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层层传“热”:海水淡化效率倍增
2020-02-2653

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海水三千,取之一瓢,化其为淡,可解全球用水短缺之难。


海洋面积占地球表面的71%,可供人类饮用的淡水面积却只占2.5%。联合国新发布的《世界水发展报告》指出,目前仍有超过1/4的人口生活在水资源严重稀缺的地区。


海水淡化技术被认为是缓解淡水紧缺的途径之一,有效解决了沙漠、海岛及沿海发达地区的“干渴”问题。然而,诸多技术需要完备基建支撑、集中式安装和大量能源供应,这些都成为制约其广泛应用的重要因素。


近日,上海交通大学制冷与低温工程研究所教授王如竹和副教授徐震原等人组成的ITEWA(能源—空气—水)创新团队与美国麻省理工学院(MIT)团队合作,设计出局部加热型多级太阳能蒸馏技术,创纪录地实现了385%的太阳能蒸发效率和5.78/L(m2·h)的产率,比此前的效率纪录高约两倍,为实现超高效的被动式太阳能海水淡化提供了全新思路和理论框架。相关研究论文已发表于《能源与环境科学》杂志。


热量损失效率低


全被动式的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,并依靠冷凝收集淡水,具有运行简单可靠和适用范围广等优势,对偏远地区和基建落后地区尤为重要。”论文第一作者、上海交通大学机械与动力工程学院副教授徐震原告诉我们。


在被动式太阳能海水淡化中,最常见的系统为单级盘式太阳能蒸馏,其理论效率约为60%,但实际运行效率却只有约35%。低效率也导致该系统产水成本高且面积需求大,严重限制了其广泛使用。


近年来,已有研究表明,界面局部加热的太阳能蒸发通过将太阳能光热转换置于气液蒸发界面,大幅度提升了太阳能蒸发效率,最高可达到94%。这使得界面局部加热的太阳能蒸发研究成为了能源科学、材料科学和热科学关注的焦点。


但徐震原和团队成员查阅文献时发现,文献中所提到的“界面蒸发”在真正应用于海水淡化实验时,效率并不高。他们分析,其中的原因就在于没有对冷凝热加以利用。


当气体凝结为液体时,释放出的热量便被称为冷凝热。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升能量转换效率的关键。”徐震原解释说,尽管太阳能界面蒸发效率很高,但如果对蒸汽焓不加以利用,太阳能—蒸汽转化效率上限仅为100%。


全局热能传递达到超高效


“全局传热传质优化是达到超高效太阳能海水淡化的关键。”论文通讯作者王如竹表示。


通俗来讲,全局传热传质就是将每一阶段海水冷凝过程中丢失的热量作为驱动下一阶段蒸馏过程的热源,让每一阶段都充分利用前一阶段所释放的热量。


那么,技术上如何实现?研究人员猜想,如果把太阳能界面蒸发和多级冷凝热回收结合起来,肯定能有效果。但如何在小型系统装置里实现二者的有效结合,是个难题。


经过反复讨论和改良实验,研究人员最终设计出一个局部加热型多级太阳能蒸馏系统。第一层装置将吸收的太阳能高效转换为热能,并用于海水蒸发,蒸发过程产生的水蒸汽在冷凝薄板上凝结为淡水。而在后续多级装置中,前一级冷凝过程释放的热量作为热源传至下一层级,驱动蒸馏过程并获得淡水,其中最后一级冷凝产生的热能(冷凝热)将排放到海水中。


与传统冷凝装置系统不同,这一多级太阳能蒸馏设置因在太阳能吸收层两侧增加气凝胶和吸液芯,可防止吸收层的热量通过辐射、对流和导热形式向外泄露,同时保证海水连续蒸发。


“这一新方法意义重大。”美国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·普拉希尔表示,太阳能蒸馏海水淡化面临的挑战之一,是由于冷凝过程中大量能量的损失,导致海水淡化效率低下。而通过有效地收集冷凝热,太阳能蒸汽的整体效率可大幅提高。


“由于该结构在‘太阳能—蒸汽转换’和‘蒸汽—水转换’环节提升系统效率,且二者对系统性能的提升是相乘关系,因此,太阳能海水淡化整体效率可以得到显著提升。”徐震原说。


值得一提的是,模型显示增加级数对于整体效率的提升始终有效,但该效果随着级数的增加迅速衰减。研究人员综合考虑高效率、抗污染性、经济性和可携带性等多方面因素,最终将局部加热型多级太阳能蒸馏系统设制成为一个10级结构、蒸发—冷凝间距为5毫米的系统。


便携小型“随处可用”


研究人员希望缺乏基础设施建设或电网供应,且淡水资源短缺的沿海区域的人们,也可以享受到海水淡化技术的福利。


徐震原的愿景是,“只要有太阳能和海水,随时随地都能用”。


为此,局部加热型多级太阳能蒸馏系统示范装置在设计时注重便携化和小型化,由现成的廉价材料所搭建,包括玻璃盖板、铝片、纸巾和尼龙框架等。比如,将纸巾作为毛细多孔蒸发器,其成本低,还具有丰富的纤维素、纤维微孔结构。


“以往其他的被动式太阳能海水淡化系统,太阳能吸收器和吸水器件都是独立的部件,它们的材料既专业化又昂贵。”王如竹表示,在这一系统中,将光热转换、绝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,提升了材料选取的灵活性,并降低成本。


“我们设计的装置适用于各种材料,可根据实际情况和条件进一步优化。” 王如竹对记者说。


对于太阳能海水淡化技术产业化,徐震原表示,应当根据集中式或分散式的应用分别考虑。目前用于集中式海水淡化的技术已经比较成熟且效率较高。而对于分散式海水淡化,当地的基建能力并不强,或者需要频繁移动,需要考虑的便是便携性和纯被动运行,原有的高效技术无法应用,需要更便携式的海水淡化技术。


根据预测,局部加热型多级太阳能蒸馏系统可将被动式太阳能海水淡化的效率提高至700%或800%。


但在徐震原看来,在追求更高效率的同时,如何实现长期稳定运行是将该成果推向实用化的瓶颈。其中,结盐和结垢是在海水淡化中影响蒸发器长效稳定的重要因素。“探索兼具太阳能高效蒸发和长期防结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


作者:韩扬眉

版权申明:本文来源中国科学报,版权归原作者所有。

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