海水三千，取之一瓢，化其為淡，可解全球用水短缺之難。
海洋面積占地球表面的71%，可供人類飲用的淡水面積卻只占2.5%。聯(lián)合國新發(fā)布的《世界水發(fā)展報告》指出，目前仍有超過1/4的人口生活在水資源嚴重稀缺的地區(qū)。
海水淡化技術被認為是緩解淡水緊缺的途徑之一，有效解決了沙漠、海島及沿海發(fā)達地區(qū)的“干渴”問題。然而，諸多技術需要完備基建支撐、集中式安裝和大量能源供應，這些都成為制約其廣泛應用的重要因素。
近日，上海交通大學制冷與低溫工程研究所教授王如竹和副教授徐震原等人組成的ITEWA（能源—空氣—水）創(chuàng)新團隊與美國麻省理工學院（MIT）團隊合作，設計出局部加熱型多級太陽能蒸餾技術，創(chuàng)紀錄地實現(xiàn)了385%的太陽能蒸發(fā)效率和5.78/L（m2·h）的產(chǎn)率，比此前的效率紀錄高約兩倍，為實現(xiàn)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。相關研究論文已發(fā)表于《能源與環(huán)境科學》雜志。
常見系統(tǒng)熱量損失效率低
全被動式的太陽能海水淡化被認為是解決海水淡化適應性的有效技術之一。
“被動式太陽能蒸餾器通過太陽能加熱產(chǎn)生蒸汽，并依靠冷凝收集淡水，具有運行簡單可靠和適用范圍廣等優(yōu)勢，對偏遠地區(qū)和基建落后地區(qū)尤為重要。”論文第一作者、上海交通大學機械與動力工程學院副教授徐震原告訴《中國科學報》。
在被動式太陽能海水淡化中，最常見的系統(tǒng)為單級盤式太陽能蒸餾，其理論效率約為60%，但實際運行效率卻只有約35%。低效率也導致該系統(tǒng)產(chǎn)水成本高且面積需求大，嚴重限制了其廣泛使用。
近年來，已有研究表明，界面局部加熱的太陽能蒸發(fā)通過將太陽能光熱轉換置于氣液蒸發(fā)界面，大幅度提升了太陽能蒸發(fā)效率，最高可達到94%。這使得界面局部加熱的太陽能蒸發(fā)研究成為了能源科學、材料科學和熱科學關注的焦點。
但徐震原和團隊成員查閱文獻時發(fā)現(xiàn)，文獻中所提到的“界面蒸發(fā)”在真正應用于海水淡化實驗時，效率并不高。他們分析，其中的原因就在于沒有對冷凝熱加以利用。
當氣體凝結為液體時，釋放出的熱量便被稱為冷凝熱。在傳統(tǒng)的界面太陽能蒸汽冷凝過程中，其蒸汽焓被釋放到環(huán)境中。
“回收蒸汽焓是進一步提升能量轉換效率的關鍵。”徐震原解釋說，盡管太陽能界面蒸發(fā)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%。
全局熱能傳遞達到超高效
“全局傳熱傳質優(yōu)化是達到超高效太陽能海水淡化的關鍵?！闭撐耐ㄓ嵶髡咄跞缰癖硎?。
通俗來講，全局傳熱傳質就是將每一階段海水冷凝過程中丟失的熱量作為驅動下一階段蒸餾過程的熱源，讓每一階段都充分利用前一階段所釋放的熱量。
那么，技術上如何實現(xiàn)？研究人員猜想，如果把太陽能界面蒸發(fā)和多級冷凝熱回收結合起來，肯定能有效果。但如何在小型系統(tǒng)裝置里實現(xiàn)二者的有效結合，是個難題。
