Solnedblødende enhed forvandler vand til overophedet damp

MIT-ingeniører har bygget en enhed, der opsuger nok varme fra solen til at koge vand og producere "overophedet" damp varmere end 100 grader Celsius, uden dyr optik.

På en solskinsdag, strukturen kan passivt pumpe damp ud, der er varm nok til at sterilisere medicinsk udstyr, samt til brug ved madlavning og rengøring. Dampen kan også levere varme til industrielle processer, eller det kunne opsamles og kondenseres til at producere afsaltet, destilleret drikkevand.

Forskerne har tidligere udviklet en svampelignende struktur, der flød i en beholder med vand og forvandlede det vand, den absorberede, til damp. Men en stor bekymring er, at forurenende stoffer i vandet fik strukturen til at nedbrydes over tid. Den nye enhed er designet til at hænge over vandet, for at undgå enhver mulig forurening.

Den ophængte enhed er omtrent på størrelse og tykkelse som en lille digital tablet eller e-læser, og er opbygget som en sandwich:Det øverste lag er lavet af et materiale, der effektivt absorberer solens varme, mens bundlaget effektivt afgiver den varme til vandet nedenunder. Når vandet når kogepunktet (100 C), det frigiver damp, der stiger tilbage op i enheden, hvor det ledes gennem det midterste lag - et skumlignende materiale, der yderligere opvarmer dampen over kogepunktet, før det pumpes ud gennem et enkelt rør.

"Det er et fuldstændig passivt system - du lader det bare stå udenfor for at absorbere sollys, siger Thomas Cooper, assisterende professor i maskinteknik ved York University, der ledede arbejdet som postdoc på MIT. "Du kunne skalere dette op til noget, der kunne bruges i fjerntliggende klimaer til at generere nok drikkevand til en familie, eller steriliser udstyr til en operationsstue."

Holdets resultater er detaljeret i et papir, der skal offentliggøres i Naturkommunikation . Undersøgelsen inkluderer forskere fra laboratoriet i Gang Chen, Carl Richard Soderberg professor i energiteknik ved MIT.

En smart kombination

I 2014 Chens gruppe rapporterede om den første demonstration af en simpel, solcelledrevet dampgenerator, i form af et grafitbelagt kulstofskum, der flyder på vand. Denne struktur absorberer og lokaliserer solens varme til vandoverfladen (varmen ville ellers trænge ned gennem vandet). Siden da, hans gruppe og andre har søgt at forbedre effektiviteten af ​​designet med materialer med varierende solabsorberende egenskaber. Men næsten alle enheder er designet til at flyde direkte på vandet, og de er alle stødt ind i problemet med forurening, da deres overflader kommer i kontakt med salt og andre urenheder i vand.

Holdet besluttede at designe en enhed, der i stedet er suspenderet over vandet. Enheden er struktureret til at absorbere kortbølgelængde solenergi, hvilket igen varmer enheden op, får det til at genudstråle denne varme, i form af længere bølgelængde infrarød stråling, til vandet nedenfor. Interessant nok, forskerne bemærker, at infrarøde bølgelængder lettere absorberes af vand, kontra solbølgelængder, som simpelthen ville passere igennem.

For enhedens øverste lag, de valgte en metalkeramisk komposit, der er en højeffektiv solfanger. De har belagt strukturens bundlag med et materiale, der nemt og effektivt udsender infareret varme. Mellem disse to materialer, de lagde et lag retikuleret kulstofskum i klemme – i det væsentlige, et svampelignende materiale besat med snoede tunneler og porer, som bevarer solens indkommende varme og yderligere kan opvarme dampen, der stiger op gennem skummet igen. Forskerne fastgjorde også et lille udløbsrør til den ene ende af skummet, hvorigennem al dampen kan komme ud og nemt opsamles.

Endelig, de placerede enheden over et bassin med vand og omgav hele opsætningen med et polymerkabinet for at forhindre varmen i at slippe ud.

"Det er denne smarte konstruktion af forskellige materialer, og hvordan de er arrangeret, der giver os mulighed for at opnå rimelig høj effektivitet med dette ikke-kontakt arrangement, " siger Cooper.

Fuld damp frem

Forskerne testede først strukturen ved at køre eksperimenter i laboratoriet, ved hjælp af en solsimulator, der efterligner karakteristikaene af naturligt sollys ved varierende, kontrollerede intensiteter. De fandt ud af, at strukturen var i stand til at opvarme et lille bassin med vand til kogepunktet og producere overophedet damp, ved 122 C, under forhold, der simulerede sollys produceret på en klar, solskinsdag. Da forskerne øgede denne solintensitet med 1,7 gange, de fandt, at enheden producerede endnu varmere damp, ved 144 C.

Den 21. okt. 2017, de testede enheden på taget af MIT's bygning 1, under omgivende forhold. Dagen var klar og lys, og for at øge solens intensitet yderligere, forskerne konstruerede en simpel solkoncentrator - et buet spejl, der hjælper med at indsamle og omdirigere mere sollys til enheden, dermed hæve den indkommende solflux, svarende til den måde, et forstørrelsesglas kan bruges til at koncentrere en solstråle for at opvarme en plet fortov.

Med denne ekstra afskærmning, strukturen producerede damp over 146 C i løbet af 3,5 timer. I efterfølgende forsøg, holdet var i stand til at producere damp fra havvand, uden at forurene enhedens overflade med saltkrystaller. I et andet sæt eksperimenter, de var også i stand til at opsamle og kondensere dampen i en kolbe for at producere ren, destilleret vand.

Chen siger, at ud over at overvinde udfordringerne med forurening, enhedens design gør det muligt at opsamle damp på et enkelt punkt, i en koncentreret strøm, hvorimod tidligere designs producerede mere fortyndet spray.

"Dette design løser virkelig begroningsproblemet og dampopsamlingsproblemet, " siger Chen. "Nu søger vi at gøre dette mere effektivt og forbedre systemet. Der er forskellige muligheder, og vi ser på, hvad der er de bedste muligheder at forfølge."