纳米颗粒加速光热转化的实验研究

刘欢 刘广林

摘 要：纳米流体因其优异的导热和吸光性能被广泛应用于太阳能光热领域，这其中尤以纳米金的光热转换效果最为突出。文章采用含有球状纳米金颗粒的纳米流体，在太阳光模拟器下挂滴蒸发，同时用高速摄影抓拍，研究纳米滴能否加快液滴的蒸发，增强光热转化。结果表明金纳米滴比同样条件下去离子水液滴的蒸发时间少，提高太阳光的利用效率，为太阳能光热转化提供一定的理论和实验基础。

关键词：纳米颗粒；液滴蒸发；光热转化；太阳能

中图分类号：TB383 文献标志码：A 文章编号：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

能源的利用与发展对社会进步起着至关重要的作用。随着社会的不断发展，对化石能源的需求不断增加，而传统化石能源总量有限且逐步枯竭使得人们将目光转移到可再生能源上。太阳能是地球上分布广泛、总量丰富的可再生能源，且利用技术成熟、成本低、清洁无污染。研究者们试图将纳米流体与太阳能相结合[1]，通过多种方式提高太阳能的利用效率。Tooraj Yousefi等[2]将Al2O3纳米流体加入到太阳能板式集热器中，发现虽然只有2%质量分数的纳米颗粒的加入，却使得板式集热器的效率增加了28.3%。太阳光照射到纳米颗粒表面，纳米结构中的自由电子集体运动并偏离原子核往复的振动，当频率与入射光频率一致时，会使表面电子的振动得到大幅度的增强，在共振状态下电磁场的能量转变为金属表面自由电子的集体振动能，共振频率波段附近纳米颗粒消光截面远远大于自身的物理截面[3]，吸收的光能量全部转化为热量。因此在理论上贵金属纳米流体可以有效的增强对太阳光的吸收，提高对太阳能的利用效率。Wang等[4]利用甲酸蒸汽通入到柠檬酸钠保护的金纳米颗粒溶液中，加速纳米金颗粒在界面上自组装形成一层金纳米颗粒薄膜，激光照射时薄膜吸收光的能量产生热，加热薄膜附近的水使其快速蒸发，加速太阳能产汽的效率。

基于以上纳米流体在增强太阳能吸收的研究，本实验将金纳米流体与太阳光蒸发液滴相结合，观察微小的金纳米颗粒液滴能否强化对太阳光的吸收，加速液滴的蒸发，为大量微小液滴在太阳能光下快速蒸发做出一定的实验和理论基础，为太阳能高效产汽做出一定的理论依据。

2 实验描述

2.1 實验设备和方法

实验装置如图1，光源为氙灯光源，因氙灯光谱与太阳光谱高度相似，用来模拟太阳光，在氙灯光源的出光口处添加一个AM1.5的滤光片，对氙灯光源进行修饰。氙灯光源固定在一块400mm*400mm的水平放置的光学平板上，光学平板通过多孔角铁支撑架与四位导轨控制器所在的光学平台连接在一起，纵向导轨上固定有横梁，通过在导轨控制器中输入对应参数，可以使这样氙灯光源与整个横梁上的位置来回移动，精确的控制与光源的距离。

数据采集器采集频率设置为5Hz，高速摄像机配备108mm焦距镜头，摄像机每秒拍摄10张高清照片，对横梁上的热点偶头对焦后，与同步器相连接，由同步器控制并同时触发，同步采集实验数据，做到温度与尺寸的同步记录。

游标卡尺量取热电偶偶头直径为0.4mm，焊接好偶头连接在数据采集器，迅速插入冰水中，测得响应时间为60ms左右，完全满足实验所需的灵敏度。将热电偶偶头固定在横梁上，另一端接在温度采集通道上。

玻璃罩如图1b，在顶部的玻璃盖开有平衡大气压强的五个直径为2mm的小孔，左侧开有直径为60mm的通光孔，光源从通光孔照射到液滴上，前方开有直径为40mm的相机孔，高速摄像机的镜头旋进玻璃罩里面，可以清晰的拍摄到液滴不同时刻的形态。

2.2 实验材料

实验所用材料为纳米金胶体和去离子水，胶体颗粒的质量浓度分别为10ug/ml、25ug/ml、100ug/ml，采用制备工艺已经非常成熟的柠檬酸钠还原法，一定比例的氯金酸和柠檬酸钠在沸水浴加热，氯金酸被还原成纳米金颗粒，然后离心去除多余的柠檬酸钠还原剂，避光放置在5℃的环境中可以长时间保存（图2）。

2.3 實验步骤

实验设备如图1连接后，在同步器里将高速摄像机采集频率设置为10Hz，接通氙灯光源的电源，氙灯风扇工作10分钟后，点亮氙灯并用遮光板遮在出光口，氙灯点亮并稳定运行10分钟后，氙灯光源的辐射强度达到稳定，使用光功率计测量热电偶偶头处的辐射强度，调节氙灯光源的功率旋钮，直到辐射强度达到并稳定在1200W/m2，再次用遮光板将出光口遮住。

采用接触角测量仪控制液滴体积，生成直径为1.5mm左右的液滴，然后挂在热电偶偶头上，盖上玻璃罩的上盖板，同步器同时触发高速摄像机和采集器，然后移走遮光片，液滴蒸干后放回遮光片，以上步骤重复进行，采集数据。

2.4 实验结果及分析

图3是四个体积分别为1.601mm3、1.614mm3、1.652mm3、1.634mm3的液滴蒸发过程中温度随时间的变化关系。从图中我们可以得出结论金纳米颗粒可以强化对太阳光的吸收，加速液滴蒸发。但是与纳米滴的透射光谱所得出的结果不同的是，并不是浓度越大的液滴蒸发速度越快，因为同样实验条件下25ug/ml的纳米滴蒸发速度不仅快于10ug/ml的液滴，也快于100ug/ml的纳米滴，说明随着蒸发进行，液滴温度逐渐升高，纳米颗粒的稳定性变差，吸收光的效果受到影响。浓度最大的100ug/ml的液滴的温度跳动最为明显，纳米颗粒被光照射后温度会快速上升，加速纳米颗粒在液滴内的运动速度，不断的撞击到热电偶上后就会得到参差不齐的温度时间变化曲线，我们可以得出结论纳米金颗粒溶液在强化太阳能吸收研究中存在一个最佳的体积浓度，这也与[5]得出的结论一致。

3 结论

（1）纳米金颗粒由于局域表面等离激元效应可以强化水在200nm-800nm可见光波段对太阳光的吸收，极大的降低对光的透射率，并且将吸收的光的能量转化为热，可以有效加速液滴的蒸发过程。

（2）金纳米颗粒溶液的浓度越大，对光的吸收越强，但并不是随着金纳米颗粒溶液浓度的增大而增强，而是存在一个最佳的利用浓度。

参考文献：

[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.