上海交大ITEWA团队EES I 太阳能光热与辐射致冷耦合驱动的全天空气取水

文摘 2024-04-19 16:22 北京

第一作者：许嘉兴

通讯作者：李廷贤，杨荣贵，王如竹

通讯单位：上海交通大学，华中科技大学

【研究背景】

淡水资源短缺是最严峻的全球性挑战之一，特别是在干旱地区，水资源稀缺尤为严重，这些地区通常被陆地包围且缺乏自然液态水资源。为了满足干旱地区居民的用水需求，开发新的水源极为重要。大气中蕴藏着丰富的水蒸气，其含量约为全球每年消耗水量的3.4倍，基于水蒸气吸附的大气水收集技术（S-AWH）近年来受到广泛关注，它具有可由太阳光驱动、随时随地可生产水的优势。低能效问题是实现规模化S-AWH的一个长期瓶颈，这归因于加热吸附剂进行脱附和用于冷却冷凝器进行冷凝的高能耗。通过设计低焓吸附剂和高效太阳能集热器可以很好地缓解加热过程热损失问题。然而，关于冷凝器的设计较少报道，开发轻质、小体积和低能耗的高效冷凝器仍然是一个挑战。在报道的大多数S-AWH研究中，环境空气被广泛视为冷凝的冷源，但规模化应用需要较大的换热表面或强制空气对流以降低换热温差，且干旱炎热地区的环境温度导致冷凝器温度高，阻碍了水的冷凝甚至导致集水设备失效。因此，尽管自然空气冷却是一种低能耗的散热方式，但其冷却能力受限于环境温度，当夏天环境温度较高时造成空气取水的冷凝温度过高导致空气取水性能下降。为了降低冷凝温度，主动冷却技术如半导体制冷和压缩式制冷是有效的散热策略，但消耗额外的电力导致取水装置能耗增加。面向未来空气取水技术的规模化应用，开发节能高效的冷凝策略对于提高空气取水技术的能效和产水能力具有重要的研究价值。

【文章简介】

论文提出了一种低碳可持续的全天24小时空气取水策略，通过协同利用自然阳光的热量驱动水脱附和辐射致冷促进水冷凝，大幅提高单位面积的产水能力。作者构建了基于辐射致冷和空气冷却的级联式冷凝空气取水装置，实现了低能耗下的高产水量，展现出高达3.6升每平方米的每日产水能力，提供了一种节能低碳的全天高产水量的空气取水新方法。

【辐射致冷辅助的全天空气取水工作原理】

文章提出了一种耦合利用光热和全天辐射致冷的低碳可持续混合式空气取水策略（图1）。为了构建紧凑高效的空气取水装置，作者采用透射型辐射冷却膜（TRC）允许太阳光透过辐射致冷膜，实现了同一占地面积下的顶部日间辐射致冷与底部光热转化。白天运行时，阳光透过TRC膜加热吸附材料以释放水蒸气，释放的水蒸气在TRC膜表面快速凝结。夜晚运行时，吸附材料从空气中捕获水蒸气，同时周围空气中较高湿度的水蒸气在TRC膜上凝结，实现夜间辐射致冷驱动的直接产生水。

图1. 基于日间吸附式空气取水（S-AWH）和夜间直接凝露空气取水（D-AWH）地混合式全天24小时空气取水。（A）混合式全天空气取水的工作原理。（B）焓湿图展示干旱或半干旱地区典型城市气候及两种空气取水技术的适用范围。（C）混合式全天空气取水的理想辐射致冷膜和太阳能吸收器的理想光谱特性。

