外，还可以为通过其它方法获得的光热转化薄膜，均适用于本发明提供的装置。

具体的，所述隔热板由发泡隔热材料制成。

优选的，所述发泡隔热材料为发泡聚乙烯、发泡聚氯乙烯、发泡聚丙烯和发泡聚苯乙烯中的一种或多种混合，所述隔热板漂浮于水面上方且其周边侧壁与所述盛水容器的内侧壁抵接。除漂浮外，隔热板可以通过与盛水容壁内壁卡接或搁置在环状搁板上(环状搁板与容器内壁固定连接)的方式整体位于水面上方。

具体的，所述毛细管为玻璃质毛细管或塑料质毛细管。

具体的，所述隔热板的厚度为1.5-20cm。隔热板为圆盘状，厚度是指其平放时竖直方向的尺寸。

具体的，所述毛细管的内径为0.1-2mm，所述隔热板上均匀竖直密集插入有所述毛细管。

本发明还提供了上述的三元复合太阳能蒸汽产生装置的应用，其应用于太阳能发电、海水淡化或污水处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

提供了一种新型太阳能光热转化蒸汽产生装置，其通过引入隔热板和输水管道(毛细管)，将高温光热转化薄膜(约50℃)与低温水体(约20℃)隔离，阻断其热传导从而减少热损，同时输水装置可自动为光热转化薄膜持续供水以汽化；在光热转化薄膜、隔热板及输水装置三者协同作用下，太阳光被限制在薄膜表面用于光热转化并产生蒸汽，同时由光热转化薄膜向下方水体传递的热量被有效抑制，光热转化生成的热得到了有效的利用，实质上等同于光热转化效率得到很大提高；该装置结构独特而简单，光热转化效率高，在太阳能发电、海水淡化和污水处理等领域具有较大商业价值和应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的三元复合的太阳能蒸汽产生装置的结构示意图；

图2为实施例3至14中制备还原氧化石墨烯基光热转变薄膜时还原剂用量不同时得到的还原氧化石墨烯中碳/氧元素原子比的变化情况；

图3为实施例3制备的还原氧化石墨烯基光热转变薄膜的扫描电子显微镜图和原子力显微镜图；

图4为实施例3、6、10相应的太阳能蒸汽产生装置在照射光光强为1kw/m²下的质量损失曲线；

图5为实施例3、6、10相应的太阳能蒸汽产生装置在照射光光强为1kw/m²下的光热转化效率；

图6为实施例3对应的太阳能蒸汽产生装置在照射光光强为1kw/m²下的红外图像。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1.盛水容器；2.光热转化薄膜；3.隔热板；4.毛细管。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本发明提供一种三元复合的太阳能蒸汽产生装置，其包括盛水容器1、光热转化薄膜2、隔热板3和输水管道，所述盛水容器1中装有水，所述隔热板3仅下部浸入水中，上部位于水面上方，所述光热转化薄膜2覆盖在所述隔热板3上部的上表面，所述输水管道包括插入所述隔热板3的均匀密集的毛细管4，所述毛细管4的下端开口浸入水中，所述毛细的上端开口靠近或接触所述光热转化薄膜2。

具体的，所述盛水容器1为上部敞口的玻璃容器，所述光热转化薄膜2为还原氧化石墨烯基光热转化薄膜，所述隔热板3由发泡聚乙烯、发泡聚氯乙烯、发泡聚丙烯或发泡聚苯乙烯制成，所述隔热板3漂浮于水面上方且其周边侧壁与所述盛水容器1的内侧壁抵接比如所述隔热板呈圆柱体状，圆柱体状隔热板的高度为3-20cm，所述盛水容器为烧杯，所述毛细管4为玻璃质毛细管且其内径为0.1-2mm。

实施例2

如图1所示，本发明提供一种三元复合的太阳能蒸汽产生装置，其包括盛水容器1、光热转化薄膜2、隔热板3和输水管道，所述盛水容器1中装有水，所述隔热板3整体位于水面上方下表面与水面隔开，所述光热转化薄膜2位于隔热板3上方隔热板与光热转化薄膜不接触，所述输水管道包括插入所述隔热板3的均匀密集的毛细管4，所述毛细管4的下端开口浸入水中，所述毛细的上端开口靠近或接触所述光热转化薄膜2。上述结构中，隔热板3及光热转化薄膜2通过本领域技术人员可以想到的任何方法进行固定，比如通过与盛水容器内壁粘接或卡接的方式，或在盛水容器内壁上设置用于放置所述隔热板或光热转化薄膜的环状搁板等。

