大家好，我是徐浩兰研究员，目前在南澳大利亚大学未来工业研究所工作。今天很高兴有机会跟大家来介绍一下我们组近期的一些工作。我们组目前从事的研究主要集中在基于光热水蒸发的太阳能光热海水淡化这一块。今天介绍的是我们组在这个领域最近的一个工作，发表在Nano Energy上，主题是“逆转光热蒸发过程中的热传递能量损失：从水中吸取能量用于增强光热水蒸发”。
目前，随着人口和社会的快速发展，全球性的水资源匮乏问题日益严重。其中，中国的淡水资源其实也处于非常脆弱的状态，澳大利亚最近三年也遭受了历史上最严重的干旱。所以，其实世界上很多国家都非常缺少淡水资源。水资源的匮乏会造成很大的问题，特别是对人类的身体健康问题。每年大约有10亿人无法获得干净的饮用水。解决这个问题的最好办法就是海水淡化。
近年来，科学界发展的一种“界面光热蒸发”技术，用来做海水淡化，是一个非常有前途的方法。它的主要工作原理是基于一个光热材料，这个光热材料一般都是漂浮在水面上。光热材料一般由几层结构组成，包括多孔的基底、光热层和表面水膜。多孔的基底通过毛细管作用，可以把海水源源不断地提供到光热层上面。由于光热层的亲水性，海水会在上面形成一层薄薄的水膜。当光热层吸收阳光变成热量以后，热量就可以集中在材料的表面。因为多孔基底是一个非常好的隔热材料，可以用在光热层的表面，用来蒸发这个薄薄的水膜。相比于蒸发一大块水，蒸发水膜的速度要快很多。所以界面光热蒸发技术的能量效率特别高，很容易达到90%以上。因此，这是一个非常高效、清洁，可持续的海水淡化技术。
在光热海水淡化技术里面，也存在着一些问题，比如能量损失问题。因为如果我们要有效地利用光热蒸发技术，必须要实现比较高的能量效率。能量损失的主要原因是光热材料表面吸收阳光以后，温度会上升。而这会使它的温度比下面海水和环境的温度高。由于温差的原因，会导致热传递、热辐射和热对流的损失。这个材料到海水里面的损失主要是通过热传递的方式。
当然现在已经有很多办法来降低热传递的损失。比如用导热系数比较低的立体材料来支撑光热材料，这样热传递损失会下降。但是由于光热材料层跟海水是相对直接的接触，所以还是会存在热传递损失。那么，如何来解决这个问题呢？
受油灯的启发，我们设计了一个油灯式的蒸发装置。这个油灯的特点是可以把燃烧表面和里面的油从空间上分开。用一个灯芯把它从空间上分开，而不是像之前直接漂浮在水面上。空间式的分开可以增加热传导的距离，这样可以有效地降低热量传递的损失。我们把光热材料放在上面，通过一根棉花柱，作为传输水的路径，然后下面水面跟上面蒸发表面有一定的距离，大概设置在6 cm左右。我们发现，即使经过1 h或2 h的阳光照射，光热蒸发下部的水也没什么变化，这说明没有任何的能量从上面损失到水里面。通过这个方法，我们可以将能量损失降至最低，甚至消除热传递损失。
我们之前所有的工作都是在努力降低或者消除热量传递损失。那么，能否在此基础上更进一步把能量损失逆转过来，不仅把热量传递损失消除，而且还能从水里面提取热量，用来增强蒸发。这个想法之前没有报道过，所以我们也想了很多方法。最后受我们之前两个工作的启发，我们想出了一个办法。我们之前的工作引入了冷的蒸发表面，发现一些奇特的现象。冷蒸发表面的引入，最初是由南京大学的朱嘉课题组、沙特国王大学的王鹏课题组和美国的甘乔强课题组引入的。他们引入冷蒸发表面，主要是想通过冷蒸发表面，从环境当中吸取能量，用以增强光热蒸发。我们课题组也做了一些工作，并发现冷蒸发表面的一些新作用。我们有两个工作发表在Science Bulletin上。从这两个工作，我们发现两个现象：第一个是冷蒸发表面可以有效地降低热蒸发表面的温度，暗示冷蒸发表面可以从热蒸发表面上面抽取能量；第二个是冷蒸发表面可以降低材料内部的温度，三维蒸发装置内部含有水。这也就意味着冷蒸发表面可以从三维蒸发装置的内部抽取能量。这给我们一个启发：冷蒸发表面好像既可以从热蒸发表面抽取能量，也可以从水中抽取能量。
