等离激元效应促进光热转化的机理研究

刘欢　刘广林

摘   要：随着传统化石能源短缺问题和环境污染的日渐加重，开发新能源成为实现可持续发展的必要途径。太阳能凭借其简单、高效、直接以及清洁无污染的性质成为新能源开发的重点，纳米流体因其良好的辐射传热性质，可作为太阳能热利用的集热工质，提高光热转换效率。本文研究利用纳米颗粒的表面等离激元效应来解释纳米流体促进光热转化的机理。

关键词：太阳能  纳米流体  等离激元  光热转化

中图分类号：TB383                                 文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2019）06（b）-0089-02

在传统常规能源储量紧张且环境污染日益严重的前提下，新能源的开发和研究蔚然成风[1]。关键技术的不断突破和对于生态环境保护的需求也在加速推动化石能源向新能源转化的进程，太阳能就是清洁的可再生能源之一，在能源战略中占有重要的地位[2]。太阳能热利用是太阳能实际利用中的重要组成部分。多项实验及研究表明，纳米流体的光热转换效率远高于一般工质，非常适合作为太阳能集热工质。

1  纳米流体定义

纳米流体是指在基液中加入纳米级别的金属或非金属颗粒，从而制备出稳定、均匀的分散系，其本质是形成具有优良热导率、质量扩散率、和传热系数的胶态悬浮物。其特殊的辐射性能和良好的光热转换性能，关键在于纳米颗粒的特殊性[3]。本文研究利用纳米颗粒的局域表面等离激元效应解释纳米流体的优良特性。

2  等离激元效应

在外电磁场激发下，高掺杂半导体或金属纳米结构中的类自由电子会被激发。电子运动与电磁场互相激励产生共谐振荡，这便是表面等离激元。由于声子可以理解成晶体中的原子发生集体震荡的量子化描述，因此表面等离激元也可表述为电子与电磁场共谐振荡的量子化描述，准粒子携带相应的动量和能量[4]。

3  纳米颗粒等离激元效应光热转换机理

等离激元共振时，光学激发的纳米颗粒能够显著地升高环境温度甚至融化周围的介质。等离激元的光热转换过程为：纳米颗粒将吸收的光能转换为电子谐振的动能，然后经由晶格对电子的散射，把谐振的动能转化为晶格的振动能，最后晶格振动的热能传递到周围环境，引起温升，实现光热转换[5]。研究表明，当入射光波长接近表面等离子共振峰时，光热转换效率最佳。

在没有相变的情况下，纳米颗粒系统内的传热可以用常见的导热方程来描述：

（1）

这里温度T（r，t）是坐标r和时间t的函数，ρ（r）， c（r）， k（r）分别是质量密度、比热容和导热系数，热源为纳米颗粒。

在纳米颗粒的内部，热流量q（r，t）满足：

（2）

这里j（r，t）是电流密度，E（r，t）是电场强度。

由于在实际光热转换过程中，平均值更有研究意义，可得到：

（3）

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

（4）

入射光强度满足如下方程，式中ε0是真空介电常数，nm是介质折射率，E0是入射场强。

（5）

4  结语

常规能源的短缺及污染问题日渐加重使得太阳能热利用成为了学者们研究的热门方向。大量的研究结果表明，纳米流体具有较高的光热转换效率，适宜作为太阳能的集热工质，实现对太阳能的高效吸收利用[6]。本文研究利用纳米颗粒的表面等离激元效应解释纳米流体的优异性能。除了表面等离激元效应，纳米流体内还存在其他的效应使得其光热转换性能优异，希望能在日后的学习中开展进一步的研究，为高效吸收利用太阳能奠定一定的理论基础。

参考文献

[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，阮琦锋，王建方，等.局域表面等离激元[J].物理，2014，43（5）：290-298.

[5] 王荣明，林炜铧，王江彩，等.金属局域表面等离激元共振和表面等离激元波导：原理和应用[J].金属功能材料，2016，23（5）：1-6.

[6] 宣益民，李强.纳米流体强化传热研究[J].工程热物理学报，2000（4）：466-470.