本文初稿由罗笑撰写，鲍华补充和修改
来源：微纳尺度传热
研究背景
随着全球人口的快速增长和社会经济的飞速发展，水资源短缺问题正成为人类社会面临的主要危机之一。据2019年联合国世界水发展报告显示，到2050年，全球需水量将持续保持每年1%增速增长，相比目前用水量将增加20%～30%，未来将有超过20亿人生活在水资源严重短缺的国家，约40亿人每年至少有一个月的时间遭受严重缺水的困扰。因此，世界各国的研究者们都在寻找能够解决水资源短缺的技术方法。
利用太阳能驱动水蒸发相变进行海水淡化，即太阳能热法海水淡化技术，被认为是一种解决水资源短缺问题的低碳环保的技术方案。如图1所示。相较于其他两种加热方式（蒸发效率约30%~45%），界面加热由于有望较高的蒸发效率，是当前太阳能海水淡化领域的重要研究方向。
近年来，大量研究通过材料创新和结构优化来提高界面蒸发结构蒸发效率，目前文献报道的蒸发效率一个太阳下普遍在80%左右，而且多个小组实现了蒸发效率100%的突破。然而，将其置于太阳能蒸馏器中时，产水性能则低于预期。
针对以上问题，上海交通大学密西根学院鲍华课题组和上海交通大学工程热物理所、浙江能源集团研究院的合作者，结合理论和实验，阐明了界面蒸发的传热传质机理，为界面蒸发的太阳能海水淡化研究提供了重要的思路。该工作标题为The Energy Efficiency of Interfacial Solar Desalination，发表于Applied Energy期刊上。上海交通大学博士生罗笑和硕士生石劲成是本文的共同第一作者。
图1 光热蒸发领域不同类型的加热方式：a）底部加热；b）体积加热；c）界面加热。
理论模型
该工作建立了一个基于能量守恒和描述传热传质过程的模型，以精确模拟界面太阳能蒸发系统中的能量传递，其能量分析如图2所示。该模型可以揭示各设计参数对蒸发过程的影响，解释现有研究的优化结果并进行相应优化方向预测。
图2 不同加热方式能量分析示意图：a）界面加热；b）体积加热。
结果讨论
1)界面蒸发结构的优势分析
通过对恒定光照强度和变化光照强度下界面加热和不同水体厚度体积加热的蒸发效率进行比较和分析，如图3所示，结果发现当系统绝热条件良好时，界面加热的高效率优势并不明显。如果系统侧壁和底部完全绝热，则界面蒸发和体积蒸发相变完全没有区别。相比于体积加热，界面蒸发的的核心优势主要体现为：第一，界面加热的瞬态加热时间比体积加热短，可使蒸发迅速发生，减少预热时间。第二，界面加热针对绝热条件的敏感度较低，对水体厚度要求较低，这使得界面加热更适合进行变工况复杂环境下的应用。
图3 界面加热和体积加热的性能比较：a）恒定光照强度下瞬态蒸发性能；b）恒定光照强度下不同绝热条件的稳态蒸发性能；c）实际太阳光光照强度下瞬态蒸发性能；d）实际太阳光光照强度下不同绝热条件的稳态蒸发性能。
2)光照强度对蒸发效率的影响
进一步地，该工作针对光照强度对蒸发效率的影响进行了讨论。分析发现，蒸发温度是影响界面太阳能蒸发效率的决定因素，结果如图4所示。当光照强度较低时，蒸发温度较低，蒸发主要由表面与环境之间的固有湿度差驱动，而不仅依靠光照驱动。该结果解释了过往文献中可通过增大蒸发表面积的方式实现更高的蒸发效率（超过100%）。然而，该现象在饱和湿度环境下不会出现，因此通过增大蒸发面积的方式进行蒸发效率的提升无法在蒸馏器中实现。另一方面，当光照强度增强时，蒸发温度升高，温差驱动的蒸发占主导地位，其蒸发量随温度升高而升高，从而导致较高的蒸发效率，因此，在蒸发过程中集中太阳能通量将有助于提高蒸发效率。
3)蒸发效率的合理评价
为确定对不同环境下不同蒸发结构公平的蒸发性能比较方法，该工作针对现有的减去初始环境条件下暗蒸发速率确定实际蒸发速率的方法进行分析，如图5所示。结果发现，暗蒸发速率随环境温度和湿度的变化而变化，因此通过减去初始环境条件下的暗蒸发速率无法消除环境对界面蒸发结构蒸发效率的影响。为了公平地评估效率，仍然需要有一个统一的测试条件。否则，无法直接比较不同测试条件下不同结构的效率。
图4 不同光照强度和蒸发温度下的蒸发性能。
图5 环境温度和相对湿度对蒸发速率的影响。
4)界面蒸发结构在蒸馏器中的性能研究
尽管界面蒸发的蒸发效率很高，但在实际海水淡化应用中，界面蒸发结构的太阳能蒸馏器的淡水生产率与设计良好的体积加热的传统太阳能蒸馏器相比提升较小。为探索界面蒸发结构在封闭系统中的传热传质机理，该工作基于界面蒸发结构的太阳能蒸馏器进行建模分析并进行实验验证，如图6a，b，c所示。分析发现，在封闭系统中，由于有限空间内蒸汽压的影响，蒸发过程受到抑制，淡水产量增幅受限，同时增加蒸发表面积的方式也无法有效提升淡水产量，如图6d，e所示。因此该工作建议，对于太阳能海水淡化技术而言，未来的研究不应该仅仅关注蒸发过程本身，而应该更多地关注蒸汽生成和冷凝循环，提高淡水产量。
图6 界面蒸发结构在太阳能蒸馏器中的应用。
总结
该工作从能量的角度提供了界面太阳能蒸发和海水淡化的基本理解。通过详细的热分析模型阐明了界面蒸发结构的潜在传热传质机制，论述了界面蒸发相对于传统蒸发方法的优势。为界面太阳能海水淡化技术的进一步发展和研究提供了理论依据。
最后，说一下本人对于界面蒸发太阳能海水淡化的一些思考：
1. 相对于传统底部加热，界面蒸发并不能必然带来效率的提高。其核心优势在于能够更快的产生蒸气，以及对外部绝热条件的要求更低。
2. 除非材料能够从本质上改变蒸发机理（例如最近有文献报导蒸发焓的降低），后续的研究不宜过度关注蒸发材料本身。完全可以通过非常简单的材料实现高效的界面蒸发和海水淡化（参见我们课题组的论文Cell Reports Physical Science, 2, 100330, 2021）。
3. 即使在没有太阳光的情况下，体系仍然会由于和远场的浓度差驱动蒸发。然而这样的蒸发过程得到的低温水蒸气很难用于冷凝形成淡水。其实大气中有足够大量的低温水蒸气，然而如何冷凝会成为非常困难的问题。相关的研究参见空气取水相关技术。
4. 后续的研究中，应该更加深入的理解冷凝过程中的传热传质问题，并提供更加合理、高效的蒸发-冷凝系统整体设计，以实现更高的淡水产率。
论文信息：
Luo et al., The Energy Efficiency of Interfacial Solar Desalination, Applied Energy,302, 117581(2021).
https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.117581
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