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解讀利用納米粒子和太陽能直接產生蒸汽的新技術

發布者：walt | 來源：遼寧日報 | 1評論 | 10205查看 | 2013-01-11 09:32:46

　　在寒冷的冬天，灶臺邊、汽車排氣管中，熱氣騰騰的水蒸汽隨處可見，自然而然地我們會將蒸汽與高溫燃燒聯系在一起。然而，近日美國萊斯大學的科學家們公布的一項直接從冰水中產生蒸汽的新技術卻打破了這種慣性思維，令人感到驚訝。從冰水到蒸汽的飛躍是如何實現的？要具備什么樣的“資質”才能成為這項技術的關鍵材料？“太陽能蒸汽”技術會被應用在生活中的哪些地方？

　　納米材料上離子共振讓水瞬間變成蒸汽

　　遼寧日報：1765年，英國發明家瓦特改進蒸汽機，大大提高了它的效率。從那時起，人類文明裝上了強健有力的新引擎，世界在蒸汽的推動下進入高速發展的時代。時至今日，在歷經電氣時代、原子能時代等能源科技的諸多變遷后，蒸汽仍然是目前世界上最常用的工業流體之一。近日，美國萊斯大學的科學家們公布的一項新技術讓蒸汽再一次與新能源“聯姻”，引起公眾的關注。科學家稱可利用納米粒子直接將水轉換成蒸汽，甚至于在冰水中該方法同樣有效。苗研究員，請您為我們介紹一下這種變化是如何實現的嗎？

　　苗蕾：好的。這項“太陽能蒸汽”技術的關鍵，就在于研究人員發現了金屬納米粒子的表面等離子共振可以大幅增強吸收太陽光的能力，并將其利用到太陽能蒸汽領域，從而使傳統的太陽能光熱轉換材料更具威力。當將這些納米粒子材料浸沒在水中并暴露在陽光下時，它們會急速升溫，而且很快溫度就能超過水的沸點。在它們的“帶動”下，幾乎瞬間容器內就能產生水蒸汽。

　　遼寧日報：為什么這種納米粒子會在陽光下急速升溫？

　　苗蕾：金屬納米粒子在小到一定尺寸的時候就會產生表面等離子共振（SPR）的物理現象，由于共振致使電子吸收了光能量，從而使反射光在一定角度內大大減弱。當光線照射到水上時，這些粒子迅速升溫，超高的溫度可以讓其周圍的水直接汽化。而包裹在納米粒周圍的水蒸汽又可以形成一層隔熱層將其他較冷的液體隔開，使得納米粒附近的水域溫度越來越高。而當粒子周圍的包裹氣體越來越多后，產生的浮力將粒子浮到表面，大量水蒸汽爆開迅速釋放到空氣中，然后粒子再沉到水底繼續吸熱，產氣，上升，釋放，下沉如此循環往復。

　　遼寧日報：用這種方法制造出來的水蒸汽可以達到多高的溫度？

　　苗蕾：萊斯大學的研究者們給出的結論是在1atm （標準大氣壓）下，蒸汽可以達到100℃左右。從太陽能光熱轉化的角度來講，這是不可思議的。當然根據上面我講過的原理，大家不難發現，隨著實驗條件不同，產生的水蒸汽溫度也會有所差異。比如相同面積的納米粒子被高度聚焦的太陽光照射所產生的熱量，肯定會與相對分散的太陽光直接照射產生的熱量不一樣，自然水蒸汽的溫度也就會不一樣。從目前公布的資料來看，與溫度相關的聚光比、受光面積等關鍵指標還沒有明確的記載，所以我們無法精確地下結論。

　　遼寧日報：近年來太陽能利用技術層出不窮，而太陽能轉換效率一直是這個領域關注的焦點。那么我們談到的這項技術效率如何？

　　苗蕾：這個研究團隊的科學家認為該技術能把約80%的太陽能轉化成蒸汽能。如果通過當前的蒸汽渦輪機發電，那么其總體效率可達到24%。而我們比較熟悉的光伏太陽能電池板的綜合能效通常在15%左右。研究人員認為，隨著技術的進一步完善，效率仍有提升的空間。

　　其實，液體中的納米顆粒吸收太陽能的效率達到90%左右都是可能的，但是問題是吸收熱能以后的轉換效率，這個部分我沒有試驗過，不能輕易評價。

　　與光電轉化材料相比光熱轉化材料更便宜

　　遼寧日報：太陽能光熱轉化技術有很多種，我們的“太陽能蒸汽”技術屬于其中的哪一種？

　　苗蕾：太陽能熱利用按溫度劃分，目前可分為三領域。其中40℃至80℃為低溫領域、80℃至250℃為中溫領域、250℃至800℃為高溫領域。

　　低溫領域熱利用技術目前國內外已經比較成熟，主要提供生活用熱水，其產品為平板型或真空管型集熱器。

　　中溫領域熱利用技術主要以提供工農業用熱為主，目前較為先進的應用是空調制冷、區域建筑供暖及部分工業用熱等等。國際上普遍采用平板集熱器或玻璃-金屬封接式集熱管集熱器。

