层层传“热”：海水淡化效率倍增

世界上缺水的问题可以通过拿一勺3000海水，把它变成光来解决。

海洋面积占地球表面的71%，而可供人类消费的淡水仅占2.5%。联合国新的《世界水资源发展报告》指出，超过四分之一的人口仍然生活在水资源严重匮乏的地区。

海水淡化技术被认为是缓解淡水短缺、有效解决沙漠、岛屿和沿海发达地区“口渴”问题的途径之一。然而，许多技术需要完备的基础设施支持、集中安装和大量的能源供应，这已成为制约其广泛应用的重要因素。

最近，由上海交通大学制冷与低温工程研究所的王如柱教授和许振源副教授组成的ITEWA创新团队与美国麻省理工学院团队合作，设计了一种局部加热多级太阳能蒸馏技术，实现了创纪录的385%的太阳能蒸发效率和5.78/L(m2·h)的产量，约为以前效率记录的两倍，为实现超高效被动式太阳能海水淡化提供了一种新的思路和理论框架。相关研究论文发表在《能源与环境科学》杂志上。

低热损失效率

全被动式太阳能海水淡化被认为是解决海水淡化适应性的有效技术之一。

被动式太阳能蒸馏器通过太阳能加热产生蒸汽，通过冷凝收集淡水，操作简单可靠，适用范围广，对于偏远地区和基础设施落后的地区尤为重要论文的第一作者、上海交通大学机械与动力工程学院副教授徐振元告诉《中国科学日报》。

在被动式太阳能海水淡化中，最常见的系统是单级圆盘太阳能蒸馏，理论效率约为60%，但实际运行效率仅为35%左右。效率低还导致制水成本高和系统占地面积大，严重限制了其广泛应用。

近年来，研究表明，通过在气液蒸发界面放置太阳能光热转换，界面局部加热的太阳能蒸发大大提高了太阳能蒸发效率，最高可达94%。这使得界面局部加热的太阳蒸发研究成为能源科学、材料科学和热学的焦点。

然而，许振源和他的团队成员发现，文献中提到的“界面蒸发”在实际应用于海水淡化实验时效率不高。他们分析原因是没有利用冷凝热。

当气体凝结成液体时，释放的热量称为凝结热。在传统的界面太阳能蒸汽冷凝过程中，其蒸汽焓被释放到环境中。

"回收蒸汽焓是进一步提高能量转换效率的关键."许振源解释说，虽然太阳能界面蒸发效率很高，但如果不使用蒸汽焓，太阳能-蒸汽转换效率的上限仅为100%。

全球热能传递实现超高效率

“传热传质的全局优化是超高效太阳能海水淡化的关键。”通讯员王如柱说。

一般来说，整体传热传质是利用各阶段海水冷凝过程中损失的热量作为热源来驱动下一阶段的蒸馏过程，使各阶段都能充分利用前一阶段释放的热量。

那么，这在技术上怎么可能呢？研究人员怀疑，如果太阳能界面蒸发与多级冷凝热回收相结合，肯定会有效果。然而，如何在一个小系统设备中实现两者的有效结合是一个难题。

经过反复讨论和改进实验，研究人员最终设计了一个局部加热多级太阳能蒸馏系统。第一层装置将吸收的太阳能高效转化为热能，用于海水蒸发，蒸发过程中产生的水蒸气在冷凝片上冷凝成淡水。在随后的多级装置中，前一级冷凝过程释放的热量作为热源被传递到下一级以驱动蒸馏过程并获得淡水，其中由最后一级冷凝产生的热能(冷凝热)将被排放到海水中。

与传统的冷凝装置系统不同，这种多级太阳能蒸馏装置可以防止吸收层的热量通过辐射、对流和热传导泄漏出去，同时由于在太阳能吸收层的两侧增加了气凝胶和液体吸收芯，保证了海水的连续蒸发。

"这种新方法意义重大。"劳伦斯·伯克利国家实验室副主任、加州大学伯克利分校机械工程系教授拉维·普拉斯尔(Ravi plasil)表示，太阳能蒸馏海水淡化面临的挑战之一是海水淡化效率低，因为在冷凝过程中会损失大量能量。通过有效收集冷凝热，太阳能蒸汽的整体效率可以大大提高。

“由于该结构提高了‘太阳能-蒸汽转换’和‘蒸汽-水转换’环节的系统效率，并且系统性能的提高是这两者的倍数，因此太阳能海水淡化的整体效率可以显著提高。”许振源说道。

值得一提的是，该模型表明，增加级数对于提高整体效率总是有效的，但是该效应随着级数的增加而迅速衰减。研究人员综合考虑了高效、抗污染、经济和便携等因素，最终将局部加热多级太阳能蒸馏系统设置为蒸发-冷凝间距为5毫米的10级系统。

便携式小型“随处可用”

研究人员希望缺乏基础设施建设或电网供应以及淡水资源的沿海地区的人们也能享受海水淡化技术的好处。

许振源的愿景是“只要有太阳能和海水，就可以随时随地使用。”

为此，局部加热多级太阳能蒸馏系统的演示装置被设计成便携式和小型化的，并且由现成的廉价材料制成，包括玻璃盖板、铝片、纸巾、尼龙框架等。例如，使用纸巾作为毛细多孔蒸发器具有成本低、富含纤维素和纤维的微孔结构。

“过去，其他被动式太阳能海水淡化系统、太阳能吸收器和吸水装置都是独立的组件，它们的材料既专业又昂贵。”王如柱表示，该系统将光热转换、隔热和毛细补水功能分层实现，在实现高效太阳能蒸发的同时，降低了对蒸发器多性能耦合的要求，提高了材料选择的灵活性，降低了成本。

“我们设计的设备适用于各种材料，可以根据实际情况和条件进一步优化。”王如柱告诉记者。

关于太阳能海水淡化技术的产业化，许振源表示，应根据集中应用或分散应用分别考虑。目前，集中式海水淡化技术相对成熟、高效。然而，对于分散海水淡化，当地基础设施能力不强或需要频繁移动。需要考虑的是便携性和纯被动操作。原有的高效技术无法应用，需要更便携的海水淡化技术。

据预测，局部加热多级太阳能蒸馏系统可将被动式太阳能海水淡化效率提高到700%或800%。

然而，在许振源看来，在追求更高效率的同时，如何实现长期稳定的运行是将该成果推向实际应用的瓶颈。其中，盐沉积和结垢是影响海水淡化蒸发器长期稳定性的重要因素。“探索结合太阳能高效蒸发和长期防盐的新设计也在我们的研究计划中。”他说。

相关论文信息:https://doi.org/10.1039/c9ee04122b