CEJ | 文献前沿| 向日葵启发的智能蒸发器:全方位太阳跟踪

文摘   2024-12-18 08:50   上海  

本期分享发表在Chemical Engineering Journal杂志上题目为“Sunflower-inspired smart evaporator with omnidirectional solar tracking for highly enhanced energy-capturing and sustainable freshwater harvesting”的研究文章。

Part 1 文章简介

高效的太阳能利用和稳定性对于界面太阳能蒸汽生成的现场操作至关重要。受天然向日葵的启发,我们开发了一种先进的仿生向光太阳能界面蒸发器 (BPSIE),它无需任何电子设备即可实现全方位光跟踪和高效的太阳能收集。BPSIE 的茎由一种刺激响应水凝胶组成,它可以检测入射光并使用嵌入式负反馈控制在 3D 空间中向任意方向移动。由于 BPSIE 在入射角为 0° 至 180° 时具有向光性,因此在 4 次模拟太阳辐射下,BPSIE 保持了 99.27% 的高光到蒸汽能量转换效率,水蒸发率达到 6.18kg m-2 h−1,与非向性材料相比,能量收集率提高了 200%,这通过对时间相关的体积收缩和温度分布的模拟得到了证实。与其他向光性太阳能蒸发器不同,我们开发的 BPSIE 多孔且机械强度高,因此可以保持在空气中。仅将其茎浸入水中,多孔结构即可将水从水面快速输送到蒸发盘。此外,如果严重损坏,BPSIE 能够快速自愈,从而提供额外的稳定性并实现现实世界中的可持续现场操作。

Part 2 主要图表

图1是受向日葵启发的太阳能蒸发器的人工向光性和 3D 仿生结构示意图。(A)天然向日葵和仿生向日葵的向光性。(B)斜入射能量密度损失恢复的向光性原理和仿生向日葵的向光性过程。

图2是3D 锥形吸收器的制造过程和光热性能。(A)PPy 改性聚酯纤维示意图和 3D 锥形吸收器的光吸收。(B)PPy 和聚酯纤维之间的反应机理。(C)PPy 改性聚酯纤维的 SEM 图像。(D)3D 锥形吸收器的照片。(E)研究并绘制了 300 至 2500nm 的光吸收光谱(黄色部分)。(F)3D 锥形吸收器的平均表面温度随时间的变化。

图3是CNT@PDA/PNIPAm 柱的光向性和光热性质。(A-D)裸露的 PNIPAm 和 CNT@PDA/PNIPAm 柱的照片及其相应的 SEM 图像。800mW·cm−2 下 0.50% MCPP 在入射角为 90° 时的向光性运动的照片 (E) 和红外热图图像 (F)。(G) 300–2500nm 波长范围内不同含量 CNT@PDA 的 PNIPAm 的光吸收光谱以及 CNT 和 PDA 之间的反应机理。(H) 800mW·cm−2 下 CNT@PDA/PNIPAm 的平均表面温度和 (I) 跟踪角度随时间的变化。

图4是具有人工向光性的 3D 仿生界面太阳能蒸发器的设置和性能。(A)400mW·cm−2 下入射角为 20° 的 BPSIE 向光运动照片。在不同入射角(B 和 C)和入射角为 45°(D 和 E)和 90°(F 和 G)的不同光强度的 4 个太阳照射下,BPSIE 的累积重量损失、蒸发速率和相应的能量效率。

图5是耦合大变形和质量扩散的有限元分析。(A-B)通过模拟结果获得的 MCPP 不同位置随时间变化的体积收缩(A)和温度分布(B)。(C 和 D)单个 BPSIE 模型中模拟的体积收缩(C)和温度分布(D)。

图6是BPSIE 的户外性能。(A 和 B)BPSIE 设备户外应用的照片。(C)白天湿度、温度和太阳通量的变化。该设备的照片于 1 月 11 日在中国南京市南京大学工程与应用科学学院楼外拍摄(北纬 32°7′16″,东经 118°57′19″)。(D)不同尺寸的 3D 仿生太阳能界面蒸发器。

文链接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157917

引用:Shen, Yuchun, et al. "Sunflower-inspired smart evaporator with omnidirectional solar tracking for highly enhanced energy-capturing and sustainable freshwater harvesting." Chemical Engineering Journal (2024): 157917.

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