南京大学朱嘉Joule：界面太阳能蒸汽焓的储存与回收

【引言】

在日常生活中，电和洁净水已成为不可缺少的元素，然而在世界诸多地方，尤其一些发展中国家和偏远地区，人们仍然面临着洁净水资源和电力资源的短缺。近几年来，界面光蒸汽转换作为新兴的太阳能利用技术因其高转换效率及其在海水淡化、污水处理、杀菌等诸多领域的应用前景，引起学界、产业界的广泛关注。为了解决纯净水的产量问题，过去几年世界各地的研究小组一直致力于通过材料结构、光学调控、热学管理以及水通道的设计与调控，来提高光-蒸汽的转换效率。然而，在诸多界面光蒸汽转换的研究工作中，蒸汽焓在冷凝过程中往往被直接交换到环境中成为了废热，白白被浪费掉。

【成果简介】

针对这一问题，近日南京大学朱嘉教授（通讯作者）通过材料与器件结构设计，有机地将高效界面光热转换与蒸汽冷凝潜热的存储进行结合，并集成了热电模块进行产电，最终实现了只需太阳光和自然水源，即可同时产出洁净水（72.2％效率）和电（约1.23％效率）的太阳能器件。该太阳能器件另一个重要的功能是，由于设计中具备热存储功能，即便天气状况不理想或太阳落山后，依然可以在相当长时间内持续输出电能。相关成果以题为“Storage and Recycling of Interfacial Solar Steam Enthalpy”发表在了Joule上。

【图文导读】

图1界面太阳能蒸汽发生的冷凝过程示意图

（A）传统界面光热转换设计，蒸汽冷凝过程中，其蒸汽焓被释放到环境中。

（B） 蒸汽焓收集及利用设计，结合了热存储及热电转换功能，从而实现水电联产。

图2基于石墨/非织造物的太阳能吸收器

（A和B）非织造材料的光学图像（A）和SEM图像（B）。

（C和D）石墨/非织造物的光学图像（C）和SEM图像（D）。

（E）250至2500nm的石墨/非织造材料的吸收光谱。

（F）石墨/非织造物在水中的光学图像。

（G）振荡50次后石墨/非织造物在水中的光学图像。

图3产水性能

（A）不同太阳辐射下界面太阳能蒸汽装置的产水速率。

（B）不同太阳辐射下输出蒸汽温度随时间的变化曲线。

（C）在不同光照强度下的光热蒸汽转化效率。

（D）处理前后各种金属离子的浓度（蓝线表示饮用水的WHO标准）。

图4发电性能

（A）在不同太阳辐射下的开路电压随时间的变化。

（B）在不同太阳辐射下短路电流随时间的变化。

（C）在不同太阳辐射下发电装置的最大输出功率。

（D）由界面太阳能蒸汽发电驱动的电风扇和发光二极管的光学图像。

在(A)和(B)中，20 分钟后关闭光源，器件的开路电压和短路电流依然保持输出，持续输出时间可通过热存储设计有效调控。

【小结】

研究表明，通过太阳能蒸汽焓的储存和再利用，可将太阳光和自然水源两种地球上最充沛的资源，转化为洁净水和电能。其意义总结如下：1）实现了界面光热转换中蒸汽焓的储存和再利用； 2）实现了洁净水和电的联产；3）结合热存储功能，从而实现了一种新型的太阳能转换、存储与利用的一体化功能器件。展望未来，随着对热学调控的提升、工作温度的提高、热电材料效率的进步，相信这一类太阳能器件的性能有望获得进一步的提升。

文献链接：Storage and Recycling of Interfacial Solar Steam Enthalpy（Joule ,2018,DOI：10.1016/j.joule.2018.08.008）

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