水资源短缺问题日益严重,从海水中获取淡水成为迫切需求。由于太阳能储量丰富且获取方便,光热蒸发成为海水淡化技术的研究重点。然而,传统的光热蒸发系统效率较低,难以实现高效光热蒸发。为了提高蒸发效率,需要选用良好的集热材料并进行合理的热源布置。论文通过对集热材料的光热特性研究与筛选,选取了低成本可回收的四氧化三铁纳米颗粒为光热转换材料,并对其光能吸收特性与光热转换后的导热进行了分析;通过对体加热及面加热两类加热方式的研究,发现体加热蒸发系统造价低,但纳米流体的稳定性差,且蒸发效果有限;面加热蒸发具有良好的蒸发效率,但光热膜结构复杂,制备成本较高,很难规模化批量生产性能良好的纳米光热膜。针对光热蒸发系统热源设计的难点,本研究综合考虑两种加热方式的优缺点,通过液池和液滴两种代表性蒸发模式,系统探究高效低成本的光热热源布置并进行蒸发性能验证。具体开展的工作如下:1.在液池蒸发中,以气泡热边界层理论为指导,提出气泡界面上纳米颗粒自组装模型。在这种形式下,附着在气泡表面的纳米颗粒产生热量后直接在热边界层内用于蒸发,形成面加热蒸发;剩余纳米颗粒则在水体中进行常规的体加热蒸发。若将气泡尺寸控制在毫米级别,这一形式还能利用多颗粒热场叠加效应,使光热蒸发效果进一步加强。实验结果表明,引入气泡后0.1%体积分数的纳米流体可以吸收94%以上的入射太阳光,成为太阳能的良好吸收体。在气泡和集热颗粒的协同作用下,蒸发速率达到了纯水的2.5倍以上,优于集热颗粒和纯气泡流分别作用的效果叠加,说明气泡流纳米流体蒸发体加热热源有突出优势,可大幅提高光热蒸发性能。2.在液滴蒸发模式中,创新性地引入液体弹珠这一概念。这种表面包裹疏水纳米颗粒的液滴由于性质稳定而在能源化工领域的研究中得到广泛应用,受此启发,本文将纳米集热材料进行疏水处理,从而这写光热纳米颗粒可稳定地包裹在液滴表面,实现低成本的液滴面加热蒸发。实验结果表明,液体弹珠的蒸发强度远高于纳米流体,与水滴相比提高了3倍以上,液体弹珠蒸发过程中表面温度明显高于体加热模式的液滴,而内部温度则明显更低,说明液体弹珠能将集热材料吸收并释放出的热能直接用于蒸发。为了探究热电偶丝对液体弹珠性能的影响,设计了液体弹珠的平板蒸发实验进行对照。实验结果表明,液体弹珠置于玻璃平板上时,由于其导热性低于热电偶丝,使水滴产生了更大的表面温度梯度,导致了蒸发强度的提高。说明液体弹珠在光热蒸发领域有强的应用前景。本文研究结果为高效低成本的光热蒸发海水淡化热源设计研究提供了新思路,也为利用可获取的原材料和可再生能源开发设计高效直接接触式太阳能蒸发器奠定了基础,对高效纳米热源设计以及太阳能海水淡化等领域研究有重要意义。