光热转换 |Nature Energy: 新颖热集中方案，实现100℃蒸汽生产的界面蒸发器

发布者：刘德桃发布时间：2023-09-12浏览次数：10

光热转换 |Nature Energy: 新颖热集中方案，实现100℃蒸汽生产的界面蒸发器

 玩转物理化学 玩转物理化学 2023-07-01 08:06 
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01 摘要


将太阳能转化为热量有许多应用，例如发电、住宅热水、海水淡化、蒸馏和废水处理。然而，太阳光通量是分散的，通常需要昂贵的光学聚光组件来产生一些应用所需的高温。在这里，麻省理工大学Gang Chen 团队报道了一种漂浮式太阳能接收器，能够在环境空气条件下产生 100°C 的蒸汽，而无需进行光聚光。高温是通过热集中和热局部化来实现的，这减少了对流、传导和辐射热损失。低成本且可扩展的太阳能蒸汽发生器的演示有望显着扩展应用领域并降低太阳能热系统的成本。

02 研究背景

太阳是一种有前途且丰富的可再生能源，能够解决许多社会挑战。太阳能热技术，即将阳光转化为热能，开发用于许多应用，例如发电、生活用水加热、海水淡化和其他工业过程。这些应用中通常需要产生蒸汽和蒸汽，但分散的太阳通量（1000 W/m2）无法为吸收器单位面积提供足够的功率来达到所需的高温并补偿水汽化的大量潜热。光学的抛物面槽、定日镜和透镜等聚光器可以将环境太阳通量集中数十甚至数千倍以达到高温。吸收和散射截面超过其几何截面的等离子体纳米颗粒最近已被开发和应用用于直接太阳能蒸汽发生，但它们通常需要 10-1000 倍的光聚光才能产生高温蒸汽。然而，光聚光器价格昂贵（200 美元/平方米2），通常占太阳能热系统资本成本的主要部分。此外，它们需要支撑结构和获取电能来跟踪太阳。虽然光聚光目前对于聚光太阳能发电等需要高温的应用是必需的，但减少或完全消除对光聚光依赖的光热技术将具有更好的市场渗透率。全世界， 非聚光太阳能热发电的使用量（~200 GW）超过聚光太阳能热发电的使用量（~5GW）。


使用浮动石墨基两层太阳能吸收器在低（≤ 10x）光浓度下产生太阳能蒸汽。这种结构将太阳能热量产生集中到水体的蒸发表面，而不是浪费加热整个水体。该结构的顶层吸收太阳通量，而底层限制产生的热量传导到下面的水体。这导致蒸汽产生效率高达 85%。然而，为了达到 100°C 的蒸汽产生，光聚光需要 10 kW/m2的太阳通量，是正常太阳 (1000 W/m2) 的 10 倍。其他几个小组研究了表面化学在帮助水输送和底层隔热方面的作用，结合等离子体或碳基吸收层，并使用其他廉价且丰富的材料。这些研究取得了相对较高的蒸发效率， 但依靠光学聚焦来提高蒸发温度并实现这样的效率。例如，Ito等人使用9x的聚光片来实现蒸汽产生。为了在没有光学集中的情况下达到沸点，太阳能接收器的设计必须能够抑制吸收器表面的热损失。
03 结果与讨论

3.1 自然太阳光下产生高温蒸汽器件设计

使用环境太阳通量 (1000 W/m2) 或一颗太阳实现蒸汽生成需要显着减少接收器的热损失。图 1a 显示了浮动太阳能蒸汽发生器涉及的传热过程，包括向周围环境的辐射和对流热损失以及向底层水的传导和辐射热损失。净蒸发率𝑚可表示为：

其中是潜热，𝐴 吸收体面向太阳的表面积，𝛼 太阳吸收率，太阳通量，𝜀 吸收表面的发射率，𝜎 StefanBoltzmann 常数，ℎ 对流传热系数，以及

到底层水的热通量，包括传导和辐射。假设黑体吸收体的环境条件下水沸腾所需的最低温度为 𝑇 = 100°C，并且= 20°C，则向环境的辐射热损失为 680 W/m2。取自然对流换热系数为10 W/m2K，对流传热损失为800 W/m2。仅这两个损失通道就超过了 1000 W/m2的入射太阳通量，并且通过传导和辐射向下面的水有额外的热损失。


