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太阳能界面蒸发（Interfacial Solar Steam Generation，ISSG）是一种通过海水淡化来生产清洁水的方法，在解决全球淡水资源短缺问题中具有重要意义。然而，盐在蒸发表面的积累和低冷凝率在长时间操作过程中会显著降低传统界面蒸发器的性能。
为了解决这些问题，本研究引入了一种由基于热管的通用吸收-蒸发解耦装置。黑色醋酸纤维布紧密附着在热管表面的一侧作为光热层，而亲水性纤维素膜与虹吸结构集成在另一侧，作为蒸发表面。热管使得从吸光侧到装置蒸发侧的高效传热得以实现，从而在一个太阳照射强度下实现1.17 kg m-2 h-1的显著蒸发速率。此外，该装置在不同盐浓度下表现出优异的蒸发性能，并保持长期稳定运行。此外，采用疏水铜板作为冷凝表面，使得水产量达到0.45 kg m-2 h-1，蒸汽转化为水的效率为38.5%。所产出的淡水已被证明可用于农业种植等实际应用领域。总体而言，所提出的解耦设计为耐用且高效的ISSG装置的开发铺平了道路。
相关工作以“A general absorption-evaporation decoupled device enabled by heat pipe for interfacial solar steam generation”发表在国际期刊《Energy Conversion and Management》（中科院一区，IF：9.9）上。中山大学先进制造学院余树东助理教授为该论文通讯作者，李威泓为该论文第一作者，吴嘉宁副教授为该论文共同作者。
图 文 导 读
图1. 基于热管的吸收-蒸发解耦界面太阳能蒸汽发生装置，用于高效的界面太阳能蒸汽生成和水生产。(A) 传统的界面蒸发器在长期运行中面临盐分积累的挑战。(B) 在常规的冷凝系统中，入射光会因水滴和蒸汽的反射和散射而发生大量损失，从而导致不可避免的能量损失。(C) 解耦界面太阳能蒸汽发生装置（Decoupled-ISSG device）的独特设计从根本上解决了界面蒸发过程中由于蒸汽在吸光表面引起的盐分积累和光衰减问题。同时，该设备通过使用高热导率的冷凝材料，提高了传统冷凝装置的冷凝效率。
图2. 解耦设计的界面太阳能蒸汽发生装置的光吸收和热传导性能。(A) 实验装置包括一个太阳能模拟器、数据采集系统（DAQ）、热电偶和热管。(B) 照片展示了用黑色的醋酸纤维布包裹的热管以增强光吸收。(C) 在250-2400纳米波长范围内，金属铜和醋酸纤维布的吸收光谱。橙色曲线显示了AM 1.5G太阳光谱的标准化光谱太阳辐照强度。(D) 随时间变化的观测点温度，T1位于吸光侧，T2位于对侧。通过热电偶获取的数据，比较了热管与铜板的热传导性能。(E) 在不同太阳辐照强度下，观测点的稳态温度值。
图3. 解耦设计的界面太阳能蒸汽发生装置的蒸发和脱盐性能。(A) 水蒸发性能测试的实验装置示意图。(B) 在不同太阳辐照水平下，去离子水蒸发过程中的质量变化(C) 解耦界面太阳能蒸汽发生装置的抗盐策略示意图。(D) 在1个太阳辐照下，去离子水、3.5 wt.%、10 wt.% 和 20 wt.% 盐水的质量变化。(E) 在1个太阳辐照下进行10小时连续测试的10 wt.% 盐水的质量变化。在长时间的盐水蒸发过程中，解耦界面太阳能蒸汽发生装置的蒸发率在一定范围内稳定。
图4. 解耦设计的界面太阳能蒸汽发生装置的蒸发和脱盐性能。(A) 左图：水蒸发过程中热量和质量传递的有限元模拟（FEM）装置。右图：热管附近相对湿度和温度的示意图。(B) 解耦界面太阳能蒸汽发生装置的吸光表面在1小时测试期间的实验和模拟温度（太阳辐射强度：1000 W/m2）。(C) 在不同太阳辐照条件下，解耦界面太阳能蒸汽发生装置蒸发侧的实验和模拟稳态温度（太阳辐射强度：1000-4000 W/m2）。(D) 在蒸发测试期间1小时内的水质量变化的实验和模拟结果（太阳辐射强度：1000 W/m2）。(E) 在不同太阳辐照条件下，解耦界面太阳能蒸汽发生装置的蒸发率的实验和模拟结果（太阳辐射强度：1000-4000 W/m2）。
图5. 解耦设计的界面太阳能蒸汽发生装置的冷凝性能。(A) 带有冷凝装置的解耦界面太阳能蒸汽发生装置的示意图。(B) 疏水处理前后，冷凝铜板表面水滴的接触角。(C) 解耦界面太阳能蒸汽发生装置冷凝测试实验装置照片。(D) 实验中不同材料（铜和PMMA）凝结盖的温度。(E) 顶部冷凝壳板（铜和PMMA）温度的数值模拟结果。(F) 分别使用铜和PMMA作为冷凝壳板的装置的冷凝水量随时间的变化。
图6. 基于解耦设计的界面太阳能蒸汽发生装置在海上农场种植小麦的实际应用。(A) 用于小麦种植的解耦界面太阳能蒸汽发生装置的示意图。(B) 脱盐处理前后的离子浓度（Na+、K+、Ca2+ 和 Mg2+）。(C) 使用海水和蒸馏冷凝水灌溉的小麦幼苗高度随种植时间的变化。(D-E) 使用海水和解耦界面太阳能蒸汽发生装置冷凝水灌溉的小麦幼苗的照片（左：海水；右：冷凝水）。
作 者 信 息
余树东，博士，中山大学先进制造学院“百人计划”助理教授，硕士生导师。在Adv. Funct. Mater.、Adv. Opt. Mater.、J. Mater. Chem. A等期刊以第一/通讯作者发表高水平论文多篇，包括4篇封面论文，ESI高被引论文1篇；谷歌学术引用900余次，H指数18。主持项目10项，其中包括5项省部级项目。曾获得上银优秀机械博士论文奖、广东省科技进步一等奖等奖项。主要从事仿生功能结构、太阳能利用、光电器件等研究。
论 文 信 息
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.enconman.2024.118777
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