利用太阳能光热转换产生蒸汽是一种多用途的、前景广阔的新能源技术。目前，多数的低成本太阳能蒸汽发生器只能产生较低温度的蒸汽（<100°C）。进一步提高输出蒸汽的温度可以显著拓展这项技术的应用场景，例如医用蒸汽消毒、工业用蒸汽等。但是，由于过低的能量转换效率，传统的高温光热蒸汽发生器需要使用高倍追光聚光器，大大增加了系统的复杂度和成本，从而限制了其在欠发达地区的推广使用。
最近，麻省理工学院Evelyn N. Wang教授团队、陈刚教授团队，以及印度理工学院（孟买）Anish Modi教授和Shireesh B. Kedare教授团队合作，利用超透光隔热气凝胶，在静态（非追光）太阳能集热器中实现了高达128 °C饱和蒸汽的稳定输出。以医用蒸汽消毒为例，在印度孟买进行的实地实验中，这种气凝胶集热器可以在低光照（0.7 kW/㎡）的情况下稳定驱动高温高压蒸汽灭菌釜（最大压强~250 kPa），达到了美国疾控中心推荐的有效灭菌条件。相关成果发表在Cell Press旗下的能源旗舰期刊Joule上，题为“A passive high-temperature high-pressure solar steam generator for medical sterilization”。该研究为欠发达地区的医用蒸汽消毒资源紧缺问题提供了一个有效的解决方案，同时也为开发新一代低成本高效率的太阳能光热利用技术提供了新的设计思路，具有重要的实践意义。
作者通过优化二氧化硅气凝胶的纳米结构，使其不仅在太阳光波段的透光率达到了97%，且同时实现了低热导率的物理特性（k < 0.01 W m⁻¹ K⁻¹）。将这种气凝胶覆盖于具有高吸收、低辐射涂层的太阳能吸热板上，可使系统的光热转换效率大幅提高。同时，通过以吸热板为肋片来传导并聚集热量的设计，作者突破了太阳辐射能量密度较低的瓶颈，在静态太阳能集热器中实现了持续的水沸腾过程。通过增加非追光复合抛物线聚光器，作者进一步提高了集热器的功率。这种气凝胶集热器在室外非理想光照条件下依然可以实现高温高压蒸汽输出，为医用灭菌及其他相关应用提供了稳定的蒸汽源。相比于传统追光聚光型太阳能蒸汽发生器，这种静态气凝胶集热器具有结构简单、成本低廉、易于部署等优势。
图1. 通过热聚焦实现的高温饱和蒸汽发生器
（A）通过光学（左）和热学（右）方式提高光热转换温度及热流密度，（B）肋片管型平板集热器示意图，（C）热聚焦、光聚焦效率比较，在降低了热损失系数后，本工作中的热聚焦效率可以达到光学聚焦系统的水平。
图2. 气凝胶蒸汽发生器示意图
（A）三维设计图，（B）实物照片（包含优化气凝胶样品细节图）
图3. 蒸汽发生器原型的光学 、热学输运特性
（A）蒸汽发生器组件的透光率、反射率光谱，（B）光线追踪计算得到的蒸汽发生器的光学效率，（C）气凝胶内部辐射输运示意图，（D）蒸汽发生器光损失、热损失随气凝胶厚度变化的曲线。
图4. 蒸汽发生器性能测试（100 °C）
（A）实验装置示意图，（B）实验装置实地照片（实验日期2019年1月12日），（C）实验测量及理论计算所得的温度响应曲线，（D）实验过程中太阳辐射能量密度（GHI）及（E）水箱质量损失曲线，（F）蒸汽发生器能量转换效率比较：气凝胶加复合抛物线聚光器，只有气凝胶，只有聚光器，及无气凝胶无聚光器。
图5. 高温高压蒸汽灭菌实验
（A）实验装置示意图，（B）太阳能辐射强度（上）及高压釜温度压强曲线（下），（C）灭菌指示胶带变色情况
图6. 本工作与其他蒸汽发生器的对比
横轴为太阳辐射强度（聚光度），纵轴为蒸汽输出温度。三角、圆形图标分别代表了高于、低于100 °C蒸汽输出温度。实心、空心图标分别代表了高压、常压系统。
▌论文网址：
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(20)30496-7
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.10.007
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