【研究背景】
調查顯示全球三分之一人口受到淡水短缺的影響，考慮到海水的廣泛分布，海水淡化技術是解決淡水緊缺問題的有效途徑之一。目前包括反滲透和多級閃蒸等海水淡化技術已經得到商業化應用，並成功緩解了部分地區的淡水需求壓力，然而這些技術需要完備基建支撐、集中式安裝和大量能源供應，不適用於發展中或離網地區。被動式太陽能蒸餾器通過太陽能加熱產生蒸汽並依靠冷凝收集淡水，具有運行簡單可靠和適用範圍廣等優勢，對偏遠地區和基建落後地區尤為重要，然而受到低效率限制（約35%），傳統太陽能蒸餾器的產水成本高且面積需求大，嚴重限制了其廣泛使用。
採用界面局部加熱的太陽能蒸發通過將太陽能光熱轉換置於氣液蒸發界面，大幅度提升了太陽能蒸發效率，並成為了能源科學、材料科學和熱科學的研究熱點。儘管太陽能界面蒸發效率很高，但如果對蒸汽焓不加以利用，太陽能-蒸汽轉化效率上限僅為100%，因此回收蒸汽焓是進一步提升能量轉換效率的關鍵。冷凝熱回收已經在大型多級蒸餾型海水淡化系統上廣泛使用且十分有效，但如何將冷凝熱回收在小型太陽能海水淡化裝置中和太陽能界面蒸髮結合起來仍然存在理論與技術上的諸多挑戰。
【成果簡介】
近日，上海交通大學製冷與低溫工程研究所的王如竹教授和徐震原副教授等組成的ITEWA創新團隊與麻省理工學院Evelyn N. Wang教授和Lenan Zhang博士等合作，在能源領域頂級期刊Energy & Environmental Science上發表了有關超高效太陽能海水淡化研究成果Ultrahigh-efficiency desalinationviaa thermally-localized multistage solar still，上海交通大學為第一完成單位。該研究提出的局部加熱型多級太陽能蒸餾巧妙結合了太陽能界面蒸發和多級冷凝熱回收，在一個太陽輻照下（1000 W m-2）創紀錄地實現了385%的太陽能蒸發效率和5.78 L m-2h-1的產量，比此前的效率記錄高約2倍，為實現超高效的被動式太陽能海水淡化提供了全新思路和理論框架。
【文章簡介】
如圖1所示，本研究提出的「局部加熱型多級太陽能蒸餾（Thermally-localized Multistage Solar Still - TMSS）」結合了太陽能界面蒸發和多級冷凝熱回收：（1）在第一級裝置中，太陽能吸收層被氣凝膠和吸液芯夾在中間，將太陽能高效轉換為熱能並用於海水蒸發，氣凝膠防止吸收層的熱量通過輻射、對流和導熱形式向外洩露，吸液芯薄層與海水保持線接觸以減少熱損並依靠毛細力補充海水維持連續蒸發（太陽能界面局部加熱），蒸發過程產生的水蒸汽在冷凝薄板上凝結為淡水。（2）在後續多級裝置中，前一級冷凝過程釋放的冷凝熱會作為熱源（多級冷凝熱回收），驅動蒸發-冷凝的蒸餾過程並獲得額外的淡水，其中最後一級的冷凝熱排放到海水中。
由於太陽能界面蒸發與多級冷凝熱回收分別可以在「太陽能蒸汽」和「蒸汽水」的環節提升系統效率，且二者對系統性能的提升是相乘關係，因此在該TMSS架構下太陽能海水淡化整體效率可以得到顯著提升。除此以外，該TMSS架構在太陽能界面蒸發中將光熱轉換、絕熱和毛細補水功能進行分層實現，在實現高效太陽能蒸發的同時降低了對蒸發器多性能耦合的要求，提升材料選取靈活性並降低成本。
圖 1. 局部加熱型多級太陽能蒸餾（TMSS）概念圖. (a)毛細輔助的太陽能局部加熱蒸發. (b) 多級冷凝熱回收與海水冷卻結構.
