[发明专利]用于太阳能蒸气蒸发和冷凝的系统和方法

说明书

提供了一种太阳能蒸气发生器系统和方法。在一些实施方案中，所述系统在低于室温下在太阳能蒸气发生过程中具有接近完美的能量转换效率。值得注意的是，当系统的运行温度低于周围环境的温度时，总蒸气发生量将高于输入太阳能能够产生的上限。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2016年11月30日提交的现在待审的申请号为62/428,138的美国临时申请和2017年6月9日提交的现在待审的申请号为62/517,604的美国临时申请的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

背景技术

蒸汽机的出现是引起第一次工业革命的关键发展之一。从那以后，蒸汽的使用影响了现代生活的许多方面。例如，在引入反渗透技术之前，热蒸汽发生和冷凝是用于海水脱盐的主要技术之一。虽然基于膜的技术成为脱盐的主要解决方案，但它们通常要求很高，并会因清洁和维护而产生严重的环境影响。因此，全球都在开发替代的脱盐技术以解决这些问题。没有电输入的太阳能蒸气发生被证明是一种有前景和环境友好的解决方案，特别是在资源有限的领域。然而，用于产生太阳能蒸气的常规技术通常依赖于昂贵且笨重的光学聚集系统以实现液体的主体加热(bulk heating)，由于不直接转化为蒸气产生的热吸收遍及整个液体体积而导致相对低的效率(例如30％至40％)。最近，已经探索了各种先进而昂贵的金属等离子体和碳基纳米材料用于太阳能蒸气(vapor)/蒸汽(steam)发生。然而，这些报道的结构的蒸发效率在1太阳照度(sun illumination)下仍然相对较低(例如，48％(10)至83％)。

对于实际的户外太阳能蒸发器应用，由于天气条件的变化，在该行星的大多数区域中不能实现稳定且连续的太阳照射。即使使用廉价的中等太阳能聚光器，仍然无法保证高于AM1.5太阳光的稳定入射功率。另外，由于大多数太阳能蒸发器被玻璃或其它类似的收集材料覆盖，因此冷凝会导致光学散射和入射太阳能的减少。因此，尽管在大多数先前报道的工作中被忽视，但在<1太阳照度(solar illumination)条件下的蒸汽发生是重要的，是长期需要的。

发明内容

本公开提供了太阳能蒸气生成的替代方法，其使用经支撑的基板。在极具成本效益且有效的实施方案中，基板是炭黑染色的纤维素-聚酯共混物(CCP)，并且支撑件是发泡聚苯乙烯泡沫(EPS)。根据所公开技术的一些实施方案的系统在1kW/m²的非聚光太阳照射下实现了约88％的创纪录的热转换效率。这相当于比自然蒸发的蒸气发生速率大约3倍的优化的蒸气发生速率。在实验室环境和室外环境中均以便携式原型进行了稳定和重复的海水脱盐测试，并实现了为市售产品产水率的2.4倍的产水率。而且，根据本公开的一些实施方案的脱盐系统在很大程度上避免了常规反渗透方法通常所需的海水进入和预处理的成本。与先前报道的先进纳米结构相比，该CP-EPS系统在材料和制造方面均成本极低、其是环境友好的且在生产过程中操作安全。这些属性使这种系统能够轻松扩展到大规模系统。此外，本系统的实施方案可用于同时产生新鲜水和处理严重污染来源的水。还可以引入膜过滤器和光催化剂以净化污染来源的水。考虑到污水/废水处理和再利用方面的挑战，低成本、无电和多功能技术的发展代表了该领域的重大进步。

在一些实施方案中，该方法进一步利用低于室温的冷蒸气，并提供所吸收太阳能的接近一致的转换效率。由于来自周围环境的能量贡献，所测量的总蒸气发生高于给定入射太阳能能够产生的上限。重要的是，这种突破性的技术是在1太阳照度下使用成本极低的CCP-泡沫体系实现的，不需要先进而昂贵的纳米材料。此外，示出了用于太阳能蒸发器系统的光学吸收和蒸发材料的特征：即，在给定环境下，更强的自然蒸发能力将导致更低的表面温度。这提供了在太阳能蒸发器技术、蒸发冷却和太阳能蒸发采矿应用、蒸发驱动的发电机以及最近报道的水蒸发诱导生电的应用。

附图说明

为了更全面地理解本公开的性质和目的，应参考以下结合附图的详细描述，其中：