Advanced Science：改进传统太阳能蒸水的方式实现接近完美的能量转换

【引言】

蒸汽机的发明引发了第一次工业革命。从此以后，蒸汽在人们的生产和生活中占据了重要作用。近年来，由于全球范围内清洁水资源匮乏的问题越发显著，人们开始着力于采用清洁能源太阳能来制造水蒸气。但是目前的系统通常都是在高温下运行，而在此过程中能量损失不可避免，系统的能量会通过传导、对流和辐射的形式耗散在周围环境中，从而降低了太阳能的使用效率。文本采用了一种新型的能量利用原理，利用太阳能产生低于室温的蒸气，实现了太阳能向水蒸气能量的100%转化。

【成果介绍】

近日，由纽约州立大学布法罗分校甘巧强（通讯作者）教授领导的课题组与威斯康星大学麦迪逊分校和复旦大学的研究人员合作，将具有很高光热转换效率的碳黑纸支撑在三角形的泡沫底座上，在室温下吸收水并进行水蒸发，此时自然蒸发会导致蒸发表面的温度低于室温。通过引入微弱的入射光，使得系统的温度稍微升高但仍然低于室温，那么吸收的光能就不会向周围较暖的环境传输，而是完全用于产生水蒸气。此时，系统的温度低于周围环境的温度，那么总的蒸气产生速率就会高于仅由入射光能转化得到的蒸气产生速率。因为整个系统吸收了来自环境的额外能量来产生蒸气。甘教授的团队设计了一个成本低且实用性高的蒸发装置，并且实验验证了新原理的可行性。此蒸发装置在一倍太阳光照下得到了2.2kg/m2/h的蒸发速率，超过了理论估算的仅由太阳能产生蒸汽的蒸发速率的上限。

【图文导读】

图1 产生水蒸气的物理机理

a.在强光照射下的碳黑纸-泡沫的能量传输示意图，表面温度T2高于室温T1；

b.在弱光照射下的碳黑纸-泡沫的能量传输示意图，表面温度T2低于室温T1；

c.浮在水面的碳黑纸-泡沫的实物照片和红外热图，在没有太阳光照时表面温度低于室温；

d.浮在水面的碳黑纸-空气-泡沫的实物照片和红外热图，在没有太阳光照射时表面温度更低。

图2 在弱光照射下的水蒸发

图3 太阳能水蒸发系统的热动态能量平衡的物理图景

图4 在一倍太阳光照射下的表面温度的提升

【小结】

本文找到了一种在太阳能水蒸发系统中接近完美的能量转化，实现了在一倍太阳光下2.2kg/m2/h的蒸发速率。重要的是，这项工作为探索和开发不同的蒸发材料提供了一个新的研究方向，为太阳能蒸馏器，蒸发制冷，加湿器，以及水蒸发发电等新领域的应用提供了新思路。另外，低温蒸气的产生将会开辟一些新的科研方向，比如在无电力的系统中凝结并收集水蒸气，以及新的蒸发原理与辐射冷却系统的联合应用。

文献链接：Cold Vapor Generation beyond the Input Solar Energy Limit

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