本研究對如圖1所示的TMSS架構進行了詳細建模，從基本的能量傳遞、傳熱傳質過程和總體性能優化方面進行了研究，發現全局傳熱傳質優化是達到超高效太陽能海水淡化的關鍵。模型顯示增加級數對於整體效率的提升始終有效，但該效果隨著級數的增加迅速衰減，考慮到高效率、抗汙染性、經濟性和可攜帶性等多方面因素，本研究中採用了十級結構與5mm蒸發-冷凝間距的設計。如圖2 (a) (b)所示，TMSS裝置採用玻璃蓋板、二氧化矽氣凝膠、太陽能選擇性吸收板、鋁片、紙巾和尼龍框架等廉價材料進行搭建；如圖2 (c) (d)所示，為了降低冷凝液滴滑落尺寸以達到強化凝水收集和防止凝水汙染的目的，鋁片還採用特氟龍塗層進行了疏水處理；圖2 (e)所示的玻璃、氣凝膠以及太陽能吸收板的光學特性表徵也顯示了裝置在可見光範圍具有高投射/吸收性，而在紅外範圍具有低發射性，從而達到高效太陽能吸收和低輻射漏熱，此外玻璃密封和氣凝膠進一步降低了對流和導熱帶來的熱損，提升整體光熱轉換效率；如圖2(f)-(h)所示，採用了紙巾作為毛細多孔蒸發器，一方面考慮了其豐富的纖維素纖維微孔結構，另一方面考慮了其成本較低。
圖2.TMSS裝置的設計與部件.(a) 十級裝置外觀圖. (b)裝置部件圖. (c) 疏水冷凝板的前進接觸角 (≈ 108.2°). (d) 疏水冷凝板的後退接觸角 (≈ 103.2°). (e) 部件透射率和反射率表徵. (f) 附於冷凝器背面的毛細多孔蒸發器. (g) (h)SEM表徵顯示毛細多孔蒸發器具有10~100 μm 孔徑的豐富微孔.
如圖3所示，對十級TMSS裝置在一個太陽輻照條件下進行了性能測試，並監測了裝置中每一級溫度變化情況。為了精確測量和分析系統效率，研究分別對十級裝置、帶絕熱層十級裝置、單級裝置和無光照對比組的蒸發速率進行了測試，通過去除無光照對比組的蒸發速率得到太陽能驅動的蒸發速率。帶絕熱層十級裝置在一個太陽輻照下(1000 W m-2)創紀錄地實現了385%的太陽能蒸發效率和5.78 L m-2h-1的產量，其中75%的蒸汽被冷凝收集為淡水。此外，去除絕熱層會導致將近100%( 385% 286%) 的效率損失，而單級裝置僅能夠得到81%的效率，顯示了多級冷凝熱回收和熱管理的重要性。（在實驗室測試外，本研究還選取多雲天氣進行了室外性能測試，細節見論文描述。）
圖3. 十級TMSS裝置的性能測試. (a) 實驗裝置示意圖. (b)裝置每級溫度在3小時測試中的變化. (c) 十級裝置、單級裝置和無光照對比組的實時質量變化. (d) 穩態工作下每級溫度和蒸汽擴散通量. (e) 單級裝置、十級裝置與帶絕熱層十級裝置的實驗效率與理論預測效率.
近幾年太陽能界面蒸發的研究進展很快，且具有顯著推動太陽能海水淡化發展的潛力，但很多相關研究重視蒸發效率而在太陽能海水淡化應用上有所欠缺，因此本研究也將兩類研究放在一起進行對比，從而展示不同技術路徑的效果並達到相互啟發的目的。如圖4所示為近年來相關領域研究所達到效率和產率的對比，該研究所達到的效率比太陽能界面蒸發和傳統太陽能蒸餾的效率都要高出很多，同時也比2018年12月發表於Nature Sustainability和2019年7月發表於Nature Communications的被動式太陽能海水淡化效率記錄分別高出約2.8倍和2倍，是該領域的效率新記錄。從對比中也可以看出單一的太陽能界面蒸發和單一的多級蒸餾都無法將系統效率進行大幅提升，只有將二者有機結合才能有所突破；而在結合了太陽能界面蒸發和冷凝熱回收的TMSS結構中，其能量傳遞過程複雜，只有通過基礎傳熱傳質分析和全局效率優化才能充分發揮這種結構的效果。
圖 4 相關研究的太陽能-蒸汽轉換效率與產率對比 ：和分別代表太陽能蒸餾實驗數據（有水收集）和太陽能蒸發實驗（無水收集），實心標記代表多級太陽能蒸餾實驗研究，標記代表模擬電加熱實驗研究，灰色虛線代表無蒸汽焓回收的效率極限 (100%). 大部分實驗在一個太陽輻照下進行，而 [a], [b], [c]和 [g] 採用了600 W m-2太陽輻照，[d]採用了 700 W m-2太陽輻照，[e] 採用了570 W m-2太陽輻照，而[f] 採用了900 W m-2電加熱進行實驗.
