近日，中国科学院电工研究所太阳能热利用技术研究团队在海水淡化领域期刊Desalination发表了《Experimental investigation of an asymmetric CPC concentrated solar interfacial evaporation device (CSIED)》文章（《非对称CPC聚光太阳能界面蒸发装置实验研究》）。
作者：王腾月, 白凤武*, 雷东强*, 王林浩, 张学清，原郭丰, 王志峰.
研究背景
在全球淡水资源日益紧张的背景下，太阳能界面蒸发技术因其高效利用太阳能进行水处理的潜力而受到广泛关注。然而，现有界面蒸发技术在实际应用中仍面临诸多挑战，尤其在户外环境下，低太阳辐照度和环境温度会导致界面蒸发材料表面能量密度低，同时较大的对流和辐射热损失也限制了蒸发速率，这些问题使该技术仍主要停留在实验室阶段，难以大规模应用。因此，寻找一种能够有效提升蒸发效率并减少热损失的装置成为当前研究的关键。
研究内容
为了解决现有界面蒸发技术在实际应用中的问题，本文提出了一种基于非对称复合抛物面聚光器（CPC）的太阳能界面蒸发装置（CSIED）。该装置采用表面碳化杨木作为界面蒸发材料（IEM），并将IEM漂浮在水面上，置于双层玻璃管内部。这种结构设计显著减少了辐射和对流热损失，同时在管内界面蒸发材料上部形成空气通道，驱动蒸汽流动和促进蒸汽扩散，消除玻璃管内蒸汽凝结现象发生。
图1 非对称CPC聚光太阳能界面蒸发装置（CSIED）的结构图
图4a CSIED示意图
图4b 太阳聚焦光束和水蒸发
图14b CSIED应用示意图
实验研究结果表明，在太阳光聚光比为3.4、空气流速为0.16 m/s、水平面太阳辐照度为549 W/m²条件下，CSIED的蒸发速率达到1.69 kg/(m²·h)，平均传热系数和传质系数分别为39.6 W/(m²·K)和11.6 m/h。此外，CSIED的太阳能热转换效率达到63.9%。
目前该装置正在加速推进百平米级的室外工程示范应用工作。
研究意义
本文的研究具有重要的创新性和实际意义。非对称CPC聚光设计可以增强界面蒸发材料表面的能流密度，提高蒸发速率；采用双层玻璃管结构不仅有效减少了环境热损失和提高太阳能利用率，还形成了空气带动蒸汽流动的通道，避免水蒸汽聚集现象发生；CSIED装置可以根据应用需求进行灵活的串联或并联，实现大规模化应用，研究结果为界面蒸发技术在实际环境中的应用提供了新的解决方案。这些创新不仅可以推动界面蒸发技术向实际应用的转化，也为解决全球淡水资源短缺问题提供了新的技术路径。该研究的成功实施将为未来太阳能驱动的海水淡化和污水处理领域带来重要的技术突破。
该论文王腾月博士为第一作者，雷东强、白凤武研究员为通讯作者，研究成果获得了国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项“CPC聚光式太阳能界面蒸发海水淡化系统关键技术研究（2022YFE0129700）”的资助。
注：本文章转载自中国科学院电工研究所，不代表本网观点立场。
