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(yán)重稀缺的地區(qū)。
海水淡化技術(shù)被認(rèn)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(dá)地區(qū)的“干渴”問題。然而，諸多技術(shù)需要完備基建支撐、集中式安裝和大量能源供應(yīng)，這些都成為制約其廣泛應(yīng)用的重要因素。
近日，上海交通大學(xué)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(tuán)隊與美國麻省理工學(xué)院（MIT）團(tuán)隊合作，設(shè)計出局部加熱型多級太陽能蒸餾技術(shù)，創(chuàng)紀(jì)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(jì)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(guān)研究論文已發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》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(rèn)為是解決海水淡化適應(yīng)性的有效技術(shù)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(yuǎn)地區(qū)和基建落后地區(qū)尤為重要?！闭撐牡谝蛔髡摺⑸虾＝煌ù髮W(xué)機械與動力工程學(xué)院副教授徐震原告訴《中國科學(xué)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(dǎo)致該系統(tǒng)產(chǎn)水成本高且面積需求大，嚴(yán)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(zhuǎn)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(dá)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(xué)、材料科學(xué)和熱科學(xué)關(guān)注的焦點。
但徐震原和團(tuán)隊成員查閱文獻(xiàn)時發(fā)現(xiàn)，文獻(xiàn)中所提到的“界面蒸發(fā)”在真正應(yīng)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(dāng)氣體凝結(jié)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(jìn)一步提升能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵?！毙煺鹪忉屨f，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(zhuǎn)化效率上限僅為100%。
全局熱能傳遞達(dá)到超高效
“全局傳熱傳質(zhì)優(yōu)化是達(dá)到超高效太陽能海水淡化的關(guān)鍵?！闭撐耐ㄓ嵶髡咄跞缰癖硎尽?
通俗來講，全局傳熱傳質(zhì)就是將每一階段海水冷凝過程中丟失的熱量作為驅(qū)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(shù)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(jié)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(jié)合，是個難題。
經(jīng)過反復(fù)討論和改良實驗，研究人員最終設(shè)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(zhuǎn)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(jié)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(qū)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(shè)置因在太陽能吸收層兩側(cè)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(dǎo)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。”美國勞倫斯伯克利國家實驗室副主任、加州大學(xué)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(dǎo)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(jié)構(gòu)在‘太陽能—蒸汽轉(zhuǎn)換’和‘蒸汽—水轉(zhuǎn)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(guān)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(jì)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(shè)制成為一個10級結(jié)構(gòu)、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(chǔ)設(shè)施建設(shè)或電網(wǎng)供應(yīng)，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(shù)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(shè)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(xì)多孔蒸發(fā)器，其成本低，還具有豐富的纖維素、纖維微孔結(jié)構(gòu)。
“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?，在這一系統(tǒng)中，將光熱轉(zhuǎn)換、絕熱和毛細(xì)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(shè)計的裝置適用于各種材料，可根據(jù)實際情況和條件進(jìn)一步優(yōu)化?！?王如竹對記者說。
對于太陽能海水淡化技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，徐震原表示，應(yīng)當(dāng)根據(jù)集中式或分散式的應(yīng)用分別考慮。目前用于集中式海水淡化的技術(shù)已經(jīng)比較成熟且效率較高。而對于分散式海水淡化，當(dāng)?shù)氐幕芰Σ⒉粡姡蛘咝枰l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(shù)無法應(yīng)用，需要更便攜式的海水淡化技術(shù)。
根據(jù)預(yù)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?qū)嵱没钠款i。其中，結(jié)鹽和結(jié)垢是在海水淡化中影響蒸發(fā)器長效穩(wěn)定的重要因素。“探索兼具太陽能高效蒸發(fā)和長期防結(jié)鹽的新設(shè)計也在我們的研究計劃中。”他說。