所以我们设计一个装置，把冷蒸发表面放在热蒸发表面和水之间。这样冷蒸发表面在光热蒸发过程中可以把上表面，即热蒸发表面的能量，抽取到冷蒸发表面上去。同时它也有可能从水中抽取到冷蒸发表面。而我们要做的就是控制冷蒸发表面的面积。我们认为，当冷蒸发表面比较小的时候，它的作用可能不是特别强，总体的热量传递还是从上表面传到水里面。因为冷蒸发表面太小，没办法完全地把上表面的热量全部吸掉。但是如果冷蒸发表面足够大的话，它有可能在热量传递到水之前，把它全部吸收掉。另外，它还有剩余的冷蒸发表面，可以从水里面吸取能量。这样体现出总的能量交换是从水中吸能，而不是热量损失到水中。
然后我们设计了一个实验去研究可行性。这个研究最重要的一个部分是，我们需要搭建一个绝热体系来研究水的温度变化。因为水的温度变化代表了热量传递的方向。如果热量是从蒸发表面传到水中的话，放在绝热体系里面，我们可以观察到水的温度是上升的，因为它从蒸发表面获取了能量。如果蒸发器是从水中抽取能量的话，我们应该能够观察到水的温度下降。通过判断水温的变化，来判断热量传递的方向。下图是我们设计的一个蒸发装置，用一个装液氮的罐子作为绝热体系，然后把蒸发装置放在绝热体系里面，蒸发表面是由上面黑的光热材料和侧面的棉花柱冷蒸发表面组成的。为了降低其他因素的影响，我们通过光圈来控制光斑的面积，使它与材料的面积一样大，可以避免其他能量的输入来干扰实验的准确性。
然后我们对实验进行了一系列的观察，我们改变了冷蒸发表面的高度。冷蒸发表面的高度相当于冷蒸发表面的面积。我们做了6个高度：0，1，2，3，4，5，6 cm。然后对水温的变化进行了监测。我们发现，当冷蒸发表面的高度是0~3 cm的时候，水温都是上升的。这说明在这个阶段是有热量损失的，从热蒸发表面传到水里面的热量损失。当冷蒸发表面的高度上升到3~4 cm的时候，水温就没有变化。这说明热量损失为0，即上表面的热量传不到水里面去。当继续增加高度到5~6 cm的时候，发现水温跟预见的一样，开始下降了。这说明水里的能量被蒸发器的冷蒸发表面抽取了，用来增强光热蒸发了。所以这实现了热传导损失的逆转，变成了从水中抽取能量。通过实验，我们观察到了几个临界数据：临界冷蒸发表面高度为5 cm；临界冷蒸发面积为50.3 cm-2；最大热传递损失（高度为0 cm）为0.262 W；最大热传递逆转，即从水中抽取能量达到0.209 W，是入射太阳光的17%。正因为成功地从水中吸取了能量，使得整个光热蒸发的光能到蒸汽能的转变超过100%。
然而我们也对这个体系能量传递过程的动力学进行了研究。我们在蒸发装置的内部埋了五个温度传感器，同时引用红外相机对蒸发的上表面和侧面进行了实时的监测。通过对蒸发过程中温度变化的监测，我们观察到了热量传递方向的改变。随着冷蒸发表面面积的增加，我们发现了热量传递的方向的改变，从上到下变成了从下到上到侧面的变化过程。这从动力学上证实了我们这个体系是成功的逆转了热传递损失。
然后我们对这个体系进行了模拟，并选取2 cm和6 cm这两个体系。因为2 cm是代表热传递损失的，6 cm代表的是逆转的热量损失状态。理论模拟的结果跟实验结果也非常一致。其中，箭头代表着热量传递的方向，箭头的粗细代表着热量传递的大小。从中可以看出，对于比较低的2cm蒸发装置，即侧面表面积比较小的装置，大量的热量都是从上表面传到了侧面，并且传到了水中。这体现了一个净的能量传递方向---往下，即热量传递损失传到水里面。当侧面面积通过增加高度到6cm的时候，我们发现从水中往上传，传到侧面的热量要大于从上表面往下传的热量。所以体现出来了净的热量传递方向，即从水中到蒸发器的传递。这也证实了热传递能量损失的逆转和方向的改变。从理论计算，我们也模拟出了这个结果。
我们工作证明了太阳能界面蒸发过程中的热传递能量损失是可以被消除，甚至可以被逆转。通过在热蒸发表面与水面之间引入一定面积的冷蒸发表面，可以有效地消除热传递损失，并且可以实现从水中抽取能量用于促进光热蒸发。不同的体系可能有不同的临界面积，对于我们这个体系来说，临界面积是50.3 cm-2，蒸发体系从水中抽取的最大能量约为入射光能量的17%左右，这是一个比较可观的数值。
我们工作的意义在于提供了一种新的光热蒸发的能量来源。之前的能量来源是入射光和从环境当中形成的。现在通过我们这个工作，又可以引入一种新的能量来源，即从水中抽取能量来增加光热水蒸发。
