厦门大学侯旭教授《天然·通讯》：新式不对称锥形多级太阳能蒸馏器完成超高水产值打破

  全球淡水危机正日益严峻，气候均匀状况随时刻的改变、人口增长和工业化导致淡水资源继续干涸。太阳能膜蒸馏作为一种可继续的解决方案，使用丰厚的太阳能出产淡水，十分重视。但是，现有体系面对蒸腾与冷凝才能不匹配的中心应战：蒸汽无法及时凝聚或冷凝才能未被充沛的使用，严峻约束了实践水产值，成为技术推广的瓶颈。

  近来，厦门大学侯旭教授提出了一种不对称锥形多级太阳能蒸馏器，经过优化蒸腾与冷凝之间的传质平衡，完成了超高水产值。该体系引进可调传质空隙，体系优化冷凝与蒸腾面积比，使蒸腾与冷凝进程到达最大化耦合的超高出产平衡状况。在1 kW·m⁻²光照下，优化后的八级被迫太阳能蒸馏器处理3.1 wt%天然海水时，水产值达4.32 L·m⁻²·h⁻¹，总功率为81%，功能位居文献报导前列，并在野外测验中展现出34.2 L·d⁻¹的安稳产水才能。相关论文以“”为题，宣布在Nature Communications。

  图1展现了对称与不对称多级太阳能膜蒸馏体系的结构及其平衡状况差异。对称体系中冷凝面积与蒸腾面积持平，而不对称体系选用锥形规划，冷凝面积明显大于蒸腾面积，份额约为1.1至1.7倍。经过增大传质空隙，不对称体系有用提高了冷凝才能，促进实践蒸腾才能挨近理论最大值，完成“超高出产平衡”。相比之下，对称体系因冷凝面积固定，难以打破“低出产平衡”的约束，导致蒸腾潜力未能充沛发挥。

  图1：不对称锥形多级太阳能膜蒸馏体系的结构与平衡状况 a. 对称多级太阳能膜蒸馏体系与不对称多级太阳能膜蒸馏体系的结构。对称体系中冷凝面积等于蒸腾面积，而不对称体系具有冷凝面积大于蒸腾面积的不对称结构。在相同级数与投影面积下，不对称体系水产值更高。 b. 相同传质空隙下两种体系的平衡状况比较。增大传质空隙可提高不对称体系的最大冷凝才能，使其实践蒸腾才能增强，到达超高出产平衡；对称体系的冷凝才能提高有限，仍处于低出产平衡。 c. 不同传质空隙下不对称与对称体系的水产值趋势图（根据试验与文献数据的概念图）。

  图2进一步提醒了单级不对称结构的装备与要害参数优化进程。该结构由透光对流阻挡层、高吸收率光热层、亲水蒸腾层和疏水冷凝壁组成。研讨之后发现，60°锥角在单位光照面积下具有最优的有用蒸腾与冷凝面积比，水产值最高。传质空隙的优化尤为要害：当空隙为8毫米时，体系到达蒸腾与冷凝才能的抱负匹配点，水产值峰值出现。模仿剖析标明，空隙过小会约束蒸汽扩散，空隙过大则延伸平衡时刻，均导致产水功率下降。

  图2：单级结构的装备与参数优化 a. 单级结构的组成与资料示意图。 b. 不同锥角下单级结构的产水功能。 c. 不同传质空隙下的蒸汽与水产值，插图为体系到达超高出产平衡的点。 d. 传质空隙增大提高水产值的机制图，展现蒸腾才能与冷凝才能的改变联系。 e. 传质空隙为8毫米时，单级结构在不同时刻段的蒸汽-水转化功率。 f. 不同传质空隙下蒸汽与冷凝外表的温差。 g. 不同传质空隙下的蒸汽-水转化功率。 h-j. 经过模仿软件展现不同传质空隙下腔室内蒸汽浓度散布的演化进程。

  图3出现了优化后的八级不对称蒸馏器的全体功能。设备是选用逐级递减的传质空隙规划，以习惯后级蒸腾才能变弱的趋势，保证各腔室在一小时内到达平衡。热传递剖析显现，跟着级数添加，可用能量逐级递减，但优化后每级蒸汽-水转化功率均超越70%，前五级更达80%以上，总功率为81%。该设备在处理海水时体现出杰出的水产值，优于大都已报导的多级体系，体现了传质平衡优化战略的有用性与通用性。

  图3：不对称锥形八级太阳能蒸馏器的装备与功能 a. 试验用八级设备实物图，开口直径5厘米。 b. 八级设备的热传递进程示意图。 c. 每级的蒸汽-水转化功率与传质空隙设置。 d. 每级的蒸汽与水产值散布。 e. 设备的总蒸汽与水产值。 f. 与已有文献中多级体系水产值的比照。 g. 优化后八级设备各阶段的温度散布。 h. 十级结构中各阶段的蒸腾温度，显现后级温度挨近环境温度。

  图4评价了设备在不同太阳高度角下的实践运转体现。经过光线追寻模仿发现，锥形结构能经过内部反射增强光吸收，即便在低视点光照下仍坚持比较高能量通量。试验证明，当太阳高度角从90°降至30°时，设备产水量虽会下降，但仍能保持2.41 L·m⁻²·h⁻¹的安稳输出，显现出杰出的环境习惯性与结构鲁棒性。

  图4：不同太阳高度角下八级设备的功能 a. 不同太阳高度角下的试验测验设置图。 b. 各阶段在不同光照视点下的温度散布。 c. 测验光路示意图。 d. 不同太阳高度角下的蒸汽与水产值。 e-g. 90°、60°与30°太阳高度角下的光线追寻模仿成果，显现能量通量散布。

  图5聚集于野外实践中的蒸腾与抗盐功能。设备在全日光条件下完成日均产水34.2升，并经过设置水位差在夜间主动溶解并排出盐结晶，有很大成效防止结垢。长达21天的接连测验中，设备水产值安稳在4.13–4.33 L·m⁻²·h⁻¹，离子去除率达99.9%，契合饮用水规范，展现出优异的耐久性与实践使用潜力。

  图5：八级设备的蒸腾与抗盐功能 a. 野外试验设置与产水状况。 b. 经过水位差完成夜间盐溶解的进程。 c. 设备中水与盐分的传输途径示意图。 d. 处理前后水样中离子浓度的比照。 e. 不同时刻段搜集的盐水电导率改变。 f. 21天接连测验中设备水产值的安稳性。

  综上所述，本研讨经过结构立异与传质平衡优化，成功开宣布高功能不对称锥形多级太阳能蒸馏器，为完成高效、安稳的太阳能淡水出产供给了新途径。该规划准则不仅为未来被迫式多级体系的开发树立了标杆，也为太阳能蒸馏结构与资料立异、智能操控及散布式供水体系的整合奠定了理论基础，有望推进全球水资源可继续使用的进程。