水的汽化潜热（100°C 时为 2.26 MJ/kg）与环境太阳通量之间的巨大不匹配带来了另一个挑战。即使没有任何能量损失，根据方程 1，环境太阳通量产生的最大质量通量为= 4.4×10A2kg/m2s。(1).过去研究表明，100°C 时水的质量蒸发率可以高一个数量级（高达kg/m2s）。

图1|一个太阳产生蒸汽的工作原理。a，100°C 下运行的黑体太阳能接收器的能量平衡和传热图。环境太阳通量提供的 1000 W/m2 不足以维持热损失，并且无法达到 100°C 的平衡温度。b，设计的一个太阳下环境蒸汽发生器（OAS）中的能量平衡和传热。c，由铜上商业光谱选择性涂层组成的 OAS 照片，用于抑制辐射损失并将热量热集中到蒸发区域。气泡膜盖可透射阳光，并最大限度地减少对流损失。在气泡膜上切出一些槽，以便蒸汽逸出。热泡沫将热选择性吸收器与底层的冷水隔离，并使整个结构漂浮。插图比较了黑体和光谱选择性吸收器在 100°C 时的热辐射损失。

图 1b 显示了我们用来克服上述挑战的策略，以实现在一个太阳下连续产生蒸汽，甚至可以降低太阳通量。首先，我们用光谱选择性吸收器代替黑体吸收器，它具有高太阳吸收率𝛼和低热发射率𝜀。光谱选择性吸收体强烈吸收阳光，但发出很少的辐射热。它们已经广泛应用于家用太阳能热水系统，并允许在停滞条件下将抽空的太阳能热水管加热到100℃以上。但是，这些太阳能热水系统不是设计的用于从开放水体产生蒸汽或蒸发。其次，在吸收器的顶面和底面使用隔热材料，以减少空气的对流损失以及下方水的传导和辐射热损失。最后，为了克服汽化潜热与环境太阳通量之间的不匹配，我们使用热集中，将吸收的热量传导到小于吸收器表面积的蒸发区域。

3.2 一太阳光强度下蒸发器

图 2 显示了实验室规模的 One-sun 环境蒸汽发生器 (OAS)，它包含三个主要组件。首先，使用光谱选择性太阳能吸收器，由涂在铜片上的金属陶瓷 (BlueTec eta plus) 组成。其次，隔热体由聚苯乙烯泡沫盘制成。最后，用一张大的透明气泡包装纸制成对流罩。我们使用各种低成本商业材料来构建太阳能接收器，并且我们相信甚至更便宜的材料也可以替代预期的应用，如下文所述；一个例子是使用替代选择性涂层。


图 2|一个太阳环境蒸汽发生器。a，选择性吸收器由市售的金属陶瓷涂层铜基板组成。b、隔热泡沫的作用是将整个结构漂浮在水体上，并限制对下方冷水的热传导和辐射。中心的深色织物隐藏着织物芯，该织物芯穿过泡沫到达下面的水中。织物通过泡沫吸水。泡沫周围的透明容器可以盛水，并有一个盖子以防止多余的蒸发。c，OAS的三层，从上到下：气泡膜、选择性吸收器和隔热泡沫。d，蒸发槽，露出下面的深色织物。织物不仅可以输送水分，还可以增加蒸发面积。插图显示了蒸发槽的切割位置。