具体的，所述盛水容器1为上部敞口的透明塑料容器，所述光热转化薄膜2为还原氧化石墨烯基光热转化薄膜，所述隔热板3由发泡聚乙烯、发泡聚氯乙烯、发泡聚丙烯或发泡聚苯乙烯制成。

实施例3

与实施例1基本相同，更具体的：玻璃容器为烧杯，隔热板为圆柱体且其直径与烧杯的内径相同，隔热板的直径为40mm、高度为15mm，毛细管长度为30mm、内径为0.5mm，其中还原氧化石墨烯基光热转化薄膜通过如下方法制备得到：

(1)还原氧化石墨烯的合成：将200mg氧化石墨烯和50mg抗坏血酸加入到200ml去离子水中，磁力搅拌10分钟。将上述分散液置于微波反应器中，200w，95℃反应10分钟。将生成液过滤干燥得到还原氧化石墨烯。

(2)还原氧化石墨烯基光热转化薄膜的制备：将100mg定型滤纸加入到100ml溶剂中，在100℃温度下磁力搅拌2小时，得到纤维素分散液。将60mg还原氧化石墨烯加入到纤维素分散液中，继续搅拌0.5小时，真空抽滤得到重塑纤维膜，经35℃真空干燥30分钟得到还原氧化石墨烯基光热转化薄膜。

将制得的还原氧化石墨烯粉末通过eds能谱仪测试其碳/氧元素含量比，如图2所以，从结果可以看出，氧化石墨烯与抗坏血酸比例为4：1时，碳/氧原子个数比约为3.93。

图3为实施例3得到的还原氧化石墨烯基光热转化薄膜在扫描电子显微镜(sem)和原子力显微镜(afm)观察下的形貌特征，在还原氧化石墨烯堆积到膜的一侧，形成密集层(图3中a和b)，膜的另一侧为多孔结构(图3中d和e)。在原子力显微镜观察下，还原氧化石墨烯堆积层一侧的相对粗糙度为0.413微米(图3中c)，而具有多孔结构的一侧的相对粗糙度为2.248微米(图3中f)。造成纤维素基光热转化薄膜两面不同结构的主要原因是，氧化石墨烯与纤维素之间通过范德华力(弱的电性吸引力)结合，在抽滤过程中，受吸力影响，部分氧化石墨烯从纤维上脱落并且沉积到膜的一侧形成“密集层”，另一侧的纤维由于被较少氧化石墨烯包裹而形成“多孔层”，从而形成了光热转化薄膜的两面性。同时，“多孔层”由于其含有无数微观开孔而具有较好的吸水性，可以吸收输水装置提供的常温水，并输送至“密集层”，后者在光照条件下，因其含有致密的光热转化层而具有优秀的光热转化效率，从而实现太阳能驱动下的常温水汽化过程。

实施例4

按实施例1的制备步骤和反应过程，只是将抗坏血酸用量改为100mg，制得还原氧化石墨烯。将制得的还原氧化石墨烯粉末通过eds能谱仪测试其碳/氧元素含量比，如图2所以，从结果可以看出，氧化石墨烯与抗坏血酸比例为2：1时，碳/氧原子个数比约为5.16。

实施例5

按实施例1的制备步骤和反应过程，只是将抗坏血酸用量改为150mg，制得还原氧化石墨烯。将制得的还原氧化石墨烯粉末通过eds能谱仪测试其碳/氧元素含量比，如图2所以，从结果可以看出，氧化石墨烯与抗坏血酸比例为4：3时，碳/氧原子个数比约为5.70。

实施例6

按实施例1的制备步骤和反应过程，只是将抗坏血酸用量改为200mg，制得还原氧化石墨烯。将制得的还原氧化石墨烯粉末通过eds能谱仪测试其碳/氧元素含量比，如图2所以，从结果可以看出，氧化石墨烯与抗坏血酸比例为1：1时，碳/氧原子个数比约为6.84。

实施例7

按实施例1的制备步骤和反应过程，只是将抗坏血酸用量改为250mg，制得还原氧化石墨烯。将制得的还原氧化石墨烯粉末通过eds能谱仪测试其碳/氧元素含量比，如图2所以，从结果可以看出，氧化石墨烯与抗坏血酸比例为4：5时，碳/氧原子个数比约为7.54。

实施例8

按实施例1的制备步骤和反应过程，只是将抗坏血酸用量改为300mg，制得还原氧化石墨烯。将制得的还原氧化石墨烯粉末通过eds能谱仪测试其碳/氧元素含量比，如图2所以，从结果可以看出，氧化石墨烯与抗坏血酸比例为2：3时，碳/氧原子个数比约为8.66。