海水淡化的最重要目的是為了除鹽，為了對TMSS裝置有效性進行驗證，本研究進行了淡化水鹽度測量，結果如圖5(a) 所示。在鹽度測試中採用3.5 wt% NaCl模擬海水，並測量了淡化後的冷凝水含鹽量為0.0005 wt%，比海水中鹽度降低4個數量級，比WHO給出的飲用水鹽度標準低2個數量級。
在太陽能界面局部加熱中，採用多孔蒸發器進行局部加熱蒸發可以有效減少蒸發器向海水的導熱和對流熱損，但同時增加了蒸發後濃鹽水的鹽度擴散，進而可能造成結鹽並降低蒸發器性能。為了對TMSS裝置的長效性進行驗證，本研究進行了排鹽測試，結果如圖5 (b) 所示。在鹽分積累中採用1.5個太陽輻照進行3.5小時測試，進而模擬總計5.25 kW h m-2的晝間太陽能輸入（年平均單天輻照量約為4.5 kW h m-2），蒸發器在2小時後開始出現結鹽，但增長緩慢；在蒸發實驗後關閉光源，模擬蒸發器在夜間的被動擴散排鹽，可以發現在15小時候蒸發器的結鹽完全消失。考慮到整個實驗持續時間18.5小時比每天24小時工作時長短，該裝置在承受更強輻照輸入的情況下也可以保證無鹽分積累的長效工作。
圖 5 實驗裝置的鹽度測試和排鹽測試. (a) 淡化前和淡化後的鹽度對比. 綠色虛線為WHO的飲用水鹽度標準. (b)排鹽性能測試. 監測對象為蒸發器左上角區域，中心插圖代表實驗前無結鹽狀態，左上為持續3.5小時的模擬晝間蒸發鹽分積累，右下為持續15小時的模擬夜間鹽分被動擴散，虛線代表結鹽邊界，比例尺為1釐米.
【總結】
該工作結合太陽能界面蒸發和多級蒸餾，提出了局部加熱型多級太陽能蒸餾（Thermally-localized Multistage Solar Still - TMSS）架構，通過建立TMSS基礎傳熱傳質模型進行全面分析，指出全局傳熱傳質優化是達到高效能量轉換的關鍵。根據模型指導並採用低成本材料加工了十級TMSS裝置，並在一個太陽輻照條件下達到385%的太陽能蒸發效率和5.78 L m-2h-1的產量，比此前的效率記錄提升約2倍。該工作不但為解決偏遠或離網地區淡水短缺問題提供了實際解決方案，也為實現超高效的被動式太陽能海水淡化提供了全新思路和理論框架。
【團隊簡介】
第一作者-徐震原副教授
徐震原，上海交通大學機械與動力工程學院副教授。主要研究興趣為太陽能和餘熱利用的吸收式系統、太陽能取水和冷凝過程；主持國家自然科學基金面上和青年項目、國家重點研發計劃子課題等；擔任Energy客座編輯，受上海市浦江人才計劃支持，獲得2019年國際製冷學會James Joule 青年獎。
上海交通大學王如竹教授領銜的ITEWA創新團隊（Innovative Team for Energy, Water & Air）致力於解決能源、水、空氣交叉領域的前沿基礎性科學問題和關鍵技術，旨在通過學科交叉實現材料-器件-系統層面的整體解決方案，推動相關領域取得突破性進展。成立近兩年來在Joule、Advanced Materials，Angewandte Chemie和 Energy Storage Materials等期刊發表多篇論文。
Zhenyuan Xu, Lenan Zhang, Lin Zhao, Bangjun Li, Bikram Bhatia, Chenxi Wang, Kyle L Wilke, Youngsup Song, Omar Labban, John H Lienhard, Ruzhu Wang, Evelyn N Wang. Ultrahigh-efficiency desalination via a thermally-localized multistage solar still.Energy & Environmental Science, 2020.DOI: 10.1039/c9ee04122b