　　高溫領域熱利用技術主要應用是太陽能熱發電，集熱管結構方式為高溫真空太陽集熱管。目前國際光熱應用發展趨勢正從傳統的低溫熱水應用逐步向中高溫工業應用和熱發電應用轉變。

　　這項太陽能轉化蒸汽技術屬于中高溫領域。

　　遼寧日報：能夠將水加熱至中高溫，進而制造蒸汽的納米顆粒，需要有哪些特性？

　　苗蕾：太陽給地球帶來光與熱，主要靠電磁輻射的形式。太陽輻射波長主要分布在0.25至2.5微米范圍內。從光熱效應來講，太陽光譜中的紅外波段直接產生熱效應，而絕大部分光不能直接產生熱量。我們感覺在強烈的陽光下的溫暖和炎熱，主要是衣服和皮膚吸收太陽光線，從而產生光熱轉換的緣故。從物理角度來講，黑色意味著光線幾乎全部被吸收，吸收的光能即轉化為熱能。因此為了最大限度地實現太陽能的光熱轉換，似乎用黑色的涂層材料就行了，但實際情況并非如此。

　　這主要是材料本身還有一個熱輻射問題。從量子物理的理論可知，黑體（一個理想化物體，能夠吸收外來的全部電磁輻射，并且不會有任何的反射與透射）輻射的波長范圍在2至100微米之間，黑體輻射的強度分布只與溫度和波長有關，輻射強度的峰值對應的波長在10微米附近。

　　由此可見，太陽光譜的波長分布范圍基本上與熱輻射不重疊，因此這種納米材料要實現最佳的太陽能熱轉換，就需要在太陽光譜內吸收光線程度高，即有盡量高的吸收率，并且在熱輻射波長范圍內有盡可能低的輻射損失，即有盡可能低的發射率。兩個參數互相關聯，我們在研發太陽能光熱轉換材料時，一般需要材料（常用的太陽能選擇吸收涂層而非這種納米顆粒）的吸收率大于0.95，發射率小于0.05。

　　遼寧日報：制備這種納米材料是否需要昂貴的原料？

　　苗蕾：這些納米顆粒的造價不算非常昂貴。目前太陽能應用主要集中在光熱利用和光電利用兩大領域。相對于太陽能光電技術來講，太陽能光熱的材料制備相當簡單，廉價。但是因為需要添加一定的納米金屬粒子（金、銀等貴金屬），也需要一定的成本。當然，這里還有一個很通俗的道理，就是性能追求越高，成本也會越高。

　　醫療消毒、水質凈化太陽能蒸汽初顯身手

　　遼寧日報：您覺得 “太陽能蒸汽”在未來發展的道路上會遇到哪些技術上的難點？

　　苗蕾：不少人都知道“我之所以站得高，是因為我站在巨人的肩上”這句出自世界著名科學家牛頓之口的名言。它告訴我們科技發明很難一蹴而就，也就是說技術的進步是一點點向前推進的。其實，仔細翻閱歷史你會發現這項太陽能蒸汽技術中也有“前輩的身影”。多年前科學家也做過類似的研究，但是囿于當時科技的整體水平，研究暫時作罷。近30年來，由于納米材料的分散和表面處理有了很大進步，這項技術才再次進入我們的視野。相較以前的研究，這種方法在效率上有了一定的提高和改善。

　　提到技術上的難點，我覺得首先制備這種光激納米粒子條件相對比較苛刻，此外如何延長納米粒子的壽命并降低成本，如何控制其在水中的分散程度、穩定性，如何將其分離、沉淀等很多問題都將是這項技術向前發展時遇到的挑戰。

　　而且這種方法與多年前的研究面臨著相同難題，那就是如何用它來規模化制造大量的蒸汽。或許正是因為如此，目前研究這項技術的科學家才并沒有考慮如何用它來發電，而是把它首先定位在為邊遠地區的衛生設施消毒和凈化水質。據說萊斯大學的研究人員已研制出了一個能在缺電地區為醫療器械消毒的“太陽能蒸汽”高壓鍋，他們還準備為沒有下水道或照明的地區研制一個超小規模人體廢物處理系統。

　　遼寧日報：這項技術還有哪些潛在的用途？

　　苗蕾：研究這項技術的人員曾經對這項技術進行了蒸餾實驗，他們發現“太陽能蒸汽”效率要比現有蒸餾塔高出兩倍半之多。高蒸餾效率，暗示這項技術可以應用在海水淡化、生物質制備醇類的提純及其他多種液體的提純和凈化方面。

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