【研究背景】
水是维持人类生存和促进可持续发展的基本资源。然而，由于气候变化、人口增长和过度开发等因素，全球水资源面临着巨大压力。太阳能驱动界面蒸发技术利用光热界面的局部热量诱导海水产生水蒸汽，已成为一种很有前景的海水淡化方法。然而，光吸收体对太阳辐照强度有很强的依赖性，在夜间或阴天条件下，当太阳辐照度不足以维持界面蒸发的能量供应时，蒸发器的蒸发效率将被忽略不计。
为此，东北电力大学洪文鹏教授、李浩然副教授和兰景瑞博士提出了利用相变储热来缓解太阳能间歇性，从而增强界面蒸发可持续性的概念。在这项工作中，与使用隔热材料降低蒸发界面导热损失的传统方法相反，研究人员使用高导热金属将热量从蒸发界面向下传递到相变储热介质。在此，克服阳光间歇性的关键在于利用相变材料的储热/释放周期。此外，高导热材料和增大传热面积的协同效应解决了熔融石蜡导热系数低导致的储热装置内部空间温度不均匀的问题。虽然在光照条件下，传递给石蜡的热量降低了石蜡的蒸发速率，但在黑暗条件下，石蜡的储热/放热能力使其蒸发质量提高了171.5%。最终，在一个光照-黑暗循环后，整个周期的总蒸发质量增加了11.5%。最后，尽管石蜡在多个光照-黑暗循环和长时间运行过程中经历了不同温度范围的显热和潜热吸收和释放，但不同内部位置的相变延迟仍然保证了蒸发器稳定的暗态蒸发补偿，从而增强了蒸发过程的可持续性。
目前，该文以“Enhancing the sustainability of interfacial evaporation to mitigate solar intermittency via phase change thermal storage”为题在工程领域著名期刊《Chemical Engineering Journal》（JCR一区，IF = 13.3）上发表。文章第一作者为东北电力大学博士生兰景瑞，通讯作者为东北电力大学洪文鹏教授和李浩然副教授。
【文章解读】
1.可持续性太阳能界面蒸发器概念及光热材料特性
图1. SSIE的设计和表征。(a)可持续蒸发热储存/释放过程示意图。PCM在光照时从蒸发界面吸收热量，在无光照的情况下，PCM释放储存的热量以保持连续蒸发。(b)超声干燥法制备光吸收体EFF/C。将CNs与PVA溶液混合，然后将EFF浸泡在溶液中，超声处理30 min，以保证CNs与EFF纤维的均匀粘附，最后，EFF/C在真空烘箱中干燥，超声浸泡和真空干燥过程重复3次，以确保CNs与EFF表面和内部的充分粘附。(c)EFF/C在280 ~ 2200 nm波长范围内的光谱吸光度。
2.水输运与热管理协同调控
图2. 蒸发器水热管理。(a)自发驱动除盐蒸发器示意图。亲水性PWF利用毛细作用将底部大体积水输送至顶部蒸发区，确保蒸发界面连续供水。随后，蒸发界面处的高浓度盐水利用位能势差继续在PWF内流动，直至流出蒸发器。(b)蒸发器在1倍太阳光照射下连续蒸发4 h后产生的盐水质量。(c)热电偶在相变储热装置中的位置。(d)Device1、(e)Device 2和(f)Device 3中不同位置PCM的温度随时间变化。
3.蒸发补偿与可持续性蒸发应用
图3. 蒸发补偿和可持续蒸发。无相变材料（Device0）和配置相变材料（Device1、Device2和Device3）的蒸发器在光照-黑暗时的(a)蒸发界面温度变化和(b)蒸发质量变化。(c)去除光照后的每小时蒸发速率。连续5次光照-黑暗循环时(d)蒸发界面温度和(e)蒸发质量的变化。
4.蒸发补偿与可持续性蒸发应用
图4.长期蒸发和传热动力学。(a)Device0和Device3长时间运行期间蒸发界面温度演变。(b) Device3内部PCM的温度演变及相变过程。
【文章总结】
本研究提出了一种配置相变储热装置的界面蒸发运行机制，同时强化了传热过程，克服了光照间歇性的挑战。虽然黄铜被用作传热介质，并且在储存过程中表现出传热的能力，但熔化石蜡的低导热性导致温度分布较分散。受益于高导热系数紫铜和增加传热面积的协同贡献，石蜡从蒸发界面有效提取/释放热量的能力得到增强。重要的是，尽管没有相变储热的蒸发器在光照下的蒸发速率更高，但Device3蒸发器的暗态蒸发质量增加了171.5%，在光照-黑暗循环期间的总蒸发质量增加了11.5%。这种改进是由于PCM的相变过程有效地补偿了蒸发损失。在连续12 h的运行周期内，石蜡经历了复杂的热过程，包括在不同温度范围内显热和潜热的吸收和释放。由于固体石蜡和液体石蜡的导热系数不同，底部的石蜡表现出较长的相变时间和温度稳定性。
【原文链接】
Jingrui Lan, Wenpeng Hong*, Changyuan Dong, Huixin Zhang, Bizhou Hu, Lei Zhang, Yan Li, Xiaojuan Niu, Haoran Li*. Enhancing the sustainability of interfacial evaporation to mitigate solar intermittency via phase change thermal storage[J]. Chemical Engineering Journal, 2024: 156855.
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.156855
