Advanced Science：改進傳統太陽能蒸水的方式實現接近完美的能量轉換

【引言】

蒸汽機的發明引發了第一次工業革命。從此以后，蒸汽在人們的生產和生活中占據了重要作用。近年來，由于全球范圍內清潔水資源匱乏的問題越發顯著，人們開始著力于采用清潔能源太陽能來制造水蒸氣。但是目前的系統通常都是在高溫下運行，而在此過程中能量損失不可避免，系統的能量會通過傳導、對流和輻射的形式耗散在周圍環境中，從而降低了太陽能的使用效率。文本采用了一種新型的能量利用原理，利用太陽能產生低于室溫的蒸氣，實現了太陽能向水蒸氣能量的100%轉化。

【成果介紹】

近日，由紐約州立大學布法羅分校甘巧強（通訊作者）教授領導的課題組與威斯康星大學麥迪遜分校和復旦大學的研究人員合作，將具有很高光熱轉換效率的碳黑紙支撐在三角形的泡沫底座上，在室溫下吸收水并進行水蒸發，此時自然蒸發會導致蒸發表面的溫度低于室溫。通過引入微弱的入射光，使得系統的溫度稍微升高但仍然低于室溫，那么吸收的光能就不會向周圍較暖的環境傳輸，而是完全用于產生水蒸氣。此時，系統的溫度低于周圍環境的溫度，那么總的蒸氣產生速率就會高于僅由入射光能轉化得到的蒸氣產生速率。因為整個系統吸收了來自環境的額外能量來產生蒸氣。甘教授的團隊設計了一個成本低且實用性高的蒸發裝置，并且實驗驗證了新原理的可行性。此蒸發裝置在一倍太陽光照下得到了2.2kg/m2/h的蒸發速率，超過了理論估算的僅由太陽能產生蒸汽的蒸發速率的上限。

【圖文導讀】

圖1 產生水蒸氣的物理機理

a.在強光照射下的碳黑紙-泡沫的能量傳輸示意圖，表面溫度T2高于室溫T1；

b.在弱光照射下的碳黑紙-泡沫的能量傳輸示意圖，表面溫度T2低于室溫T1；

c.浮在水面的碳黑紙-泡沫的實物照片和紅外熱圖，在沒有太陽光照時表面溫度低于室溫；

d.浮在水面的碳黑紙-空氣-泡沫的實物照片和紅外熱圖，在沒有太陽光照射時表面溫度更低。

圖2 在弱光照射下的水蒸發

圖3 太陽能水蒸發系統的熱動態能量平衡的物理圖景

圖4 在一倍太陽光照射下的表面溫度的提升

【小結】

本文找到了一種在太陽能水蒸發系統中接近完美的能量轉化，實現了在一倍太陽光下2.2kg/m2/h的蒸發速率。重要的是，這項工作為探索和開發不同的蒸發材料提供了一個新的研究方向，為太陽能蒸餾器，蒸發制冷，加濕器，以及水蒸發發電等新領域的應用提供了新思路。另外，低溫蒸氣的產生將會開辟一些新的科研方向，比如在無電力的系統中凝結并收集水蒸氣，以及新的蒸發原理與輻射冷卻系統的聯合應用。

文獻鏈接：Cold Vapor Generation beyond the Input Solar Energy Limit

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