太阳能在环境压力下产生高温蒸汽
摘要 本文演示了一种用于在环境压力下产生高温蒸汽的简便太阳能蒸汽发生器。蒸汽发生器由盘绕的铜管（CCT）组成，它既可以用作太阳能收集器，也可以用作蒸汽加热器。为了改善太阳光吸收，CCT的内表面和外表面均涂有黑色的超疏水性氧化铜层，并且这种超疏水性层可防止加热过程中水蒸汽的凝结和堵塞。太阳蒸汽通过界面蒸发在CCT的入口处产生，然后随着蒸汽从入口行进到出口而在CCT内部被加热。通过采用这种方法，能够证明在1倍太阳光照射下蒸汽温度可以超过100℃。此外，在环境压力下，蒸汽温度在10倍阳光照射下可以高达250℃。在这项工作中还成功进行了灭菌实验，以证明所产生的高温蒸汽的潜在应用。这种经过实验验证的方法有助于在涉及高温蒸汽的应用中利用太阳能驱动的界面蒸发，包括医疗灭菌、化学制造和食品加工。
关键词：高温蒸汽；光热转换材料；太阳能蒸汽发电；灭菌；蒸汽加热
1、简介
高温蒸汽已广泛用于化学工业、热力发电、食品加工和农业过程。消耗化石燃料的常规高温蒸汽生产过程会导致严重的环境影响，例如温室气体的排放和水污染。考虑到可持续性，有必要利用可再生能源生产高温蒸汽。太阳作为一种容易获得且无穷无尽的清洁能源，近年来引发了大量对太阳能收集技术的研究。在新开发的利用太阳能的方法中，由太阳热能转换技术产生的蒸汽已用于各种场合，包括发电、海水淡化和消毒。最近的研究更多地集中在通过优化界面蒸发系统中使用的设计和材料来提高能量转换效率，从而改善了太阳能吸收、热局部化、供水和蒸汽传输路径。Asinari的小组利用了加热的铜板产生蒸汽，并留出狭窄的间隙以释放蒸汽。在10倍阳光照射下，蒸汽温度约为97.3℃。由太阳能驱动技术产生的蒸汽温度升高是涉及高温蒸汽应用的另一项重要研究。Halas和他的同事先前展示了一种通过将宽带吸收光的纳米颗粒与太阳能高压釜集成在一起的太阳能蒸汽发生系统，其中产生的蒸汽在1个大气压以上的压力下显示出115℃以上的高温。Chen小组研发的碳基双层结构在10倍太阳照射下可以达到100℃左右的蒸汽温度和约85%的热转化率。在最近的工作中，他们展示了通过热集中方法得到的实验室环境的太阳能蒸汽发生器，该方法可以减少辐射损耗和对流损耗。通过这种方法，他们在环境压力下的1阳光照射下产生100℃的蒸汽。然而，通过这种热浓缩设计来进一步提高环境压力下的蒸汽温度是有挑战性的。在这种方法中，需要高太阳能密度（gt;20倍太阳照射）来实现高温蒸汽（gt;121℃）是一个潜在的限制。最近，Cooper和合作社展示了一种非接触式蒸汽发生系统，其中太阳能吸收器不接触水面。在该系统中，在单阳光照射下的非加压系统中，蒸汽达到的温度超过100℃。但是，蒸汽达到稳定状态需要花费超过一小时的时间。相对较长的的加热时间可能会限制其在某些应用中的使用。
图1. 环境压力下Cu管高温蒸汽产生示意图
在这项工作中，我们证明了在环境压力下产生的蒸汽温度高于100℃，但太阳密度却低得多。如图所示，高温蒸汽发生器由一个涂有黑色超疏水氧化铜（SHB-CuO）层的盘管铜管（CCT），一种聚二甲基硅氧烷（PDMS）泡沫和一个亲水芯组成。.当CCT暴露在均匀的太阳照射下时，CCT的表面温度迅速升高，这是由于CCT上黑色氧化铜涂层的高光吸收所致。由于局部加热效应，水蒸气随后在亲水芯和CCT入口之间的连接处产生。当蒸气从管的入口行进到出口时,这种产生的蒸气在CCT内部被不断加热。通过调整CCT的长度与内径的比率(L/d),在1个阳光照射下可以在环境压力下产生温度高于100℃的蒸汽。在环境压力下生产高温蒸汽的能力不仅有助于进一步扩大现有太阳能热系统的应用空间，而且也为太阳能热系统在医疗卫生、化学制造和食品加工中的潜在应用中开辟了新的发展机会。
2、实验方法
2.1、化学与材料
铜管购自上海良飞五金有限公司，氢氧化钾（KOH，ge;85.0%）和盐酸（HCl，36.0%-38.0%）购自上海灵峰化学试剂有限公司。过硫酸钾(K2S2O8, 99.5%)和乙醇(C2H6O, ge;99.7%)是从国药集团化学试剂获得，1H, 1H, 2H, 2H-全氟辛基三乙氧基硅烷(PTES)是从Sigma-Aldrich公司获得。[医]硅酮弹性体及其固化剂是从Dow Corning公司购得。热嗜热菌的商业生物指示条（EZTest自含式生物指示条）是从SGM生物技术公司购得。
2.2、管的表征
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