实施例9

按实施例1的制备步骤和反应过程，只是将抗坏血酸用量改为350mg，制得还原氧化石墨烯。将制得的还原氧化石墨烯粉末通过eds能谱仪测试其碳/氧元素含量比，如图2所以，从结果可以看出，氧化石墨烯与抗坏血酸比例为4：7时，碳/氧原子个数比约为9.80。

实施例10

按实施例1的制备步骤和反应过程，只是将抗坏血酸用量改为400mg，制得还原氧化石墨烯。将制得的还原氧化石墨烯粉末通过eds能谱仪测试其碳/氧元素含量比，如图2所以，从结果可以看出，氧化石墨烯与抗坏血酸比例为1：2时，碳/氧原子个数比约为10.14。

实施例11

按实施例1的制备步骤和反应过程，只是将抗坏血酸用量改为450mg，制得还原氧化石墨烯。将制得的还原氧化石墨烯粉末通过eds能谱仪测试其碳/氧元素含量比，如图2所以，从结果可以看出，氧化石墨烯与抗坏血酸比例为4：9时，碳/氧原子个数比约为10.17。

实施例12

按实施例1的制备步骤和反应过程，只是将抗坏血酸用量改为500mg，制得还原氧化石墨烯。将制得的还原氧化石墨烯粉末通过eds能谱仪测试其碳/氧元素含量比，如图2所以，从结果可以看出，氧化石墨烯与抗坏血酸比例为2：5时，碳/氧原子个数比约为10.26。

实施例13

按实施例1的制备步骤和反应过程，只是将抗坏血酸用量改为550mg，制得还原氧化石墨烯。将制得的还原氧化石墨烯粉末通过eds能谱仪测试其碳/氧元素含量比，如图2所以，从结果可以看出，氧化石墨烯与抗坏血酸比例为4：11时，碳/氧原子个数比约为10.51。

实施例14

按实施例1的制备步骤和反应过程，只是将抗坏血酸用量改为600mg，制得还原氧化石墨烯。将制得的还原氧化石墨烯粉末通过eds能谱仪测试其碳/氧元素含量比，如图2所以，从结果可以看出，氧化石墨烯与抗坏血酸比例为1：3时，碳/氧原子个数比约为11.08。

由图2可以看出，控制氧化石墨烯用量一定的情况下，还原氧化石墨烯的还原程度(碳元素含量比重)随着抗坏血酸用量增加而提高。但是当抗坏血酸用量为氧化石墨烯用量的两倍时，达到还原极限，此时碳/氧元素原子个数比维持在10.2左右。

以实施例3、6、10得到的三元复合的太阳能蒸汽产生装置为测试对象，以1kw/m²氙灯照射所述太阳能蒸汽产生装置以模拟太阳光照射下其汽化效率，测试时将含有200ml去离子水的烧杯置于可实时记录质量数据的电子天平上，在光强为1kw/m²的氙灯照射下，测试3000秒内的质量变化，绘制质量变化曲线，测试结果如图4所示，从图中可见，3000s时间的照射下实施例3、6、10相应的太阳能蒸汽产生装置的汽化量依次为0.765kg/m²、0.836kg/m²、0.931kg/m²，为同等情况下直接照射纯水时汽化率的25倍以上；此外，若将实施例3制得的还原氧化石墨烯光热转化薄膜直接置于水面上，同等情况下3000s时间照射后其汽化量约为0.481kg/m²，仅为实施例3相应汽化量的62.88％，即本发明因有隔热板的存在光热转化薄膜与杯中水基本隔开，产热基本不向杯中水扩散，故其汽化效率更高；进一步的，经过实施例3、6、10的汽化量变化可知，随着相应的还原氧化石墨烯还原度的增加，对应的太阳能蒸汽产生装置的光热转化效率(光热转化效率由蒸发损失的水变为汽化吸收的能量和消耗的电能进行计算得到)也有明显提升，如图5所示，由74.1％提升至90.2％。

此外，为了反映本发明提供的三元复合太阳能蒸汽产生装置的工作性能，使用红外热成像仪拍摄了该装置在不同照射时间下的红外图像，结果如图6所示。氙灯(1kw/m²)照射之前，光热转化薄膜的温度约为20.3℃，隔热板的温度约为18.1℃。照射1分钟之后，光热转化薄膜的温度约为33.5℃，隔热板的温度约为22.5℃。照射40分钟之后，光热转化薄膜的温度约为38.0℃，隔热板的温度约为22.7℃。照射90分钟之后，光热转化薄膜的温度约为39.5℃，板的温度约为24.9℃。由此可见，在照射1分钟之内，光热转化薄膜迅速升温进入工作状态，而隔热板在照射90分钟之后仍然保持在25℃左右，有效的隔绝了高温薄膜向低温水体的散热，提高了光能利用率。由此可见，该装置具有卓越的光热转化性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。