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南京大学朱嘉Joule:环境能量增强的界面太阳能蒸汽生产

界面光热转换作为新兴太阳能技术因其高转换效率及在海水淡化、水处理等诸多领域的应用前景,引起学界、产业界的广泛关注。过去一段时间的发展,诸多工作聚焦于通过材料结构设计、光学调控、热学管理以及水通道的设计来提高太阳能蒸汽生产的转化效率。然而业界通常认为因为吸收体向环境的能量耗散(包括光学与热学损耗)不可避免,因此最大的蒸发量会受限于太阳能功率密度而存在上限,太阳能蒸汽生产的净蒸发量会趋近但无法超过这一上限。最近,南京大学朱嘉教授团队提出了新的材料结构设计思路,可以使环境从能源耗散方变成能源的供给方;蒸发器可以从环境有净能量输入,从而有效增强蒸发,超越了传统认为的蒸发极限,即100%太阳能利用情况下的蒸发量。当其用于工业污水处理方面时,可以大幅提升污水处理厂的处理能力。该工作以《Enhancement of interfacial solar vapor generation by environmental energy》为题发表在CellPress旗下期刊Joule上(DOI:10.1016/j.joule.2018.04.004)    

南京大学朱嘉Joule:环境能量增强的界面太阳能蒸汽生产

图1. 传统界面光蒸汽转化 (A) 与环境能量增强的界面太阳能蒸汽生产(B)对比示意图

 

太阳能蒸汽生产的传热过程包含三个能量流:太阳能的输入,蒸汽的输出以及蒸发器与环境之间的热交换。近些年来科研人员主要通过增强光吸收和降低蒸发器向环境的热损失来提高蒸发速率,这些方法同时也会使得蒸发器表面的温度高于环境温度。因此,也不可避免的会导致蒸发器向环境的能量损失。在这种情况下,入射的太阳能一部分转化为蒸汽的内能,一部分通过热交换耗散到环境中去,导致蒸发速率要低于假设100%太阳能利用的数值 (在 100mW/cm^2 太阳光照强度下为1.47kg/m^2 h)。如果可以通过精细的结构设计,使得蒸发器表面的温度减低到环境温度以下,蒸发器与环境的能量交换方式便可以由热损失转变为热收益,从而使得蒸发速率超过100%太阳能利用时的蒸发量, 即:环境能量增强的太阳能蒸汽产生。

南京大学朱嘉Joule:环境能量增强的界面太阳能蒸汽生产

图2. 室外大规模环境能量增强的界面太阳能蒸汽生产和污水处理。(A)大规模环境能量增强的界面太阳能蒸发器,(B)有环境能量增强的界面太阳能蒸发器时不同水源水体随时间的质量变化,(C)对于不同水源,环境能量增强的界面太阳能蒸发器的性能(D)蒸发器的表面平均温度低于环境温度,(E)重金属离子水样在处理后的离子含量达到污染物排放标准(虚线),(F)染料水样在处理前和处理后的拉曼光谱。

 

本文作者设计了一系列不连续的柱状蒸发体。在这个设计中,这些不连续的蒸发体的上表面吸收了大部分入射太阳光,温度会有一定的上升;侧面由于蒸发冷却且只吸收少量太阳光,温度低于环境温度,可从环境中持续捕获能量;最终可以实现与环境的净能量交换形式为能量收益。随后,作为应用示例,作者展示了这种环境能量增强的太阳能蒸汽生产装置可大幅提升对含重金属、染料分子的工业废水的处理能力。在每天上午10点到下午三点期间,重金属和染料溶液的质量线性减少,蒸发速率可以达到1.59kg/m^2 h,增强因子(定义为:实际蒸发速率与假设100%利用太阳能时的理论极限蒸发速率的比值)可以达到1.1。在此过程当中,蒸发器表面的平均温度一直保持在环境温度以下,这也验证了如果蒸发器表面温度低于环境温度,蒸发器可以从环境中捕获能量,从而促进太阳能蒸汽产生过程(污水处理能力)。这种工业污水处理方法被证明是环境友好的: 水蒸汽中的重金属离子含量完全低于工业污水排放标准,染料分子的含量也降低到探测限以下(10^-11 mol/L)。

此工作不仅为突破传统认知的太阳能蒸发极限提出了一种新的思路和方式,同时也向高效的太阳能光蒸汽生产技术的应用迈出了坚实一步。

 

Xiuqiang Li, Jinlei Li, Jinyou Lu, Ning Xu,Chuanlu Chen, Xinzhe Min, Bin Zhu, Hongxia Li, Lin Zhou, Shining Zhu, TiejunZhang, Jia Zhu*, Enhancement of interfacial solar vapor generation by environmental energy, Joule, DOI:10.1016/j.joule.2018.04.004

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