科学家公布超高效太阳能技术
作者：发布时间：2012年12月05日 00:00点击数：295
美国莱斯大学科学专家们公布了一项革命性的新技术，即利用纳米粒子将太阳能转化为水蒸气，这项名为“太阳能蒸汽”的新方法是在莱斯大学的纳米光子学实验室里研发出来的，它的效率非常之高，甚至能从冰水中产生水蒸气。
今天，在美国化学学会ACS Nano期刊上已刊载了太阳能蒸汽方法的详细步骤。该项技术的总能源效率为24%。相比之下，光电太阳能电池板的总能源效率通常在15%左右。然而，太阳蒸汽法的发明者说他们期望该项技术首要作用不是用于发电而是在发展中国家用于改善卫生状况及水净化的处理方面。
“它比电受到的关注要多得多”，莱斯大学的纳米光子学实验室主任娜奥米·哈拉斯说道，她是这个项目的领头人，“在这种技术的支持下，我们将开始考虑如何以一个完全不同的方式利用太阳光的热能”。
“太阳能蒸汽”的效率是由纳米粒子聚光将太阳能转化成热能而产生的。当浸在水里的粒子受到太阳光照射时会很快地发热，它们会使水立刻蒸发并形成水蒸气，哈拉斯表示随着技术越发精湛，“太阳能蒸汽”的整体能源效率还有可能进一步得到提高。
“我们对水进行加热的步骤要从宏观的尺度过渡到纳米的尺度”，哈拉斯说，“我们所说的粒子是非常小的，甚至比一个波长的光还要小，这就意味着它用极其小地表面面积去散热，这种剧烈地发热能让我们就地生成水蒸气，正好在粒子的表面上就地生产水蒸气，这样的想法真是太违反直觉了”。
为了阐明如何称之为违反直觉的，莱斯大学的本科学生沃娜·诺依曼专门录制了一个“太阳能蒸汽”制作过程的演示程序，在这个演示程序里，是将一根含有光活性纳米粒子的试管水浸在可以用作淋浴的冰水中。利用透镜将太阳光聚集在接近冰点的试管内的混合物中，沃娜展示了她能从接近冰点的水中产生水蒸气。
水蒸气是世界上最常用的一种工业液体。大约90%的电是由蒸气产生的，蒸气还被用来给医疗废弃物和手术器械的消毒，用于烧制菜肴，用于水的净化等。
大多数工业用的水蒸气是由大型锅炉加工产生的，哈拉斯表示“太阳能蒸汽”的效率能让制造规模小点的蒸气变得更加经济实惠。
发展中国家的人们是最先受惠到“太阳能蒸汽”的益处的。莱斯大学理工类本科生们已经研制出一种 “太阳能蒸汽”灭菌的高压容器，这是专门为缺少电力设施的医疗诊所设计的，可以用于医用器械和牙科医疗器具的消毒和灭菌。哈拉斯也赢得了由比尔和梅琳达盖茨基金会赞助的项目——格兰特大挑战赛的奖金，针对人类排泄物处理这方面，去开发研制出一个超小尺度的系统而不是继续利用下水道系统或者电力等去处理。
“因为它的高效率，‘太阳能蒸汽’是非常值得关注的”，诺依曼说道，他是《纳米技术》期刊的合著者中的领头人，“它也不需要使用数英亩的太阳能镜子或者太阳能电池板。事实上，它的覆盖区域非常之小。例如，在我们演示的“太阳能蒸汽”灭菌的高压容器中，用于聚集阳光的窗口（透镜）面积仅仅只有几平方厘米。”
另外一种潜在的用途是给混合空调系统提供动力，以及在白天利用太阳能让供热系统运转，而在晚上再利用发电让供热系统运转。哈拉斯、诺依曼以及她们的同事们也通过开展蒸馏实验，研究发现太阳能蒸气的效率是现有蒸馏塔效率的2.5倍。
哈拉斯，莱斯大学（斯坦利·C·摩尔）电气与计算机工程学教授、物理学教授、化学教授、以及生物工程学教授，集多个头衔于一身，也是世界上被引用的文章作者最多的化学家之一。在她所主管的实验室里专门从事光激活粒子的研发。金纳米球壳是她的研究发现的粒子中的一种，被应用于一些临床实验，主要以攻克癌症为主的试验。
在癌症治疗技术领域以及其他很多领域的应用方面，哈拉斯的团队选择了粒子，仅仅靠几个波长的光来相互作用，相互影响。在太阳能蒸气这个项目上，哈拉斯和诺依曼着手设计出了一种粒子，即能与最大可能范围的太阳能光谱相互作用一种粒子。她们新研制的纳米粒子能被人们肉眼可见到的光以及肉眼见不到的波长较短的光激活。
“我们没有改变任何一条热力学定律”，哈拉斯说，“我们只是以一个完全不同的方式将水煮沸。”
依靠广泛吸收分散在液体中的金属和碳纳米粒子的太阳能光照而产生蒸气，这样不再需要加热大量的流体物质。当在环境温度下，分散在水中的粒子集中主要能量汽化水分子，从而形成水蒸气，通过一个比分子小得多的粒子来使流体受热。
太阳光照粒子同样也能为水-乙醇蒸馏提供动力，与简单的热蒸馏比较起来，能够生成乙醇含量高得多的液体。这些现象能使太阳能应用更广泛更紧密，比如在一些资源匮乏的地区给医用废弃物以及卫生基础设施进行消毒灭菌。