【一体化混合式空气取水器的梯级冷凝设计】

为了实现低冷凝温度，传统的S-AWH设备不可或缺的需要一个庞大的空气冷却冷凝器或者一个高能耗的主动式冷凝器。为了解决这一难题，作者提出了一种梯级冷凝强化取水速率的新方法，通过使用铝制翅片散热器和辐射冷却膜两个冷凝器实现梯级冷凝降低冷凝温度。光热驱动释放的水蒸气首先被铝制散热器（第一级冷却）冷却降温，然后进一步通过辐射致冷降温（第二级冷却），以实现水的快速高效凝结（图2）。尽管在天空辐射冷却无法覆盖所有的冷凝热，但辐射致冷器具有轻质、体积小且比自然空气冷却有更低冷却温度的优势，使其成为部分替代传统冷凝器的潜在选择。室外实验结果表明，由于辐射冷却效应，TRC膜的温度始终低于PE（图2D），温度下降约5℃。

图2. 一体化混合式空气取水器的梯级冷凝理论分析与热设计。（A）在80°C太阳能加热温度下，具有辐射冷却膜的混合AWH设备的能量平衡分析。（B）采用空气冷却和辐射冷却冷凝器的级联冷凝策略示意图。（C）在不同冷凝温度下的冷凝散热功率。（D）自然光照条件下选择性太阳能吸收器、隔热板和TRC膜的温度变化。

【户外空气取水性能评估】

为了验证了全天空气取水技术在不同气候下运行的可行性，作者在上海市和昆明市分别进行了户外测试实验（图3）。作者强调了干旱地区昼夜温差大、湿度差大，当夜间环境湿度大于70% RH时，可以直接利用辐射冷却效应在辐射冷却表面上凝结环境水分。然而，存在干旱地区湿度过低导致夜间辐射致冷技术无法直接驱动空气中水蒸气凝结的情况，当夜间环境湿度不足以直接凝结露水时，可以利用夜间辐射冷却来降低吸湿材料的温度，从而提高其吸水能力促进吸附式空气取水。由于综合利用了增强的吸附式空气取水和夜间额外的直接冷凝式空气取水，该装置的户外空气取水能力显著提高到3.6 L/m²，是目前太阳光直接驱动空气产水能力最高的空气取水器之一。

图3. 一体化混合式空气取水器的户外测试。（A）一体化混合式空气取水器的结构示意图。（B）两台光热驱动的S-AWH装置，其中左边为辐射致冷实验组，右边为PE膜对照组。（C）实验组和对照组单位吸附材料和单位太阳能加热面积的空气取水性能比较。（D） S-AWH白天运行期间的温度变化曲线。（E）基于批处理策略的连续空气取水性能测试。

【总结】

文章提出了一种低碳可持续的空气取水策略，通过协同利用自然阳光的热量和宇宙的辐射冷量实现高效的全天空气取水。首次开发出一种新型的混合式空气取水器实现了24小时的空气取水，集成了白天辐射冷却增强的吸附式空气取水和夜间辐射冷却驱动的直接凝结式空气取水。为了实现紧凑化设计，引入了透射型辐射冷却薄膜，并通过逐层组装各部件实现在同一物理占地面积下的太阳能收集和辐射冷却的一体化空气取水装置。该方法显著提高了吸附式空气取水技术的产水能力，并通过夜间辐射冷却额外收集露水，使得这种全新的混合式空气取水器展现出高达3.6 L/m²的日产水能力。该工作克服了传统吸附式空气取水设备的能量利用效率低和冷凝温度高的缺点，实现了节能高效的全天24小时空气取水，为高效空气取水器件的热设计构建提供了新思路。

该工作获得国家自然科学基金青年基金项目、杰青项目、重大项目的资助，也得到了全国博士后创新人才计划、博士后面上基金项目的资助。

Jiaxing Xu, Xiangyan Huo, Taisen Yan, Pengfei Wang, Zhaoyuan Bai, Jingwei Chao, Ronggui Yang, Ruzhu Wang, Tingxian Li, All-in-one Hybrid Atmospheric Water Harvesting for All-day Water Production by Natural Sunlight and Radiative Cooling, Energy Environ. Sci., 2024.

