利用太阳高效生产蒸汽

麻省理工学院开发的一种新型材料结构通过吸收太阳来产生蒸汽。

这种结构——一层石墨薄片和底层的碳泡沫——是一种漂浮在水上的多孔绝缘材料结构。当阳光照射到结构表面时，它会在石墨中产生一个热点，将水从材料的孔隙中吸上来，在那里以蒸汽的形式蒸发。光线越亮，产生的蒸汽就越多。

这种新材料能够将85%的太阳能转化为蒸汽，这比最近的太阳能蒸汽发电方法有了重大改进。更重要的是，该装置在这个过程中损失的热量很少，并且可以在相对较低的太阳强度下产生蒸汽。这意味着，如果扩大规模，该装置可能不需要复杂、昂贵的系统来高度集中阳光。

麻省理工学院机械工程系的博士后Hadi Ghasemi说，这种海绵状结构可以用相对便宜的材料制成，这对于各种紧凑的蒸汽动力应用来说是一个特别的优势。

“蒸汽对于海水淡化、卫生系统和灭菌非常重要，”领导该结构开发的Ghasemi说。“特别是在太阳能是唯一能源的偏远地区，如果你能用太阳能产生蒸汽，那将非常有用。”

Ghasemi和机械工程系主任陈刚，以及麻省理工学院的其他五人，在杂志上报告了这种新型蒸汽产生结构的细节自然通讯．

切割光浓度

今天，太阳能蒸汽发电涉及大量的镜子或透镜，这些镜子或透镜将入射的阳光集中起来，将大量液体加热到足够高的温度以产生蒸汽。然而，这些复杂的系统可能会经历严重的热损失，导致低效的蒸汽产生。

最近，科学家们通过开发新的太阳能接收器和利用纳米流体，探索了提高太阳能热收集效率的方法。后一种方法是将水与纳米颗粒混合，当暴露在阳光下时，纳米颗粒会迅速升温，使周围的水分子蒸发成蒸汽。但启动这一反应需要非常强烈的太阳能，大约是正常晴天的1000倍。

相比之下，麻省理工学院的方法产生蒸汽的太阳强度大约是晴天的10倍——这是迄今为止报道的最低光学浓度。研究人员说，这意味着蒸汽产生应用程序可以在较低的阳光浓度和较便宜的跟踪系统下运行。

“这在降低成本方面是一个巨大的优势，”Ghasemi说。“这对我们来说很令人兴奋，因为我们已经提出了一种新的太阳能蒸汽发电方法。”

从太阳到蒸汽

这种方法本身相对简单:由于蒸汽是在液体表面产生的，Ghasemi寻找一种既能有效吸收阳光，又能在液体表面产生蒸汽的材料。

在对多种材料进行试验后，他确定了一种薄的双层圆盘状结构。它的顶层是由石墨制成的，研究人员将材料放在微波中去角质。Chen说，这种效果“就像爆米花”:石墨冒出来，形成一窝薄片。结果是一种高度多孔的材料，可以更好地吸收和保留太阳能。

该结构的底层是一种碳泡沫，其中含有空气袋，以保持泡沫漂浮，并作为绝缘体，防止热量泄漏到下面的液体中。泡沫还包含非常小的孔隙，允许水通过毛细作用爬过结构。

当阳光照射到该结构时，它会在石墨层中产生一个热点，产生一个压力梯度，将水从碳泡沫中吸上来。当水渗入石墨层时，集中在石墨中的热量将水变成蒸汽。这种结构的工作原理很像一块海绵，当在炎热、阳光明媚的日子里放在水中时，它可以持续吸收和蒸发液体。

研究人员通过将其置于水中并将其暴露在太阳模拟器(一种模拟不同强度太阳辐射的光源)下来测试该结构。他们发现，在太阳强度是典型晴天的10倍的情况下，他们能够将85%的太阳能转化为蒸汽。

Ghasemi说，根据所用材料的类型，这种结构可能会被设计得更高效。

“在这两层中可以使用不同的材料组合，从而在较低的浓度下获得更高的效率，”Ghasemi说。“在更大的系统中实现这一点，还有很多研究可以做。”

麻省理工学院

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