新漂浮式太陽熱能系統的關鍵是......氣泡紙！

Bubble Wrap: The Key to a New Floating Solar Thermal System
By Charles Q. Choi
Posted 22 Aug 2016 | 15:00 GMT

Photo: George Ni/MIT

太陽熱能利用來自太陽的熱量產生電、熱、淡化海水及處理廢水。然而，這通常需要昂貴的反射鏡陣列集中日光。現在，科學家已經開發出一種浮動系統，不需如此集中陽光即可燒開水。

陽光是相對稀釋的，因為太陽能在晴空下投射到地球表面的量平均僅每平方公尺1000瓦。所以目前的太陽能熱電廠使用昂貴的反光鏡和透鏡聚集太陽光以將水煮沸並驅動渦輪機。這些聚光器通常佔太陽熱能系統資金成本的主要部分，且由於太陽白天會移動跨越天空，聚光器通常也需要支撐結構及通電，以幫助他們追蹤太陽。 （有些太陽能熱電廠也需要自動化清洗鏡面）。

新系統可以在正常水平的陽光下燒開水，無需聚光即可產生蒸汽。它包含一個浮在水面上、多層結構的「太陽能接收器(solar receiver)」。

「我們的演示展示了一種生產低成本太陽能光熱設備的新方法，」麻省理工學院的機械工程師George Ni說。


太陽能接收器的中間層含有被陶瓷和金屬的混合物所覆蓋的銅薄片。它能有效率地吸收太陽能，也是熱的良導體。底層由發泡體(foam)組成，有助於整個結構浮動。頂層則是透明的氣泡紙，讓太陽光能到達吸收層。

由纖維通道組成的虹吸芯(wick)通過發泡體，幫忙把水向上吸，而發泡體和吸收層之間的棉纖維薄片有助於使水擴散。太陽能接收器內的水被吸收層加熱。貫穿氣泡紙和吸收層的狹長孔道(slot)可讓蒸汽逸出。

整體的結構設計能使熱能集中。發泡體保持吸收層不會因底下的冷水失去熱量，而氣泡紙防止了吸收層向空氣散失熱量。在2015年8月到9月的白天，他們在麻省理工學院的屋頂實驗，太陽能接收器的工作溫度能夠在數分鐘內達到峰值。

「就個人而言，我們發現氣泡紙在這個系統內的性能令人驚艷，」Ni說。 「雖然它相當常見，成本又低，氣泡紙在太陽能的應用上卻有良好性能。它透明到能允許太陽能穿過它抵達吸收器；而且，氣泡紙的大空氣包能困住吸收的熱量，因此產生更高的效率。氣泡紙可以比喻成一個溫室」。


研究人員指出，它們用各種低成本的市售材料製作太陽能接收器，使該系統的成本每平方公尺大約US $6。透過使用更便宜的材料，他們認為可以降為每平方公尺約$2。與此相對的，具備追蹤太陽的聚光器的太陽熱能系統每平方公尺價格高達$200。

該系統可同時生成較高溫的蒸汽(steam)和較低溫的水蒸氣(vapor)。 「我們的系統轉換太陽能產生蒸汽的效率是20％左右，」Ni說。 「對於產生較低溫度的蒸氣，我們有高得多的效率—大約70％。」

該太陽能接收器的短期應用可能包括海水淡化和廢水處理。對於海水淡化，研究人員將調整系統，以最大化生產較低溫度的水蒸氣，然後開發出凝聚收集蒸氣的方法。對於廢水處理，研究人員會先讓水蒸氣消散到大氣中，「留下少量但數量更便於管理的濃縮廢液，」Ni說。

對於發電，需要開發從該系統中加壓蒸汽的方法，論文的senior author*，麻省理工學院的機械工程師Gang Chen說。 「我們已經證明的這些事物，將會激發出更多在這個方向的努力，」Chen說。
*有關senior author的討論http://blog.sciencenet.cn/blog-850184-698441.html

工程師今天在自然能源(Nature Energy)雜誌線上詳細介紹了他們的發現。


來源：http://spectrum.ieee.org/energywise/green-tech/solar/new-solar-thermal-energy-system-floats-on-water-and-boils-it