研究背景
全球水资源短缺是一个影响全球数十亿人的紧迫问题，需要创新和可持续的水净化解决方案。传统的海水淡化方法往往是能源密集型和昂贵的，使他们不太容易为偏远或离网社区。界面太阳能蒸发是一种利用丰富的太阳能生产纯净水的技术。然而，优化太阳能蒸发器的效率仍然是一个重大的挑战，特别是在平衡覆盖材料的隔热和光学透射率方面。本研究通过系统地研究和优化多级太阳能蒸发器的覆盖材料来解决这些挑战。通过采用数值模拟和实验验证，我们探讨了薄膜，玻璃，丙烯酸和二氧化硅气凝胶覆盖的性能。我们的研究结果表明，虽然二氧化硅气凝胶在某些条件下具有上级热性能和光学性能，但丙烯酸可以是一种具有成本效益且稳定的替代品，特别是在高太阳辐射下。这项研究不仅促进了对太阳能蒸发器材料特性的理解，而且为提高其性能提供了实用的解决方案。通过优化覆盖材料，我们可以提高太阳能蒸发技术的效率和可行性，为解决水资源短缺和促进环境可持续性的全球努力做出贡献。
相关成果以“Enhanced performance of multistage solar evaporator with tuned optical and thermal cover properties’’为题发表在《Energy & Environmental Science》上（JCR一区 中科院一区TOP IF=32.4 ）。
研究内容
研究数据
图 1. 利用覆盖物的透射率和导热率的协同效应实现的高性能多级太阳能蒸发器（MSE）装置。(a) 不同颜色或箭头类型表示详细的能量分布，包括太阳辐射（qin）、反射损耗（qref）、对流损耗（qconv）、传导损耗（qcond）、吸收器对覆盖层的辐射损耗（qrad,abs-cov）、覆盖层对环境的辐射损耗（qrad,cov-amb）、有用能量（qu）和潜热（qlat）。关键部件包括透明盖板、吸收层、蒸发层、聚四氟乙烯层、冷凝层、密封层和冷却层。不同阶段（n）和不同太阳辐照条件下透射率和导热率对归一化蒸发效率（ηevap,norm）的影响。(b) n = 1，1 个太阳。(c) n = 10，1 个太阳。(d) n = 10，3 个太阳。
图 2. 盖板透射率和导热率的协同验证。(a) 玻璃、丙烯酸树脂和气凝胶在太阳光波段和热波段的透射光谱。蓝色虚线是理想盖板在太阳光和热波段的透射率。(b) 太阳加权透射率与玻璃、丙烯酸树脂和气凝胶厚度的函数关系。(c) 玻璃、丙烯酸树脂和气凝胶的导热系数。(d) 不同装置的吸收器和盖板表面在 1 个太阳下的温度响应。
图 3. 不同类型覆盖材料（薄膜、玻璃、丙烯酸树脂和气凝胶）的 MSE 设备在 (a) n = 1、1 个太阳时的蒸发效率（ηevap）、蒸发率（revap）和能量损耗。(b) n = 10，1 个太阳。(c) n = 10，3 个太阳。能量分解的定义是目标能量与总太阳能的比率。总太阳能包括蒸发（qevap）、光学损耗（qloss,opt）、对流损耗（qloss,conv）和辐射损耗（qloss,rad）。虚线和实线分别为模拟值和相应的实验测试值。
图 4. MSE 设备的优化设计。在阳光照射条件下，吸收器效率（ηabs）与（a）玻璃、（b）丙烯酸、（c）气凝胶厚度和 Tabs 的函数关系。白色实线和红色实线分别代表 Tabs =100 oC 和 ηabs = 40% 时的等值线。在 MSE 设备（n = 10）上，fevap 与（d）玻璃、（e）丙烯酸和（f）气凝胶厚度以及太阳辐照度的函数关系。fevap 是一个自定义参数，在数值上等于 MSE 设备在有顶和无顶情况下的蒸发效率之比，即 fevap = ηevap,cov / ηevap,thin。不同类型的白色等值线代表不同的 fevap 值。定义了两个区域：fevap > 1，增强区域；fevap < 1，抑制区域。最高 fevap 值用蓝点标出。实验验证案例分别用红点（10 毫米厚的盖板）和橙点（70 毫米厚的盖板）标出。
图 5. 具有优化盖板厚度的 MSE 器件的性能。(a) 带有 6 毫米厚气凝胶盖板的 MSE 器件的实物图片。(b) 在 n = 10、1 个太阳时，不同覆盖类型和优化厚度（玻璃：20 毫米，丙烯酸：10 毫米，气凝胶：6 毫米）的 MSE 设备的质量变化。(c) MSE 设备与模拟海水的质量变化和相应的蒸发率。(d) 海水淡化前后的离子浓度。(e) 蒸发效率与之前报告的比较。典型的文献数据点用彩色圆圈标出。不同颜色代表不同的覆盖材料。表 S5 总结了每个日期点的详细信息。我们的结果用填充颜色的星形标记。黑色圆圈等值线代表非浓缩设备，灰色等值线代表浓缩设备。请注意，我们只将结果与能够集水的装置进行比较，而不是那些只为蒸发而设计的装置。
原文链接
https://doi.org/10.1039/D4EE02710H
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