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第一作者：李士腾，刘尚
通讯作者：林蒙副研究员
通讯单位：南方科技大学
论文DOI：10.1039/D4EE02710H
为应对全球水资源短缺问题并改善离网工况下的纯水生产，本研究通过优化盖板材料的设计，致力于提升倒置式太阳能蒸发器的性能。采用数值模拟和实验相结合的方法，系统地研究了薄膜、二氧化硅气凝胶、亚克力和玻璃等多种盖板材料的光学和热学特性，以指导其在不同工况下的合理设计。结果显示，二氧化硅气凝胶凭借其高太阳光透过率和超低热导率，在多级装置设计中表现出优异的蒸发性能，并在多级及低太阳辐射（1 sun）工况下保持了成本效益。然而，在单级设计和低太阳辐射工况下，薄膜成为一种可行且具有成本效益的替代选择。在高太阳辐射工况下，气凝胶与其它材料之间性能差距缩小，亚克力成为同时兼顾效率和成本效益的可行替代材料。实验结果表明，厚度优化后的6 mm气凝胶盖板实现了6.25 kg m-2 h-1的蒸发速率（1 sun）。研究结果凸显了盖板材料光热特性在提升太阳能蒸发器效率方面的重要作用，为开发高性能、可持续水净化系统提供了宝贵的见解。全球水资源短缺是一个影响数十亿人的紧迫问题，亟需可持续的水净化解决方案。传统的海水淡化方法往往耗能高、成本大，难以推广至偏远或离网地区。太阳能界面蒸发技术作为一种利用丰富太阳能来生产纯净水的技术应运而生。然而，提高太阳能蒸发器的效率仍面临挑战，尤其在盖板材料的光热协同作用方面。本研究通过系统地研究和优化多级太阳能蒸发器的盖板材料来应对这些挑战。通过数值模拟与实验相结合的方法，探索了薄膜、玻璃、亚克力和二氧化硅气凝胶盖板的性能。研究结果表明，尽管二氧化硅气凝胶在特定工况下表现出优异的热学和光学性能，但在高太阳辐射工况下，亚克力可以作为一种兼具成本效益和稳定性的替代材料。本研究不仅推动了对太阳能蒸发器盖板材料特性的深入理解，还为提升其性能提供了切实可行的解决方案。通过优化盖板材料，我们可以提高太阳能蒸发技术的效率与可行性，为解决全球水资源短缺和推动环境可持续性作出贡献。1. 寻找了硅气凝胶盖板可被薄膜（n = 1，1 sun）或亚克力（n= 10，3 suns）盖板替代的设计和操作空间，这些盖板材料具有成本低、使用寿命长的特点，且不会影响设备的性能。
2. 优化了多级太阳能蒸发器在不同光学和热学特性材料、装置配置和环境条件下的盖板厚度，为高性能太阳能蒸发器的设计提供了指导。
3. 在n = 10，1 sun工况下，6 mm厚气凝胶盖板覆盖的多级太阳能蒸发器实测蒸发速率为6.25 kg m-2 h-1，效率高达417%。我们开发了基于等效电阻的集总参数模型，以研究盖板对多级太阳能蒸发（MSE）装置的光学和热传输及蒸发性能的影响。在n = 1，1 sun工况下，ηevap,norm差异低于0.5，表明使用气凝胶的优势有限（图1b）。考虑到机械稳定性、成本和大规模生产优势，亚克力和玻璃盖板可能是较为合适的选择。随着MSE装置级数增加，冷凝释放的潜热可多次利用，ηevap,norm在所有盖板材料中均有所提高（图1c）。因此，随着n增加，不同盖板之间的ηevap,norm差异也增大（3 - 6），证明了使用气凝胶的合理性。在较高太阳辐射工况下，三种盖板之间的ηevap,norm差异缩小（4 - 6）。这证明亚克力和玻璃具有替代气凝胶作为盖板的潜力（图1d）。![]()
图1 通过盖板材料光热协同作用实现的高性能多级太阳能蒸发(MSE)装置
图2a展示了厚度为10 mm的玻璃、亚克力和气凝胶样品在0.25 - 20 μm波段的直接半球透过率。气凝胶在太阳波段的加权平均透过率为90%，略低于玻璃的93%，但高于亚克力的88%。热波段范围内，玻璃、亚克力和气凝胶的透过率均较低，抑制了吸收器向环境的热辐射。用Beer-Lambert定律计算了不同盖板透过率随厚度的变化情况（图2b），光学透过率通常随着厚度的增加而降低。虽然较薄的盖板有较高的透过率，但降低了热传导热阻，可能造成较大热损失。二氧化硅气凝胶热导率约为0.02 W m-1 K-1，比亚克力低6倍，比玻璃低32.5倍（图2c）。盖板材料的透过率和热导率特性导致了不同的滞止温度，气凝胶显示出最高的滞止温度（~177 oC），验证了其优异的光学和热学性能（图2d）。![]()
图2 盖板材料的光热协同作用验证
为了进一步验证研究结果，测试了使用三种不同盖板材料的MSE装置在不同太阳辐射和不同级数工况下的性能（图3）。与无盖板工况相比，薄膜对热对流和辐射损失影响较小，本研究中薄膜作为对照组。图3a展示了n = 1, 1
sun工况下不同盖板的ηevap，气凝胶最高（~88%），比其它材料高约10%。但是体现在蒸发速率上约为0.1 kg m-2 h-1，表明在低级数和低太阳辐射工况下不需使用气凝胶。薄膜设计提供了成本效益较高的选择（详见图S31a），且性能降幅较小。然而，气凝胶盖板适用于在n = 10，1 sun工况下运行的MSE装置。在此工况下气凝胶的ηevap高达414%，比亚克力高96%，比最差的薄膜高164%。同时，气凝胶在经济性分析中也保持了优势（图S31b）。在n = 10、3 sun工况下，亚克力相比气凝胶仅减少9%的效率。同时，经济性分析结果表明此时亚克力比气凝胶更具成本效益（图S31c）。![]()
