南京大學朱嘉Joule：界面太陽能蒸汽焓的儲存與回收

【引言】

在日常生活中，電和潔凈水已成為不可缺少的元素，然而在世界諸多地方，尤其一些發展中國家和偏遠地區，人們仍然面臨著潔凈水資源和電力資源的短缺。近幾年來，界面光蒸汽轉換作為新興的太陽能利用技術因其高轉換效率及其在海水淡化、污水處理、殺菌等諸多領域的應用前景，引起學界、產業界的廣泛關注。為了解決純凈水的產量問題，過去幾年世界各地的研究小組一直致力于通過材料結構、光學調控、熱學管理以及水通道的設計與調控，來提高光-蒸汽的轉換效率。然而，在諸多界面光蒸汽轉換的研究工作中，蒸汽焓在冷凝過程中往往被直接交換到環境中成為了廢熱，白白被浪費掉。

【成果簡介】

針對這一問題，近日南京大學朱嘉教授（通訊作者）通過材料與器件結構設計，有機地將高效界面光熱轉換與蒸汽冷凝潛熱的存儲進行結合，并集成了熱電模塊進行產電，最終實現了只需太陽光和自然水源，即可同時產出潔凈水（72.2％效率）和電（約1.23％效率）的太陽能器件。該太陽能器件另一個重要的功能是，由于設計中具備熱存儲功能，即便天氣狀況不理想或太陽落山后，依然可以在相當長時間內持續輸出電能。相關成果以題為“Storage and Recycling of Interfacial Solar Steam Enthalpy”發表在了Joule上。

?【圖文導讀】

圖1 界面太陽能蒸汽發生的冷凝過程示意圖

（A）傳統界面光熱轉換設計，蒸汽冷凝過程中，其蒸汽焓被釋放到環境中。

（B） 蒸汽焓收集及利用設計，結合了熱存儲及熱電轉換功能，從而實現水電聯產。

圖2?基于石墨/非織造物的太陽能吸收器

（A和B）非織造材料的光學圖像（A）和SEM圖像（B）。

（C和D）石墨/非織造物的光學圖像（C）和SEM圖像（D）。

（E）250至2500nm的石墨/非織造材料的吸收光譜。

（F）石墨/非織造物在水中的光學圖像。

（G）振蕩50次后石墨/非織造物在水中的光學圖像。

?圖3?產水性能

（A）不同太陽輻射下界面太陽能蒸汽裝置的產水速率。

（B）不同太陽輻射下輸出蒸汽溫度隨時間的變化曲線。

（C）在不同光照強度下的光熱蒸汽轉化效率。

（D）處理前后各種金屬離子的濃度（藍線表示飲用水的WHO標準）。

圖4?發電性能

（A）在不同太陽輻射下的開路電壓隨時間的變化。

（B）在不同太陽輻射下短路電流隨時間的變化。

（C）在不同太陽輻射下發電裝置的最大輸出功率。

（D）由界面太陽能蒸汽發電驅動的電風扇和發光二極管的光學圖像。

在(A)和(B)中，20 分鐘后關閉光源，器件的開路電壓和短路電流依然保持輸出，持續輸出時間可通過熱存儲設計有效調控。

【小結】

研究表明，通過太陽能蒸汽焓的儲存和再利用，可將太陽光和自然水源兩種地球上最充沛的資源，轉化為潔凈水和電能。其意義總結如下：1）實現了界面光熱轉換中蒸汽焓的儲存和再利用； 2）實現了潔凈水和電的聯產；3）結合熱存儲功能，從而實現了一種新型的太陽能轉換、存儲與利用的一體化功能器件。展望未來，隨著對熱學調控的提升、工作溫度的提高、熱電材料效率的進步，相信這一類太陽能器件的性能有望獲得進一步的提升。

文獻鏈接：Storage and Recycling of Interfacial Solar Steam Enthalpy（Joule ,2018,DOI：10.1016/j.joule.2018.08.008）

本文由材料人編輯部學術組木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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