https://doi.org/10.1039/D3EE04363K

第一作者—许嘉兴 上海交通大学机械与动力工程学院助理教授，入选全国博士后创新人才计划和上海市超级博士后激励计划，主要从事空气取水和湿度能源技术的研究，以第一作者（含共同）在Nature Reviews Materials、Nature Communications (2篇)、Energy & Environmental Science (2篇)、Angewandte Chemie-International Edition、ACS Central Science等国际知名期刊发表SCI论文9篇，授权/公开国家发明专利8项。

通讯作者—李廷贤 上海交通大学机械与动力工程学院研究员，国家杰出青年基金获得者，IAAM Fellow，入选全球前2％顶尖科学家榜单。长期从事能源领域节能与储能中的工程热物理问题及跨学科交叉研究，涵盖太阳能制冷/采暖/空气取水、高密度热能存储与能质调控、热管理等方面的研究工作。以第一/通讯作者（含共同）在Nature Reviews Materials、Nature Water、Nature Communications、Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Angewandte Chemie-In Ed.、ACS Energy Letters、ACS Central Science、ACS Materials Letters、Matter、Progress in Energy & Combustion Science、Nano Energy、Energy Storage Materials等国际期刊发表了系列论文，入选ESI高被引论文/热点论文和期刊封面论文/亮点论文近20篇。研究成果获上海市自然科学奖一等奖（排1）、上海市科技进步奖二等奖、中国节能协会技术发明二等奖、中国化工学会科学技术青年奖、中国制冷学会科学技术青年奖等奖励；申请/授权国家发明专利40余项，部分成果已实现产业化应用。

共同通讯作者—杨荣贵 华中科技大学教授，X-Thermal 实验室负责人，美国机械工程学会会士，深耕于传热学与能源领域的前沿基础研究与技术研发，专注微纳尺度热输运物理、相变传热机理、辐射致冷超表面等研究方向。迄今为止已发表包括4篇Science、8篇Nature子刊、3篇Science Advances、4篇Joule、1篇Rev. Mod. Phys.在内的200多篇期刊论文。曾主持美国国家科学基金委、国防部、能源部和农业部等40余个项目，总金额超过4000万美元，其中300万美元以上的大型跨学科项目13项，承担国家自然科学基金重点项目与国家重点研发计划项目。

共同通讯作者—王如竹 上海交通大学机械与动力工程学院讲席教授，全球高被引科学家、国家基金委创新群体负责人、国家基金委重大项目负责人、国家杰青/长江学者、全国先进工作者、国家教学名师。主持完成的科研成果荣获国家自然科学二等奖、国家技术发明二等奖、国家教学成果二等奖、何梁何利基金科学与技术创新奖等奖励；因在国际相关领域的突出贡献，荣获2023年全球能源奖（Global Energy Prize）、国际制冷学会最高学术奖Gustav Lorentzen奖、英国制冷学会J&E Hall奖、日本传热学会Nukiyama热科学纪念奖、国际能源署Rittinger国际热泵奖、亚洲制冷Academic Award奖。

王如竹教授于2018年创建了上海交通大学ITEWA交叉学科创新团队（Innovative Team for Energy, Water & Air），致力于解决能源、水、空气领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。近年来在Science、Nature Reviews Materials、Nature Energy、Nature Water、Nature Communications、Chemical Society Reviews等国际顶级期刊上发表系列跨学科交叉论文。

ITEWA团队长期招收博士后，诚邀对“能源-水-空气”交叉研究领域感兴趣的具有能源/材料/化学专业背景的研究者加入课题组开展合作研究 (联系邮箱：Litx@sjtu.edu.cn）。

太阳能光热利用

本平台由从事太阳能光热利用研究的几位博/硕士生建立，用于分享光热技术（如光热发电、海水淡化、热化学、供热\供冷等）中的光能捕获、光热转换、热能存储与利用等方面的最新进展。欢迎投稿：solarthermalenergy@foxmail.com

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