Nature Energy：太阳光水蒸汽发生技术再进一步
前言：
如何有效利用太阳能一直是人们研究的热点。太阳能的利用方式主要可以分为光-电转化，光热转化，光-化学转化，光-生物转化四种。说到光热转化，可能大家会立刻想到太阳能热水器。虽然光热转化的原理很简单，但实际上光热转化领域并没有那么狭窄，除了太阳能热水器之外，光热转化还可以用于采暖制冷，海水淡化以及光热发电等。光热发电一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为蒸汽（光热转化），然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电（热电转化）。今天要跟大家分享的就是利用太阳能将水转化为水蒸汽。
本次分享的文献标题为：Steam generation under one sun enabled by a floating structure with thermal concentration，来自MIT的Gang Chen课题组。同期，上海交通大学的尚文副研究员和邓涛教授在Nature Energy上对这篇论文进行了评述：Steam by thermal concentration（DOI: 10.1038/NENERGY.2016.133）
1. 太阳光——低能量密度
太阳能是理想的清洁能源，而之所以迟迟无法非常有效地利用起来，其中一个非常关键的因素在于：太阳光能量密度很低（1000 W m-2）。对于光热产生蒸汽而言，为了提高光热转化效率，一般都需要加一个聚光器将光的能量密度提高10-1000倍，而聚光器一般造价都很昂贵。如果不使用聚光器的同时，能够高效产生水蒸汽，将极大地拓展光热转化的应用前景。
2. 界面太阳能蒸汽发生器——“关门打狗”式的光热转化技术
传统的太阳能蒸汽发生的装置类似于太阳能热水器，一般用集热器来吸收太阳能，利用集热器的高温来加热大量的水。而在这个过程中会伴随大量的热量损失。
界面太阳能蒸汽发生器（Interfacial solar steam generation）则有效地减少了热量流失，其基本原理如下图所示。简单的来说，这种浮在水面上的太阳能吸收器有两层：上层为太阳能吸收层，负责光热转化；下层为隔热层（将吸收层与大部分的水体隔开），只允许少量的水从通道中进入，从而只对界面上少量的水进行加热产生水蒸气。这种“关门打狗”的方式能够最大地利用太阳能吸收层的热量，减少能量损耗。
不过一般来说，这样的界面太阳能蒸汽发生器仍然需要聚光器，虽然倍数要低很多。
3.用集热器来取代聚光器——界面太阳能蒸汽发生器的又一大进步
“关门打狗”的主要目的是什么？就是要集中热量将少量水变成蒸汽。那为什么需要聚光器呢？因为太阳光能量密度低，集中起来的热量不够。而实际上，要想提高局部的热量，不仅仅可以使用聚光器来加大输入的能量，还可以采用集热器来集中能量。
当然，实际上作者还对这种界面太阳能蒸汽发生器的结构进行了其他小小的变动：1) 将黑体吸收器（blackbody adsorber）变为光谱选择性吸收器（spectrally selective absorber）以减少辐射热;2)在吸收器的上下加上隔热层以尽可能减少吸收器与空气之间的热交换。
总而言之，对于太阳能蒸汽发生器而言，最根本的指导思想是：集中热量做有意义的事情！
4.实验结果
作者根据以上概念设计了器件，并对其性能进行了测试，发现在自然光下，该器件也能够有效地产生蒸汽。这里对于具体测试结果的分析不作过多介绍，感兴趣的朋友可以点击阅读原文来获取原文献进行阅读。这里还是强调一个概念：科研是脑子来做的，所以想法最重要。
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