等離激元效應促進光熱轉化的機理研究

劉歡　劉廣林

摘 ? 要：隨著傳統化石能源短缺問題和環境污染的日漸加重，開發新能源成為實現可持續發展的必要途徑。太陽能憑借其簡單、高效、直接以及清潔無污染的性質成為新能源開發的重點，納米流體因其良好的輻射傳熱性質，可作為太陽能熱利用的集熱工質，提高光熱轉換效率。本文研究利用納米顆粒的表面等離激元效應來解釋納米流體促進光熱轉化的機理。

關鍵詞：太陽能 ?納米流體 ?等離激元 ?光熱轉化

中圖分類號：TB383 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（b）-0089-02

在傳統常規能源儲量緊張且環境污染日益嚴重的前提下，新能源的開發和研究蔚然成風[1]。關鍵技術的不斷突破和對于生態環境保護的需求也在加速推動化石能源向新能源轉化的進程，太陽能就是清潔的可再生能源之一，在能源戰略中占有重要的地位[2]。太陽能熱利用是太陽能實際利用中的重要組成部分。多項實驗及研究表明，納米流體的光熱轉換效率遠高于一般工質，非常適合作為太陽能集熱工質。

1 ?納米流體定義

納米流體是指在基液中加入納米級別的金屬或非金屬顆粒，從而制備出穩定、均勻的分散系，其本質是形成具有優良熱導率、質量擴散率、和傳熱系數的膠態懸浮物。其特殊的輻射性能和良好的光熱轉換性能，關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解釋納米流體的優良特性。

2 ?等離激元效應

在外電磁場激發下，高摻雜半導體或金屬納米結構中的類自由電子會被激發。電子運動與電磁場互相激勵產生共諧振蕩，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共諧振蕩的量子化描述，準粒子攜帶相應的動量和能量[4]。

3 ?納米顆粒等離激元效應光熱轉換機理

等離激元共振時，光學激發的納米顆粒能夠顯著地升高環境溫度甚至融化周圍的介質。等離激元的光熱轉換過程為：納米顆粒將吸收的光能轉換為電子諧振的動能，然后經由晶格對電子的散射，把諧振的動能轉化為晶格的振動能，最后晶格振動的熱能傳遞到周圍環境，引起溫升，實現光熱轉換[5]。研究表明，當入射光波長接近表面等離子共振峰時，光熱轉換效率最佳。

在沒有相變的情況下，納米顆粒系統內的傳熱可以用常見的導熱方程來描述：

（1）

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

在納米顆粒的內部，熱流量q（r，t）滿足：

（2）

這里j（r，t）是電流密度，E（r，t）是電場強度。

由于在實際光熱轉換過程中，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）

入射光強度滿足如下方程，式中ε0是真空介電常數，nm是介質折射率，E0是入射場強。

（5）

4 ?結語

常規能源的短缺及污染問題日漸加重使得太陽能熱利用成為了學者們研究的熱門方向。大量的研究結果表明，納米流體具有較高的光熱轉換效率，適宜作為太陽能的集熱工質，實現對太陽能的高效吸收利用[6]。本文研究利用納米顆粒的表面等離激元效應解釋納米流體的優異性能。除了表面等離激元效應，納米流體內還存在其他的效應使得其光熱轉換性能優異，希望能在日后的學習中開展進一步的研究，為高效吸收利用太陽能奠定一定的理論基礎。

參考文獻

[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：原理和應用[J].金屬功能材料，2016，23（5）：1-6.

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