南大朱嘉教授团队Joule：蒸汽焓存储利用，太阳能水电联产

【研究背景】

电力以及洁净水资源已成为人们生活中必不可缺的元素，然而在世界很多地方，尤其一些发展中国家和偏远地区，人们仍然面临着洁净水资源和电力资源的短缺。近几年来，界面光蒸汽转换(interfacial solar steam generation)作为新兴太阳能利用技术因其高转换效率及其在海水淡化、卫生、化工等诸多领域的应用前景，引起学界、产业界的广泛关注。过去几年世界各地的研究小组尝试通过各种方法，包括材料结构设计、光学调控、热学管理以及低维水通道的创新，极大地提高了光-蒸汽转换效率。然而，在诸多界面光蒸汽转换的研究工作中，蒸汽焓在冷凝过程中往往被直接交换到环境中成为了废热，白白被浪费掉了（如图1A 所示）。

针对这一问题，南京大学朱嘉课题组通过材料与器件结构设计，将高效界面光热转换与蒸汽冷凝潜热的存储进行结合，并集成了热电模块进行产电，最终实现了只需太阳光和自然水源，即可同时产出洁净水和电的太阳能器件。该太阳能器件另一个重要的功能是，由于设计中具备热存储功能，即便天气状况不理想或太阳落山后，依然可以持续输出电能（如图1B 所示）。

【图文解析】

图1. 界面太阳能蒸汽冷凝过程示意图：(A) 传统界面光热转换设计，蒸汽冷凝过程中，其蒸汽焓被释放到环境中；(B) 蒸汽焓收集及利用设计，结合了热存储及热电转换功能，从而实现水电联产。

器件工作的基本过程和原理如图1B 所示，以自然水源为源头，借助于界面太阳能蒸汽技术来产生高温蒸汽。随后将高温蒸汽输送到储热模块中，通过与储热模块的热交换，蒸汽焓被有效的存储。同时，蒸汽在此过程中冷凝成水滴从器件中流出。储存的热量，借助于热电模块可有效产生电能。最终达到以太阳光和自然水源为源头，实现洁净水和电的联合产出。

图2. 太阳能水纯化性能：(A) 在不同光照强度下的产水速率； (B) 在不同光照强度下产生蒸汽的温度； (C) 在不同光照强度下的光热蒸汽转化效率； (D) 纯化前后水质量检测。

如图2所示，器件具有优异的产水性能。由于借助界面光蒸汽技术，器件进入平衡状态的时间被大大缩短（在8, 17, 22 和30 kW/m2 条件下，需要的稳态时间分别为666 s, 146 s, 40 s 和 32 s)。如图2A所示，在8, 17, 22 和30kW/m2 条件下，生成蒸汽的速率可达4.2, 15.5, 24.3, 和34.8 kg/m2h。经计算，在不同光照强度下相应的蒸汽产生效率可达36.4%, 64.7%, 73.3% 和81.7%；连接有储热模块后，相应产水效率可达26.5%, 60.5%, 70.0%和74.7%。 纯化前后水质量的变化如图2D所示，即便以受Pb2+, Cu2+ 和 Cr3+等高浓度重金属离子污染的水源，经该技术处理后，相应的浓度可降到0.007, 0.338 和5×10-4mg/L，远低于世界卫生组织对相应离子的要求 (Pb2+: 0.01 mg/L, Cu2+:2 mg/L, Cr3+: 0.05 mg/L)。

图3. 太阳能产电性能：(A) 不同光照强度下产生的开路电压；(B) 器件在不同光照强度下产生的短路电流； (C) 在不同光照强度下产电的功率；(D) 器件所产生的电能驱动风扇和LED的光学照片。在(A)和(B)中，20 分钟后关闭光源，器件的开路电压和短路电流依然保持输出，持续输出时间可通过热存储设计有效调控。

器件的产电性能如图3所示。如图3A和B所示，其开路电压和短路电流最大可达3.87 V 和0.55 A。在8, 17, 22 和30kW/m2 条件下，输出的产电功率分别为 1.7, 135.7, 363.0 和574 mW。经计算，器件的最大产电效率可达0.98%，通过过热蒸汽的利用，其最大产电效率可达1.23%， 从而可有效驱动小型电风扇和LED (如图3D所示)。如图3A和B所示，当关闭光源后，由于热学存储模块的作用，器件仍可以持续输出一段时间电能。输出时间的长短和热学模块储热能力的大小直接相关。现阶段，热学存储主要基于材料的显热，未来有望通过相变材料的设计来大幅度提升热学模块的存储能力，进而长时间调控电力的输出。

【小结及展望】

总结起来，该工作意义主要有几点：1）在界面光热转换中，首次实现了蒸汽焓的储存和再利用； 2）功能上，依靠太阳光和自然水源两种地球上最充沛的资源，即可以实现洁净水和电的联产；3）器件上，将界面光热转换与热存储、热电转换有机衔接，从而实现了一种新型的太阳能转换、存储与利用一体化的功能器件。

目前太阳能光-蒸汽的能量转换效率可达70%以上，通过对蒸汽焓的回收和再利用可再产生1.23%的电能。展望未来，随着热学调控的发展、工作温度的提高、热电材料性能的进步，相信这一类太阳能器件的性能有望获得进一步的提升。该器件基于可用于规模化生产的材料制备工艺、高的能量转移效率和储热能力，有望提供一种便携式的水电联产器件，以满足偏远地区及特殊场景下人们对饮用水和电力的需求。

Xiuqiang Li, Xinzhe Min, Jinlei Li, Ning Xu, Pengchen Zhu, Bin Zhu, Shining Zhu, Jia Zhu, Storage and recycling of interfacial solar steam enthalpy, Joule, 2018, DOI:10.1016/j.joule.2018.08.008

作者简介 

朱嘉教授本科毕业于南京大学物理系，后在美国斯坦福大学获得硕士和博士学位，随后在加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室从事能源和环境材料领域的研究，在此期间获得“国际材料学会优秀研究生金奖”、“中国政府优秀留学生奖”以及“美国化学学会无机化学青年科学家”。2013年回到南京大学担任现代工程与应用科学学院教授、博士生导师。多年来从事基于微纳结构的太阳能光热转换材料与器件方面的研究工作，迄今在Nature系列、Science系列、 Joule, PNAS, National Science Review, Nano Letters，Advanced Materials等高影响力学术期刊发表论文60余篇，他引超过3000次，申请国家、国际专利6项。所获得的奖项包括：陈嘉庚青年科学家奖、麻省理工技术评论全球35岁以下创新者榜单、杜邦“青年教授奖”等。