太阳能设备可以在偏远地区为医疗器械消毒,且无需用电

   化学小能手        



用于对医疗工具进行灭菌的高压灭菌器需要稳定的热加压蒸汽。麻省理工学院和印度理工学院的研究人员提出了一种仅利用太阳光就能被动产生蒸汽的方法,以低成本在偏远地区维护安全、无菌的设备。


高压灭菌器是医院、诊所、医生和牙医办公室用于消毒医疗工具的设备,需要稳定的高压蒸汽供应,温度约为125摄氏度。这通常由电力或燃油锅炉提供的,但是在许多农村地区,尤其是在发展中国家,电力可能不可靠或不可用,并且燃料昂贵。


现在,麻省理工学院和印度理工学院的研究人员想出了一种被动产生所需蒸汽的方法,只使用阳光的能量,不需要燃料或电力。该设备需要约2平方米的太阳能收集器来为典型的小诊所高压釜供电,它可以在偏远地区以低成本维护安全、无菌的设备。


麻省理工学院的研究生Lin Zhao、Evelyn Wang教授、Gang Chen以及其他10位来自麻省理工学院和印度理工学院孟买分校的教授在《Joule》杂志上发表了一篇论文,对该系统进行了描述。


新系统的关键是使用光学透明的气凝胶,这是Wang和她的合作者在过去几年中开发的一种材料。该材料本质上是一种由二氧化硅制成的轻质泡沫,主要由空气组成。由于材料本身轻巧,因此可提供有效的隔热效果,将热损失率降低了十倍。


这种透明的绝缘材料粘结在基本上是现成的用于生产太阳能热水的设备的顶部,该设备由带有吸热黑色涂层的铜板组成,粘结在下侧的一组管道上。当太阳加热板时,流过下面管道的水吸收了这些热量。但是,在顶部增加了透明绝缘层,并在板的每一侧加上抛光的铝镜以将多余的阳光引导到板上,该系统可以产生高温蒸汽,而不仅仅是热水。该系统利用重力将水从水箱输入板中。然后,蒸汽上升到外壳的顶部,并通过另一条管道送出,该管道将加压的蒸汽输送到高压釜。



此图显示了透明的、云状的热气凝胶,将太阳能驱动的高压釜隔热。


由于许多发展中国家面临着可靠的电力或燃料供应有限的问题,Wang解释说:“我们认为这是一个机会,可以考虑在以下条件下,如何潜在地创建低成本、被动的、太阳能驱动的系统来产生蒸汽。”


她说,能够在孟买测试该系统是额外的好处,因为孟买作为受益于这种低成本蒸汽发电设备的地区,具有“相关性和重要性”。


在孟买的测试中,尽管天空是朦胧多云的,与晴天相比只能提供70%的日照,该设备仍然成功地产生了半小时内消毒所需的饱和蒸汽。



此图显示了来自麻省理工学院的科学家在印度孟买的现场研究站点中评估了该设备的性能。


该测试是使用一个小规模单位进行的,但结果表明蒸汽产生率足以为医生办公室通常使用的台式高压釜供电。


这种装置的主要限制因素是气凝胶材料的可用性。由Elise Strobach博士创立的一家公司已经在尝试扩大用于高热效率窗户的透明气凝胶的生产。但是到目前为止,这种材料只能使用相对昂贵的实验室级超临界干燥设备进行少量生产,因此这种消毒系统的广泛采用可能还需要几年的时间。


由于除气凝胶本身之外的其他组件已经在发展中国家以低成本广泛获得,因此制造和维护这种系统最终可能在它们将被使用的领域是可行的。Zhao说,该原型所需的零件不到40美元,因此,一旦必要的气凝胶材料商业化后,足够用于典型的小型高压釜的系统可能要花费160美元左右。他说:“如果我们能够获得气凝胶的供应,那么整个项目就可以在当地由本地供应商制造。”


该小组说,该过程还可以用于其他各种目的。例如,许多食品和饮料加工系统依赖于高温蒸汽,而这种蒸汽通常由化石燃料锅炉提供。他们说,提供这种蒸汽的被动太阳能系统将降低燃料成本,因此在许多行业可能是一个有吸引力的选择。


最终,这样的系统比那些将太阳光浓缩十倍甚至更多来产生蒸汽的系统要划算得多,因为与这种简单的以气凝胶为基础的方法相比,那些系统需要昂贵的镜子和安装装置。


加州大学伯克利分校机械工程学教授、劳伦斯伯克利国家实验室副主任Ravi Prasher说:“这是一项重大进步。生产高能效的高温蒸汽一直是一个挑战。如今,作者两者都做到了。”


Prasher补充说:“这项研究的质量很高。对于无法获得可靠电力的低收入社区而言,获得被动灭菌技术非常重要。因此,麻省理工学院团队开发的被动式太阳能设备在这方面非常重要。”

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