图3 不同工况下MSE装置的蒸发速率、蒸发效率和能量分布对比
通过调节盖板厚度来平衡吸收器的光学损失和热损失，可以进一步提升性能。图4a - 4c分别展示了盖板厚度和吸收器温度Tabs对吸收效率ηabs的影响。对于给定的盖板厚度，较高的Tabs通常导致较低的ηabs。气凝胶由于超低的热导率对高达180 oC的温度不敏感，使其适用于高温应用。进一步优化不同太阳辐射下MSE装置的盖板厚度，我们定义了一个fevap来对比，fevap = ηevap,cov/ηevap,thin。所有盖板材料均存在增强区域和抑制区域，边界由fevap= 1标记。抑制区域主要归因于高厚度下的光学损失占主导地位。对于给定的太阳辐射存在一个最佳盖板厚度。例如，在1
sun太阳辐射下，玻璃的最佳厚度为20 mm，亚克力为11
mm，气凝胶为6 mm（蓝点）。为验证我们的预测，选择了厚度分别为10 mm（红点，位于增强区域）和70 mm（橙点，位于抑制区域）的盖板。原则上，盖板的最佳厚度将因盖板的光学和热特性、装置配置（每层的厚度、级数等）以及环境工况（太阳辐射、环境温度、风速等）而异。例如，随着太阳辐射从1 sun增加到4 sun，相同盖板材料的最佳厚度相应减少，其中玻璃为9 mm，亚克力为6 mm，气凝胶为4
mm（图4d - 4f）。最佳厚度也会随装置级数而变化。例如，当级数从10减少到1时，玻璃、亚克力和气凝胶的最佳厚度分别为1 mm、5 mm和4 mm（图S9）。![]()
图4
MSE装置盖板厚度优化设计
我们进一步展示了在n = 10，1 sun工况下厚度优化后的MSE装置（图5a）。如图5b所示，20 mm厚玻璃、10 mm厚亚克力和6
mm厚气凝胶盖板淡水收集速率在4.24 - 6.25 kg m-2 h-1之间，蒸发效率最高可达417%。MSE装置可在模拟海水（3.5%
NaCl溶液）中连续运行8小时以上（图5c）。同时，淡水中主要盐离子浓度均符合世界卫生组织设定的饮用水标准（图5d）。图5e对比了该领域使用不同盖板材料和级数装置的蒸发效率。我们的装置通过进一步优化盖板设计（即盖板材料选择和厚度优化）而优于现有的最佳案例。![]()
图5 盖板厚度优化后的MSE装置性能
本研究通过数值模拟与实验相结合的方法，强调了盖板材料在优化多级太阳能蒸发器性能中的关键作用。研究发现，透明二氧化硅气凝胶由于其超低热导率和高太阳辐射透过率在多级设计中展现出优异的蒸发性能。然而，在单级设计和低太阳辐射（1 sun）工况下，其性能优势有所减弱，此时蒸发速率仅比其它材料高出不到0.1 kg m-2 h-1。因此，薄膜成为一种具有成本效益的替代方案，且蒸发性能降低幅度较小。亚克力因在机械稳定性、成本和可扩展性方面的优势，成为气凝胶另一种有前景的材料。在高太阳辐射、多级设计工况下，气凝胶与亚克力之间的性能差距缩小，使亚克力成为兼具蒸发效率与成本效益的可行替代材料。实验结果进一步强调了优化盖板厚度的重要性，玻璃、亚克力和气凝胶的最佳厚度分别为20 mm、11 mm和6 mm （1 sun）。值得注意的是，厚度为6 mm的气凝胶盖板实现了6.25 kg m-2 h-1的蒸发速率（1
sun），展现出其出色的光热特性，使其特别适用于过热蒸汽生成等高温应用。李士腾，南方科技大学访问学生、天津大学博士生。主要研究方向为太阳能界面蒸发、二氧化硅气凝胶光谱辐射特性调控。在Energy & Environment Science、ACS Energy
Letters等期刊发表论文。刘尚，南方科技大学 - 哈尔滨工业大学联培博士生。主要研究方向为太阳能热局域蒸发、太阳能海水淡化、太阳能水蒸发制氢。在Energy & Environment Science、ACS Energy
Letters、Journal of Materials Chemistry A、Applied Energy等期刊发表论文。林蒙，南方科技大学副研究员，博士生导师。主要研究方向包括：太阳能光热/热化学/高温电化学/光电化学转换技术。通过多尺度多理场数值模拟手段优化太阳能转换为热能/电能/燃料的效率并指导高效器件的优化设计。2010年上海理工大学制冷与低温工程系本科毕业。2013年获得上海交通大学硕士学位。2018年获得瑞士联邦理工学院能源方向博士学位。博士毕业后，在美国加州理工学院人工光合成联合研究中心从事博士后研究。2019年加入南方科技大学。先后主持瑞士自然科学基金项目博士后项目、国家自然科学基金面上项目、深圳市国际合作项目等国内外项目。以第一或通讯作者在Joule、Nature Communications、Energy & Environment Science、ACS Energy
Letters等SCI期刊发表论文60余篇。欢迎关注我们，订阅更多最新消息![]()
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