2013-02-04

無須煮沸,以日光產生蒸氣!

Researchers report major advance in using sunlight to produce steam without boiling water
http://phys.org/news/2012-11-major-advance-sunlight-steam.html

November 19, 2012

(Phys.org) -- (英國)Rice 大學科學家有一項革命性的新技術,那利用奈米粒子直接將太陽能轉換成蒸氣。這種新的 "solar steam(太陽能蒸氣,下文均用原文)" 方法來自 Rice 的奈米光子實驗室(Laboratory for Nanophotonics,LANP),其效率如此之高,甚至能從冰冷的水中產生蒸氣。

Solar steam 的細節今日發表在 ACS Nano 期刊線上版。這項技術有 24% 的總體能源效率(overall energy efficiency)。相較之下,光伏太陽能板一般只有大約 15% 的總體能源效率。然而,solar steam 的發明者表示,他們預期這種新技術的第一個用途並非用於發電,而是在發展中國家的環境衛生與淨水。

"這不僅僅是電力," LANP 主任 Naomi Halas 表示,此計畫的領導科學家。"透過這項技術,我們能開始以完全不同的方式思考太陽熱能(solar thermal power)。"

Solar steam 的效率是來自於光捕捉奈米粒子,當湮沒在水中並暴露在日光下,粒子變熱如此之迅速,以至於它們能立即汽化水並創造蒸氣。Halas 表示,當 solar steam 經過提昇,此技術的總體能源效率或能再增加。

"我們將要從大規模的情況下加熱水,變成在奈米尺度下加熱它," Halas 說。 "我們的粒子非常小 -- 甚至比光波長還小 -- 這意味著它們的表面積非常小以至於無法使熱消散。這種強烈的加熱使我們能局部性地產生蒸氣,就在粒子的表面,而局部性地產生蒸氣真的是違反直覺。"

為了證明有多麼違反直覺,Rice 畢業生 Oara Neumann 拍攝 solar steam 的示範影片,在其中,一根裝水且包含光活化奈米粒子的試管浸入一缸冰水中。利用透鏡將日光集中到試管內近乎冰凍的混合物上,Neumann 證明她能夠從近乎冰凍的水中創造出蒸氣。

蒸氣是世上最常使用的工業液體。大約 90% 的電力產生自蒸氣,而蒸氣也用來消毒醫療廢棄物與外科手術器具,用來製備食物與淨水。絕大部分的工業用蒸氣都來自於大型的蒸氣鍋爐,Halas 表示 solar steam 的效率能使蒸氣在非常小的尺度上變得經濟。

在開發中國家的人們將是率先看到 solar steam 利益的那一批人。Rice 的工程科系在學生已經創造出一套 solar steam 加持的消毒器(autoclave),能在缺乏電力的診所消毒醫療與牙醫器具。Halas 亦從 Bill and Melinda Gates 基金會獲得大挑戰(Grand Challenges)獎,要創造出一套超小型的系統,在沒有下水道系統或電力的地區處理人類廢棄物。

"Solar steam 因其效率而引人注意," Neumann 說,論文的共同作者。"它不需要好幾畝的鏡子或太陽能板。事實上,足跡可以非常的小。例如:在我們的示範消毒器中,光窗(light window)只有幾平方公分。"

另一種可能的應用是提供動力給混合式空調與加熱系統,那在白天使用日光,夜晚使用電力。Halas、Neumann 等人也進行蒸餾實驗,並發現 solar steam 的效率比現有的蒸餾柱要高出 2.5 倍。

Halas -- Stanley C. Moore 電機與電腦工程教授(物理教授、化學教授以及生物工程教授)-- 為世上最著名的化學家之一。其實驗室專精創造與研究光活化粒子。她的作品之一,金奈米殼(gold nanoshells),是幾項癌症療法臨床試驗的主題。

為了癌症治療技術以及其他許多應用,Halas 的團隊選擇只與少數波長的光進行交互作用的粒子。在 solar steam 計畫中,Halas 與 Neumann 則著手設計出盡可能與所有太陽光光譜進行交互作用的粒子。她們的新奈米粒子能由可見光與波長更短的、人眼看不見的光活化。

"我們沒有改變任何熱動力學定律," Halas 說。"我們只是以截然不同的方式煮沸水。"

※ 相關報導:

* Solar Vapor Generation Enabled by Nanoparticles
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn304948h
Oara Neumann, Alexander S. Urban, Jared Day, Surbhi Lal,
Peter Nordlander, and Naomi J. Halas.
ACS Nano, 2013, 7 (1), pp 42–49
doi: 10.1021/nn304948h
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