Nature Energy：太阳能烧水，能玩出啥花样？

说到太阳能烧水，好像已经不能算是高科技了，有人可能会说，那有啥，我家就有，你看！

图片来源：腾腾宝贝0515/新浪博客

不过，今天要介绍的太阳能烧水装置，还真不是利用凹面镜或者透镜聚光的大个头，它看起来毫不起眼，甚至很难与“太阳能烧水”联系起来。不过，它却出自美国麻省理工学院（MIT）大名鼎鼎的陈刚（Gang Chen）教授实验室，刚刚被Nature Energy报道，是真真正正的“高科技”。这种装置被研究人员称为“太阳能蒸汽发生器（ambient steam generator，OAS）”，具有海绵状结构，不需要镜子或透镜来聚集阳光，仅仅依赖成本较低的材料进行组合，可以吸收自然光，并把水加热到沸腾的温度，然后透过微孔产生水蒸汽。（Steam generation under one sun enabled by a floating structure with thermal concentration. Nature Energy, 2016, 1, 16126, DOI: 10.1038/nenergy.2016.126）

本文一作、MIT研究生George Ni和能浮在水面上的OAS。图片来源：Jeremy Cho/MIT

这里要专门介绍一下，陈刚教授本科和硕士毕业于华中科技大学，后进入美国加州大学伯克利分校机械系攻读博士学位。毕业后辗转杜克、UCLA等几个大学任教，最终被挖到MIT，担任机械系主任。因其在纳米传热和热电转换领域、纳米超材料上的卓越贡献，2010年陈刚教授当选为美国国家工程院院士。

陈刚教授。图片来源：MIT

再回到“太阳能蒸汽发生器”。人类利用太阳能进行加热的历史已有上千年，除了本文开头的凹面镜，现今真空管式热水器也很常见。利用太阳能蒸馏进行水净化或者海水淡化，不额外需要能源和设备，是贫困地区或者生存环境恶劣地区人们获得洁净饮用水很有希望的策略。但是，现在的技术中，如果只采用黑体吸收太阳光的能量，由于其自身的热辐射、对流和传导损失的能量大于太阳辐射的能量，无法使水温达到100°C的沸点并保持温度平衡，也就无法高效率地产生太阳能蒸馏所需的高温水蒸汽。为了更好地收集太阳能，人们采用的方案是用镜子或透镜来聚焦太阳光，但大规模应用时太阳能聚光器成本过高，每平方米在200美元左右。

陈刚教授等人采用蓝色的金属陶瓷复合材料作为选择性吸收器，可以有选择性的吸收太阳光中的可见光和紫外线，而且并不会以红外的形式向外辐射热量（下图c）。选择性吸收器下方是导热良好的铜薄片以及保温泡沫，研究团队在这个三明治结构上打孔，使得这个装置浮在水面上时，水能够顺着这些小孔被吸上来并加热（下图b）。这时候还有一个关键问题没有解决，空气的对流会从选择性吸收器表面带走大量热量。

OAS结构。图片来源：Nature Energy

解决问题的灵感来自陈刚教授年仅16岁的女儿，她当时正在为了一个科学展览准备一个小小的温室装置，她发现一层塑料气泡包装垫（类似下图a）既透明又隔热，用在小温室上再合适不过。陈刚教授受到启发，将这个策略用在了他们的装置上（下图b），果然大大降低了空气对流造成的热量散失。（不过，论文作者中并没有这个小姑娘的名字~~~）

随后，研究者们在实验室模拟条件和自然环境下分别做了实验。实验室条件下，光辐射强度保持在1000W·m^-2，吸收器与蒸汽温度达到98°C，热转化效率最高可达71%。自然环境下，无论是光强多变的日子，还是光辐射强度较低的阴天，OAS都能正常工作，可以在几分钟内温度升高至接近100°C。

该团队期望将此技术应用在海水淡化、废水处理等领域，George Ni说，“我们正在探究将该设备应用于盐水和高污染环境中”。

1.http://www.nature.com/articles/nenergy2016126

2.http://www.sciencemag.org/news/2016/08/solar-still-made-bubble-wrap-could-purify-water-poor

（本文由小希供稿）