3.3 实验室实验

实验室规模的 OAS 性能首先在实验室环境中进行表征（补充方法）。使用太阳模拟器提供太阳通量（1000 W/m2），并使用天平测量接收器和供水的实时质量损失。选择吸收器温度和蒸气温度测量（图 3a）作为热浓度 Ctherm 的函数，即总照明面积与蒸发面积的比率。蒸气温度密切跟踪选择性吸收器温度。当约 0.1% 的表面用于蒸发时，达到的最高蒸汽温度为 98°C（图 3b）（Ctherm = 1300x）。在这种情况下，蒸汽温度是使用小型均热板通过热电偶直接测量的。𝑡 = 300 秒附近的扭结清楚地表明沸腾限制了太阳能接收器的温度进一步升高，尽管由于蒸汽的快速冷却，测量的蒸汽温度并未完全达到 100°C。图 3c 显示了生成 80°C 蒸汽时质量随时间的变化。这些图显示接收器在大约 5 分钟内达到稳态运行，清楚地表明在 1 个太阳光照下连续产生蒸汽。


图3|蒸汽发生实验结果。a，作为所用热浓度的函数测量的稳态蒸汽和选择性吸收器温度。蒸发槽的尺寸不同以控制操作温度。b，在 1300x 热浓度下，蒸气和选择性吸收器温度与时间的关系。蒸汽温度是用放置在蒸发区域上方的小蒸汽室直接测量的。温升的扭结是由于相变造成的。c，当产生的蒸气温度为80°C时，质量随时间的变化。OAS 很快达到稳定状态。d，显示接收器效率与热集中的关系。点是测量值，线是使用 OAS 传热模型计算的（补充说明 1）。
太阳能蒸汽生成效率定义为生成的蒸汽的焓变除以总入射太阳通量的比率：



其中 𝑚 是蒸发引起的瞬时质量变化， 是液态水到蒸气的焓变， 是单位面积的太阳通量，𝐴 是接收器的总面积。图 3d 显示了不同工作温度下的接收器效率。图 3d 中的线条是通过使用 OAS 的传热模型获得的，这将在下面讨论。

3.4 在户外产生蒸汽

使用自然阳光在户外实验验证了 OAS 在实际条件下产生蒸汽的能力，其中变化的入射太阳通量和风等因素会极大地影响接收器的性能。OAS 被放置在 MIT 的屋顶上，中午进行所有实验。热电偶用于测量选择性吸收器温度，热辐射计用于测量水平表面上的入射太阳通量，称为全局水平辐照度。图 4 显示了两次实验运行期间（2015 年 8 月 6 日和 9 月 17 日）的选择性吸收器温度和太阳通量。根据实验室数据，当选择性吸收器达到100℃时，会产生蒸汽。
图 4a 显示了在云层覆盖的晴天进行的测量，这导致太阳通量发生巨大变化 (~200-1000 W/m2。温度测量表明选择性吸收器能够在几分钟内恢复其峰值工作温度（> 95°C）。图 4b 显示了太阳更加稳定，但由于季节变化而在天空中位置较低的情况。这个较低的天空位置减少了入射到水平表面的太阳通量（~750 W/m2。这些实验证明了太阳能接收器在太阳通量较低且变化的时期（例如非夏季月份和阴天）能够快速达到 100°C 温度的能力。

图4|自然阳光下的户外表现。OAS 在两个不同日期的室外条件下的温度测量：a，2015 年 8 月 6 日，b，2015 年 9 月 17 日。a 展示了 OAS 在阴天快速达到峰值工作温度的能力，而 b 展示了其在阴天快速达到峰值工作温度的能力。在太阳通量低的日子（非夏季）产生蒸汽。对于每个实验，热浓度为 1000x。
04 结论

这里，麻省理工大学Gang Chen 团队演示了在对环境开放的接收器中，无需聚光片达到水沸腾和蒸汽的产生。该接收器由各种低成本和市售材料制成，结合了太阳能吸收器的光谱选择性、隔热和面内热集中。通过改变热浓度，接收器可以产生 100°C 的饱和蒸汽，或高效率 (64%) 的低温蒸汽。在环境阳光下煮水的能力有望显着降低现有太阳能热系统的成本，同时开辟海水淡化、废水处理和消毒等新应用。


论文链接：https://doi.org/10.1038/nenergy.2016.126

Steam generation under one sun enabled by a floating structure with thermal concentration | Nature Energy