Nature Energy：太陽能蒸發器-具有熱量收集效果的可浮式結構

【引言】

太陽能蒸發器已經被應用了上千年，可以讓污染的水或海水得以飲用。最典型的版本就是水容器底部用黑色的材料用來更多的吸收太陽光，從而使容器里的水變蒸汽，并被底部的玻璃或者其他干凈的材料所收集。為加速這個過程，有人利用透鏡或者鏡子來收集更多的太陽光。但是成本依舊很高，每平方米高達200美元，對大多數人來說負擔不起。

【成果簡介】

近日，麻省理工的Gang Chen課題組報道了一種高效低成本的太陽能蒸發發生器（OAS）。這種吸收器是由商用的金屬陶瓷包覆的銅基片組成，可以有效減少輻射損失，并為多孔結構，可以使底部的水被芯輸送到上面吸收太陽能量的區域。透明泡沫罩在上面用來減少對流損失。絕緣泡沫隔絕了吸收劑吸收底層水的熱量，并浮起整個結構。這種蒸發器再生水的成本是每平方米6美元，無疑為蒸發器的今后普遍使用提供了更大的空間和可能。

【圖文導讀】

圖1：太陽能蒸汽發生器能量傳輸示意圖

（a）能量平衡和在100°C時黑體太陽能接收器的運行圖。

（b）OAS的能量平衡以及熱量傳遞情況。 ? ??（c）OAS的照片。

分析：圖1（a）是黑體太陽接受器的熱量傳遞過程，包括向周圍環境的輻射、對流損失和對底層水的輻射損失，計算發現由周圍太陽能通量交付提供的1000Wm^-2不足以維持熱損失，同時，水的汽化潛熱與太陽能通量之間的高度不匹配，這都將使水的蒸發率得不到提高。（b）是以上挑戰的應對措施，首先，該課題組將黑體吸收器換成可選擇性的吸收器，該吸收器有高的太陽能吸收值和低的熱發射值；其次，用保溫材料包圍在吸收器的上下層來進一步降低對流損失；最后，為克服不匹配問題，利用熱收集器的原理，將吸收器吸收的熱量傳遞給面積較小的蒸發區域。（c）為OAS的照片，商業光譜選擇性涂層包覆在銅片來抑制輻射損失并使熱量集中在蒸發區域。泡沫罩在上面用來減少對流損失。插槽被切割的泡沫填充，為了讓蒸汽逃脫。絕熱泡沫隔絕了吸收劑吸收底層水的熱量，并浮起整個結構。插圖比較了在100°C下，黑體與光譜選擇吸收劑的熱輻射損失比較。

圖2：太陽能蒸汽發生器結構實圖

（a）選擇性吸收器是由商用的金屬陶瓷包覆的銅基片組成。 ?（b）絕緣泡沫的結構。

（c）OAS三層結構圖。 ? ? ??（d）蒸發槽的位置。

分析：圖2 是實驗室規模的OAS照片。（a）選擇性吸收器是由商用的金屬陶瓷包覆的銅基片組成。（b）保溫泡沫是聚苯乙烯的泡沫磁盤，用來浮起整個結構，并限制了與底層水通過熱傳導和輻射的熱量損失。黑色的編織物中間有芯，這個編織物起到從泡沫到底層水的輸送水隧道，在泡沫周圍的透明容器用來盛水，上面包裹的是一個透明的泡沫布，用來減少對流和蒸發，（c）OAS從上到下的三層主要結構分別是泡沫布、選擇吸收器、保溫泡沫。（d）顯示的是蒸發槽位置在黑色織物的下面，長約10cm，寬1mm，不僅輸送水，也增加了蒸發面積。可以通過調整槽的寬度來控制吸收器的操作溫度。插圖是蒸發槽的位置。

圖3：太陽能蒸汽發生器的室內測試

（a）穩態蒸汽和選擇吸收劑溫度通過集中的熱量測量出的關系曲線。

（b）穩態蒸汽和選擇吸劑溫度與時間之間的關系（1300個太陽輻射通量）。

（c）質量隨時間的變化關系。 ??（d）OAS的效率與熱量收集的關系，虛線是測量值，實線是計算值。

分析：圖3是穩態蒸汽和選擇吸收劑溫度通過集中熱量測量出的關系曲線，從結果看出，蒸汽溫度與吸收器溫度密切相關。通過（b）可以看出，最大的蒸汽溫度是98°C，蒸汽溫度直接在小的蒸汽室中利用電熱偶測量得到。轉折時間在300s，說明因為蒸汽的快速冷卻，使蒸汽溫度到不了100°C，沸騰限制了吸收器溫度的進一步上升。（c）質量隨時間的變化，當蒸汽溫度在80°C，OAS達到穩定操作狀態，證明了蒸汽在陽光下繼續發生。蒸發效率是指蒸汽焓變與太陽輻射通量的比值。（d）是不同操作溫度下，OAS的效率變化曲線。這個結果將在下面討論。

圖4：太陽能蒸汽發生器的室外測試

（a）和（b）分別是OAS在室外兩個時間測試情況。

分析：為確認OAS的工作效果，特意在室外條件下進行了測試。熱電偶被用來測量吸收器溫度，日射強度計被用來測量入射的太陽輻射通量。圖4 就是選擇性吸收器兩次試驗過程（8月6號和9月17號）。（a）是在一個陽光強烈，但是間斷性的天氣測試，吸收器溫度在數分鐘內就可升到器工作溫度。（b）在陽光不足，強度不變的天氣下測試，OAS也可以有產生蒸汽的能力。所以，說明了無論陰天還是光強多變的季節，OAS都可以迅速達到工作溫度。

圖5：大面積太陽能蒸汽發生器的性能測試分析

（a）吸收器所能完成的性能與預測效率曲線。

（b）不同熱集中效果，OAS達到的蒸汽溫度與太陽通量的關系。

（c）最高溫度靈敏度與泡沫透光率和選擇表面吸收率的關系。

（d）吸收器最高溫度敏感度與吸收劑發射能量的關系。

分析：圖5（a）是可完成蒸汽的溫度與在1000太陽輻射通量下預測的效率曲線。從結果可以看出在最高溫度（100°C）在通量為200的時候可以達到。（b）在不同太陽輻射通量下OAS的預測效率，這個曲線說明了OAS在一整天種的工作效率。在通量為1的平臺說明了相變限制了OAS的溫度升高。（c）是OAS最高工作溫度的靈敏度與泡沫布透明度以及吸收面積（τxα）的關系，當太陽輻射通量，隨著τxα的增加，OAS效率是增加的。（d）是OAS最高工作溫度的靈敏度與吸收器的發射能量的關系曲線。即使這個選擇性吸收器的光學性能不好，但是仍舊可以工作產生蒸汽，說明影響輻射損失，透明率和吸收率對效率的影響比發射量更大。

【展望】

這項研究利用熱集中方法比光集中方法更有效降低蒸汽成本，大規模生產會使成本更進一步的下降，從而有望讓太陽能蒸汽發生器得到普遍應用。

文獻鏈接：Steam generation under one sun enabled by a floating structure with thermal concentration （Nature Energy, ?2016, ?10.1038/NENERGY.2016.126）

該文獻解讀由材料人新能源學習小組? 水牛牛? 供稿，點我加入編輯部。

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