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摘 要

在河流和海水混合过程中释放的吉布斯自由能被证明是清洁和可再生能源的一个可靠的来源。反向电渗析(RED)是利用这一天然盐浓度梯度获得电能的主要方法之一，最近发现基于纳米通道的盐差发电系统在功率和能量转换效率上相较传统方法有明显提高。通过使用多物理场数值分析软件COMSOL建立相应模型，添加适当边界条件，研究纳米通道的长度、直径、形状等几何参数对功率和能量转换效率这两个衡量系统性能的重要参数的影响。研究发现随着纳米通道长度的增加，功率呈现先增加后减小的抛物线趋势，而能量转换效率则随着长度增加而增加。而在纳米通道长度较短时，通道的功率随着直径的增大而减小，在通道长度较长时，电阻成了主导功率的因素，随着直径的增大功率越来越大。至于通道效率则是随着通道直径的增大而减小。关于纳米通道的形状，通过研究发现漏斗形的纳米通道有类似二极管的整流特性，因此通道的功率以及能量转换效率相较对称结构的圆柱形通道有明显提升。最终基于上述研究发现，同时考虑功率密度以及能量转换效率，纳米通道最好为漏斗形纳米通道，直径大概为10nm,长度保持在400-800nm。

关键词： 纳米通道； 反向电渗析； 功率； 能量转换效率 ；几何形状

Abstract

The Gibbs free energy released during the mixing of river and sea water has been illustrated as a promising source of clean and renewable energy. Reverse electrodialysis (RED) is one major strategy to gain electrical power from this natural salinity, and recently by utilizing nanochannels a novel mode of this approach has shown improved power density and energy converting efficiency. By using the software COMSOL, corresponding model is set up and add the appropriate boundary conditions. The influence of the length, diameter and shape of the nanochannel on power density and energy conversion efficiency is studied. The study found that with the increase of the length, the power density increases first and then decreases, while the energy conversion efficiency increased with the increase of the length. When the nanometer channel length is relatively short, the channel power decreases with the diameter of the channel length increases；When the nanometer channel length is relatively long, due to the resistance became a dominant factor of power, the power decreases with the increase of diameter. As for the shape of the nanometer channel, through the study we found that the funnel nanochannels have similar diode rectifier features, so the channel power and energy conversion efficiency compared with symmetrical structure of the cylindrical passage has obvious improvement. Finally, based on the above findings, considering both power density and energy conversion efficiency, the nanochannel is preferably a funnel nanochannel with a diameter of 10nm and a length of 400-800nm.

KEY WORDS: nanochannel; Reverse electrodialysis(RED); power; energy conversion efficiency; geometry

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 选题缘由与研究意义 1

1.2 文献综述 2

1.2.1 传统离子选择性膜 2

1.2.2 新型纳米通道膜 3

1.3 结论 4

第二章 理论分析 5

2.1 双电层 5

2.2 电渗透 5

2.3 电泳 6

2.4 热力学分析 6

2.5 模型建立与数学仿真 8

2.6 结论 9

第三章 长度的影响 10

3.1 功率与能量转换效率 10

3.2 膜电压与扩散电流 11

3.3 通道的离子选择性 13

3.4 结论 14

第四章 直径的影响 15

4.1 功率与能量转换效率 15

4.2 通道的离子选择性 16

4.3 电导的影响因素 17

4.4 结论 19

第五章 形状的影响 20

5.1 模型建立与数学仿真 20

5.2 功率与能量转换效率 21

5.3 不同形状通道的离子整流 25

5.4 结论 26

第六章 总结 27

致谢 28

参考文献 29

第一章 绪论

1.1选题缘由与研究意义

在全球能源危机和全球变暖的背景下，对清洁可再生能源的需求日益增大。如图1-1所示，石油仍然是世界的主要燃料，占所有能源消费的近三分之一，而煤炭和天然气也各自占据了很大一部分份额。可再生能源在2017年占所有能源消费的3.2%。根据图1-2可看出，世界上的化石能源总体上还可供人类使用100年左右。开发替代能源的任务非常紧迫。到了2050年，由于经济性问题，风能，太阳能等可再生能源在全部能源消耗中所占比例顶多为10%。真正能代替化石能源的是可再生新能源。如核能，可燃冰以及海洋能。

图1-1 世界一次能源消费占比

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