Nature Energy：太阳能蒸发器-具有热量收集效果的可浮式结构

【引言】

太阳能蒸发器已经被应用了上千年，可以让污染的水或海水得以饮用。最典型的版本就是水容器底部用黑色的材料用来更多的吸收太阳光，从而使容器里的水变蒸汽，并被底部的玻璃或者其他干净的材料所收集。为加速这个过程，有人利用透镜或者镜子来收集更多的太阳光。但是成本依旧很高，每平方米高达200美元，对大多数人来说负担不起。

【成果简介】

近日，麻省理工的Gang Chen课题组报道了一种高效低成本的太阳能蒸发发生器（OAS）。这种吸收器是由商用的金属陶瓷包覆的铜基片组成，可以有效减少辐射损失，并为多孔结构，可以使底部的水被芯输送到上面吸收太阳能量的区域。透明泡沫罩在上面用来减少对流损失。绝缘泡沫隔绝了吸收剂吸收底层水的热量，并浮起整个结构。这种蒸发器再生水的成本是每平方米6美元，无疑为蒸发器的今后普遍使用提供了更大的空间和可能。

【图文导读】

图1：太阳能蒸汽发生器能量传输示意图

（a）能量平衡和在100°C时黑体太阳能接收器的运行图。

（b）OAS的能量平衡以及热量传递情况。 （c）OAS的照片。

分析：图1（a）是黑体太阳接受器的热量传递过程，包括向周围环境的辐射、对流损失和对底层水的辐射损失，计算发现由周围太阳能通量交付提供的1000Wm^-2不足以维持热损失，同时，水的汽化潜热与太阳能通量之间的高度不匹配，这都将使水的蒸发率得不到提高。（b）是以上挑战的应对措施，首先，该课题组将黑体吸收器换成可选择性的吸收器，该吸收器有高的太阳能吸收值和低的热发射值；其次，用保温材料包围在吸收器的上下层来进一步降低对流损失；最后，为克服不匹配问题，利用热收集器的原理，将吸收器吸收的热量传递给面积较小的蒸发区域。（c）为OAS的照片，商业光谱选择性涂层包覆在铜片来抑制辐射损失并使热量集中在蒸发区域。泡沫罩在上面用来减少对流损失。插槽被切割的泡沫填充，为了让蒸汽逃脱。绝热泡沫隔绝了吸收剂吸收底层水的热量，并浮起整个结构。插图比较了在100°C下，黑体与光谱选择吸收剂的热辐射损失比较。

图2：太阳能蒸汽发生器结构实图

（a）选择性吸收器是由商用的金属陶瓷包覆的铜基片组成。 （b）绝缘泡沫的结构。

（c）OAS三层结构图。 （d）蒸发槽的位置。

分析：图2 是实验室规模的OAS照片。（a）选择性吸收器是由商用的金属陶瓷包覆的铜基片组成。（b）保温泡沫是聚苯乙烯的泡沫磁盘，用来浮起整个结构，并限制了与底层水通过热传导和辐射的热量损失。黑色的编织物中间有芯，这个编织物起到从泡沫到底层水的输送水隧道，在泡沫周围的透明容器用来盛水，上面包裹的是一个透明的泡沫布，用来减少对流和蒸发，（c）OAS从上到下的三层主要结构分别是泡沫布、选择吸收器、保温泡沫。（d）显示的是蒸发槽位置在黑色织物的下面，长约10cm，宽1mm，不仅输送水，也增加了蒸发面积。可以通过调整槽的宽度来控制吸收器的操作温度。插图是蒸发槽的位置。

图3：太阳能蒸汽发生器的室内测试

（a）稳态蒸汽和选择吸收剂温度通过集中的热量测量出的关系曲线。

（b）稳态蒸汽和选择吸剂温度与时间之间的关系（1300个太阳辐射通量）。

（c）质量随时间的变化关系。 （d）OAS的效率与热量收集的关系，虚线是测量值，实线是计算值。

分析：图3是稳态蒸汽和选择吸收剂温度通过集中热量测量出的关系曲线，从结果看出，蒸汽温度与吸收器温度密切相关。通过（b）可以看出，最大的蒸汽温度是98°C，蒸汽温度直接在小的蒸汽室中利用电热偶测量得到。转折时间在300s，说明因为蒸汽的快速冷却，使蒸汽温度到不了100°C，沸腾限制了吸收器温度的进一步上升。（c）质量随时间的变化，当蒸汽温度在80°C，OAS达到稳定操作状态，证明了蒸汽在阳光下继续发生。蒸发效率是指蒸汽焓变与太阳辐射通量的比值。（d）是不同操作温度下，OAS的效率变化曲线。这个结果将在下面讨论。

图4：太阳能蒸汽发生器的室外测试

（a）和（b）分别是OAS在室外两个时间测试情况。

分析：为确认OAS的工作效果，特意在室外条件下进行了测试。热电偶被用来测量吸收器温度，日射强度计被用来测量入射的太阳辐射通量。图4 就是选择性吸收器两次试验过程（8月6号和9月17号）。（a）是在一个阳光强烈，但是间断性的天气测试，吸收器温度在数分钟内就可升到器工作温度。（b）在阳光不足，强度不变的天气下测试，OAS也可以有产生蒸汽的能力。所以，说明了无论阴天还是光强多变的季节，OAS都可以迅速达到工作温度。

图5：大面积太阳能蒸汽发生器的性能测试分析

（a）吸收器所能完成的性能与预测效率曲线。

（b）不同热集中效果，OAS达到的蒸汽温度与太阳通量的关系。

（c）最高温度灵敏度与泡沫透光率和选择表面吸收率的关系。

（d）吸收器最高温度敏感度与吸收剂发射能量的关系。

分析：图5（a）是可完成蒸汽的温度与在1000太阳辐射通量下预测的效率曲线。从结果可以看出在最高温度（100°C）在通量为200的时候可以达到。（b）在不同太阳辐射通量下OAS的预测效率，这个曲线说明了OAS在一整天种的工作效率。在通量为1的平台说明了相变限制了OAS的温度升高。（c）是OAS最高工作温度的灵敏度与泡沫布透明度以及吸收面积（τxα）的关系，当太阳辐射通量，随着τxα的增加，OAS效率是增加的。（d）是OAS最高工作温度的灵敏度与吸收器的发射能量的关系曲线。即使这个选择性吸收器的光学性能不好，但是仍旧可以工作产生蒸汽，说明影响辐射损失，透明率和吸收率对效率的影响比发射量更大。

【展望】

这项研究利用热集中方法比光集中方法更有效降低蒸汽成本，大规模生产会使成本更进一步的下降，从而有望让太阳能蒸汽发生器得到普遍应用。

文献链接：Steam generation under one sun enabled by a floating structure with thermal concentration（Nature Energy, 2016, 10.1038/NENERGY.2016.126）

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