經(jīng)過反復討論和改良實驗，研究人員最終設計出一個局部加熱型多級太陽能蒸餾系統(tǒng)。第一層裝置將吸收的太陽能高效轉換為熱能，并用于海水蒸發(fā)，蒸發(fā)過程產(chǎn)生的水蒸汽在冷凝薄板上凝結為淡水。而在后續(xù)多級裝置中，前一級冷凝過程釋放的熱量作為熱源傳至下一層級，驅動蒸餾過程并獲得淡水，其中最后一級冷凝產(chǎn)生的熱能（冷凝熱）將排放到海水中。
與傳統(tǒng)冷凝裝置系統(tǒng)不同，這一多級太陽能蒸餾設置因在太陽能吸收層兩側增加氣凝膠和吸液芯，可防止吸收層的熱量通過輻射、對流和導熱形式向外泄露，同時保證海水連續(xù)蒸發(fā)。
“這一新方法意義重大?！泵绹鴦趥愃共死麌覍嶒炇腋敝魅?、加州大學伯克利分校機械工程系教授拉維·普拉希爾表示，太陽能蒸餾海水淡化面臨的挑戰(zhàn)之一，是由于冷凝過程中大量能量的損失，導致海水淡化效率低下。而通過有效地收集冷凝熱，太陽能蒸汽的整體效率可大幅提高。
“由于該結構在‘太陽能—蒸汽轉換’和‘蒸汽—水轉換’環(huán)節(jié)提升系統(tǒng)效率，且二者對系統(tǒng)性能的提升是相乘關系，因此，太陽能海水淡化整體效率可以得到顯著提升?！毙煺鹪f。
值得一提的是，模型顯示增加級數(shù)對于整體效率的提升始終有效，但該效果隨著級數(shù)的增加迅速衰減。研究人員綜合考慮高效率、抗污染性、經(jīng)濟性和可攜帶性等多方面因素，最終將局部加熱型多級太陽能蒸餾系統(tǒng)設制成為一個10級結構、蒸發(fā)—冷凝間距為5毫米的系統(tǒng)。
便攜小型“隨處可用”
研究人員希望缺乏基礎設施建設或電網(wǎng)供應，且淡水資源短缺的沿海區(qū)域的人們，也可以享受到海水淡化技術的福利。
徐震原的愿景是，“只要有太陽能和海水，隨時隨地都能用”。
為此，局部加熱型多級太陽能蒸餾系統(tǒng)示范裝置在設計時注重便攜化和小型化，由現(xiàn)成的廉價材料所搭建，包括玻璃蓋板、鋁片、紙巾和尼龍框架等。比如，將紙巾作為毛細多孔蒸發(fā)器，其成本低，還具有豐富的纖維素、纖維微孔結構。
“以往其他的被動式太陽能海水淡化系統(tǒng)，太陽能吸收器和吸水器件都是獨立的部件，它們的材料既專業(yè)化又昂貴?！蓖跞缰癖硎荆谶@一系統(tǒng)中，將光熱轉換、絕熱和毛細補水功能分層實現(xiàn)，在實現(xiàn)高效太陽能蒸發(fā)的同時降低了對蒸發(fā)器多性能耦合的要求，提升了材料選取的靈活性，并降低成本。
“我們設計的裝置適用于各種材料，可根據(jù)實際情況和條件進一步優(yōu)化?！?王如竹對記者說。
對于太陽能海水淡化技術產(chǎn)業(yè)化，徐震原表示，應當根據(jù)集中式或分散式的應用分別考慮。目前用于集中式海水淡化的技術已經(jīng)比較成熟且效率較高。而對于分散式海水淡化，當?shù)氐幕芰Σ⒉粡?，或者需要頻繁移動，需要考慮的便是便攜性和純被動運行，原有的高效技術無法應用，需要更便攜式的海水淡化技術。
根據(jù)預測，局部加熱型多級太陽能蒸餾系統(tǒng)可將被動式太陽能海水淡化的效率提高至700%或800%。
但在徐震原看來，在追求更高效率的同時，如何實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行是將該成果推向實用化的瓶頸。其中，結鹽和結垢是在海水淡化中影響蒸發(fā)器長效穩(wěn)定的重要因素?！疤剿骷婢咛柲芨咝д舭l(fā)和長期防結鹽的新設計也在我們的研究計劃中?！彼f。
