界面光热水蒸发技术新思路!利用高导热蒸发器支撑材料增强太阳能光热水蒸发性能
发布者:admin | 0评论 | 2135查看 | 2021-11-06 14:01:32    

界面光热水蒸发技术具有极高的能量转换效率以及零碳排放的优点,在海水脱盐、污水处理等领域具有很大的应用前景。


从设计结构上来说,传统的界面光热水蒸发系统通常由光热材料表面、传水通道和隔热层3部分组成。对于二维平面水蒸发系统,这一巧妙的设计能够通过隔热层降低由光热界面到水体的热传导损失,将光热转换的热量集中于界面,用于高效水蒸发,这就极大地推动了领域的发展。


然而,当光热蒸发器发展至三维结构的时候,受惯性思维的限制,很多三维光热水蒸发体系直接照搬这种传统设计,仍然利用绝热层来阻隔蒸发表面和水体的能量交换。


但与二维蒸发面只从太阳光获取能量不同的是,三维蒸发器还可以从空气和水中获取额外能量用于促进蒸发。在这种情况下,完全地隔绝水体和蒸发界面的能量传递会让从水中吸收能量的过程受阻,并不利于蒸发最大化。


基于此,南澳大学未来工业研究院徐浩兰教授课题组重新对三维蒸发器进行了设计,使用了高导热材料来代替隔热材料连接蒸发表面和水体。室内和户外测试均证实,通过使用高导热基底材料可以极大地提高蒸发性能。这个发现为设计3D光热蒸发器提供了新的思路。


相关工作近期以“Enhancing solar steam generation using a highly thermally conductive evaporator support”为题发表在Science Bulletin。南澳大学博士生王艺达为论文的第一作者,徐浩兰教授为通讯作者。


图文解析


该工作重点在于研究在简单的三维光热水蒸发体系中,分别利用绝热和高导热材料来支撑蒸发表面所引起的蒸发速率差别,以及其产生的深层次机理。不同于二维光热水蒸发体系,三维结构不但能够从上表面吸收阳光进行光热蒸发,还能够利用无光照的侧面进行冷蒸发。正是由于冷蒸发表面的引入,三维体系能够实现从空气及水中吸收能量,从而使蒸发速率最大化。从图1能够看出,在三维水蒸发体系中,当利用绝热泡沫来支撑蒸发表面时,虽然能有效阻隔光热界面的热量损失到水体中,但是同时也阻碍了水体中的能量传递到蒸发表面。而利用高导热金属来支撑蒸发表面时,储存在水体中的能量能够有效地被吸取到蒸发表面,从而加大总能量的摄入。这一概念也被后续的实验和理论模拟结果所证实。


图1分别使用绝热和高导热材料作为支撑的三维界面光热水蒸发体系中的能量传递过程。


该项研究中,实验所采用的是最基本的圆柱形三维界面水蒸发体系。图2展示了使用不同热导率的支撑材料,蒸发面从水中吸收能量的差别,以及随之带来的总蒸发量的变化。为了能够精准地监测水体温度的变化,作者使用了一种绝热罐体系来切断水体和环境之间的能量交换,确保蒸发过程中水体只与蒸发体系进行能量交换。使用的支撑材料分别是EPE泡沫、铁管和铝管,它们分别对应低、中、高三种不同热导率的材料。从平均蒸发速率的测试结果能够看出,所使用支撑材料的热导率越高,蒸发速率越快。使用高导热铝作为支撑材料时的蒸发速率是使用隔热EPE泡沫时的147.7%。原因就是高热导率的支撑层能够大量且快速从水中吸收能量,并传递到冷蒸发表面来加速蒸发。直观体现就是使用高热导率的支撑材料时,蒸发过程中水体的温度快速下降。


图2利用低、中、高不同热导率材料来支撑的三维蒸发体系的蒸发表现。


该研究中,作者主要从环境能量输入以及理论模拟方面来研究不同热导率支撑材料对蒸发体系的影响(图3)。在蒸发过程中,作者对上表面和侧面温度进行了实时监测。从数据能够看出,高热导率支撑材料能够降低上表面光热蒸发温度以及提升侧面冷蒸发温度,从而证明这一改变能够减少上表面热辐射和热对流的能量损失,并大量地从水中提取能量到侧蒸发表面。在此基础上,作者对体系中的能量输入进行了计算,结果证实了使用高热导率支撑层的体系能够从水中大量摄取能量,从而扩大体系总的能量输入。以高导热铝作为支撑材料时,从水体中吸取的能量(0.66 W)甚至要大于入射光的能量(0.55 W)。从体系中的能量传递模拟结果也能够看出,高导热支撑材料能够极大加快从水中吸收能量的速度。


图3从环境能量输入以及理论模拟入手,研究不同热导率支撑材料对蒸发体系的影响。


图4的实验结果表明,高导热层与蒸发面之间的接触面积,对于从水中摄取能量有非常大的影响。两者接触面积越大,从水中吸收的能量就越多。在此基础上,作者将高导热层与蒸发面之间的接触面积进一步扩大,从之前的只有侧面与导热层接触增加到上表面及侧面全部与导热层接触。实验结果显示,全接触的体系蒸发速率较之前有了进一步扩大。主要原因除了从水中吸收能量增加外,高导热层能够快速地将光热蒸发面的热量传递至侧面用于冷蒸发,使其光热蒸发表面温度大大降低(低于环境温度),这样不但消除了光热蒸发面的能量损失,而且能够从环境中摄入能量用于蒸发。另外为了进一步证明高导热层三维蒸发体系在普通容器中也能够适用,作者对比了相同的蒸发器分别在绝热和普通容器中的蒸发表现。实验结果表明在普通容器中的蒸发速率更快,其原因在于普通的非绝热容器没有隔绝水体与空气中的能量交换,当蒸发体系从水中吸收能量后,水体可以从空气中补充部分能量,从而维持一个相对较高的水体温度,这也更有利于蒸发体系不断从水中吸收能量来促进蒸发。


图4分析从水中吸收能量的影响因素。


为了进一步探索高导热支撑介质蒸发体系的实用性,作者在户外分别进行了24小时不间断监测和10天的长周期监测(图5)。测试结果显示,在各种天气条件下,高导热层体系的蒸发速率始终高于中、低导热层体系的蒸发速率。这一结果证实了,利用高导热材料作为三维蒸发体系的支撑材料,可以作为一种普适的策略广泛应用于界面光热水蒸发技术中以大大提高光热蒸发速率。


图5户外蒸发测试结果。


结论与展望


上述结果充分证实了,在三维光热水蒸发体系中,利用高导热材料来连接水体和蒸发表面能够实现蒸发速率的大幅度提升,其主要原因在于高导支撑材料能够快速将水体中储存的能量传递到蒸发表面处,并用于蒸发。如果照搬传统二维光热水蒸发体系的结构设计,利用绝热层来隔绝水体和蒸发面之间的能量交换,将会严重阻碍从水中吸收能量这一过程。因此,打破惯性思维,将高导热材料应用于三维界面光热水蒸发体系对于这一领域的发展具有重要意义。这一工作的另一个重要发现就是在光热蒸发过程中,水体是一个非常好的能量来源。在未来的工作中,研究人员可以通过设计更加新颖的三维结构,充分利用水体中的能量来加速光热蒸发。

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