上海交大王如竹教授团队Device：揭示3D太阳能蒸发器性能增强机理

【文章背景】

淡水危机深刻影响着人类的福祉和全球可持续发展。探索非常规水资源已经成为缓解淡水短缺的可行解决方案，其中太阳能蒸发是一种零能耗和环保的淡水获取方法。虽然已经有大量的研究证明了该技术的可行性与潜力，但在实验室测试的结果与实际应用之间仍然存在差距。这种差距主要体现在，蒸发器内部及其周围的水与蒸汽传热传质的原理探究的缺失，以及缺乏在户外动态太阳轨迹下的实际性能评估两方面。这使得实际部署性能与所报道的实验室数据存在差距，阻碍了太阳能驱动界面蒸发技术的有效和大规模实施。

近日，上海交通大学王如竹教授领衔的“能源-水-空气”交叉学科创新团队ITEWA（Innovation Team for Energy, Water & Air）在Cell姊妹刊Device上发表了题目为“Improving solar water harvesting via airflow restructuring using 3D vapor generator”的研究论文。论文分析了3D折纸型蒸发器在实验室与户外条件下蒸发率和效率提升现象，通过对蒸发器周围气流热力学参数以及户外太阳能动态捕捉性能的研究，揭示了蒸发器自身以及在动态太阳运动轨迹下的蒸发增强机理。这一理解有助于未来太阳能蒸发器或空气取水器的高性能制造与实施。论文第一作者为上海交通大学博士生山訸，通讯作者为王如竹教授和徐震原副教授。

【文章解读】

【材料制备与性能探究】

使用商用碳纤维与硅溶胶材料制备了具有大规模可行性的3D结构蒸发器。3D结构通过制作过程中的支撑模具实现，并通过硅溶胶实现结构固定，保证其机械性能和稳定性。材料具有超过96.8%的太阳光吸收能力与超过10 毫米每秒的毛细泵水能力，满足太阳能水蒸发的水供给与能量供给需求。

在实验室中进行了蒸发性能探究，蒸发器使用两端供水，中间悬空的布置进行太阳能水蒸发。对不同高度蒸发器的蒸发速率与效率进行参数化研究发现，平面蒸发器的蒸发速率为1.18 kg m-2 h-1，而3D蒸发器的最大蒸发速率为1.69 kg m-2 h-1。相比于平面蒸发器，3D蒸发器蒸发速率提升了43.2%，蒸发器最大效率也达到了96.1%。为了解耦相关参数，还对比了单面3D蒸发器的蒸发性能。

【实验室内性能增强机理】

研究发现蒸发性能的增强可以归于三个因素：（1）由于蒸发表面扩大而增强的暗蒸发；（2）双面3D蒸发结构模式对气流组织的重组与蒸汽逃脱路径的改善；(3) 蒸发器对水体和环境散热的减少。其中因素（1）是常用来解释蒸发增强的原因，然而实验与仿真的结果表明因素（2）和（3）是更为关键的因素。

图中单面3D蒸发器与双面3D蒸发器的蒸汽浓度分布具有显著区别，这证明双面蒸发结构可以避免蒸汽“滞止区”的形成，有助于水蒸气的扩散与均匀分布，避免对“继续蒸发”的阻碍，获得了更好的气流分布效果。速度分布进一步证实3D蒸发器底部通道对气流的汇聚与加速排除效应，防止停滞的发生，有效增强蒸发。此外，红外温度图与温度仿真结果共同表明，这种3D双面布置有效的降低了蒸发器温度。

最终表明，3D结构不仅通过增加暗蒸发来提高整体蒸发速率和效率，更重要的是，它为蒸汽逸出和流动提供了额外的路径，有效防止蒸汽在蒸发器表面停滞。这可以防止相对湿度的局部增加，从而减少蒸汽在空气中的传输阻力。同时，它还导致蒸发器内的热量重新分布，从而减少热损失。这些综合效应有助于提高蒸发速率和效率。

【考虑户外太阳轨迹的性能增强机理】

一直以来本领域的研究重点是在开发高性能蒸发器，优化其材料及结构，但大多数研究都是在实验室模拟光照条件下进行的，忽略了其在实际户外场景中运行的详细分析。实验室条件和现实世界条件之间的一个显著差异是太阳轨迹（例如，太阳高度角 θ、太阳方位角 α 的变化）以及全天和不同季节的太阳辐射强度。为此通过仿真工具对每日实时太阳能辐照量与辐照总量进行计算，得出3D蒸发器相对平板蒸发器的能量捕获增强份额，并通过实验进行验证。

【长期与户外运行性能】

测试了蒸发器在处理模拟海水（3.5 wt%氯化钠）与真实海水（采自渤海）中的性能，证明了其长期稳定性。同时，对户外产水性能进行评估，验证上述机理与蒸发增强效果。

【总结】

论文作者设计了一种3D结构折纸型蒸发器并对其蒸发性能增强背后的潜在机制进行了研究。研究发现，除了被广泛关注到的暗蒸发现象增强之外，蒸发器周围气流的重构产生更关键的作用，这种重构将为蒸汽扩散提供补充途径，并且避免蒸汽的积累、降低传输阻力，同时有利于蒸发器内部温度的重新分配。最终，这些协同效应提高了蒸发速率与整体效率。在室外设备级产水过程中，以往研究常常忽视动态太阳轨迹（不同太阳高度角和方位角）对性能的影响，这使得现实的产水性能偏离实验室测试性能。该研究定量分析了太阳运动轨迹参数对蒸发器实际一日太阳能总能量捕获的影响，并揭示了3D蒸发器在户外条件下蒸发速率进一步增强的机理，为下一代可规模化太阳能海水淡化技术提供支撑。

【作者简介】

通讯作者-徐震原，上海交通大学副教授，入选国家级青年人才项目。研究方向为太阳能和余热高效利用的海水淡化、热泵和储热，高效太阳能海水淡化研究成果曾入选2020年麻省理工学院年度研究新闻。个人获得国际制冷学会James Joule奖，担任中国制冷学会理事、中国海水淡化与水再利用学会理事、中国工程热物理学会传热传质青委会委员、国际制冷学会热泵委员会青年委员等。

通讯作者-王如竹，上海交通大学讲席教授，制冷与低温工程研究所所长，教育部太阳能发电及制冷工程研究中心主任。王如竹教授从事制冷、热泵与热调控研究。他构建了太阳能热能及低品位热能高效利用技术体系，引领和推动了我国空气源热泵热水器、小温差供热系统、热泵蒸汽发生系统、除湿换热热泵空调等产业的形成与发展，近30项国家及国际发明专利获得转化与应用，产生显著经济和社会效益。主持的成果获国家自然科学二等奖和国家技术发明二等奖，何梁何利基金科学与技术创新奖；作为首位中国学者荣获国际能源署热泵大奖、国际制冷学会最高学术奖Gustav Lorentzen奖章等5项重要国际学术奖项。2023年荣获全球能源奖Global Energy Prize。

王如竹教授领衔的能源-水-空气创新团队长期致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。团队近年来在Science, Nature Communications, Joule, EES, Advanced Materials等高水平期刊发表系列跨学科交叉论文。

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.device.2023.100065

来源：高分子科学前沿

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