【研究背景】调查显示全球三分之一人口受到淡水短缺的影响，考虑到海水的广泛分布，海水淡化技术是解决淡水紧缺问题的有效途径之一。目前包括反渗透和多级闪蒸等海水淡化技术已经得到商业化应用，并成功缓解了部分地区的淡水需求压力，然而这些技术需要完备基建支撑、集中式安装和大量能源供应，不适用于发展中或离网地区。被动式太阳能蒸馏器通过太阳能加热产生蒸汽并依靠冷凝收集淡水，具有运行简单可靠和适用范围广等优势，对偏远地区和基建落后地区尤为重要，然而受到低效率限制（约35%），传统太阳能蒸馏器的产水成本高且面积需求大，严重限制了其广泛使用。 采用界面局部加热的太阳能蒸发通过将太阳能光热转换置于气液蒸发界面，大幅度提升了太阳能蒸发效率，并成为了能源科学、材料科学和热科学的研究热点。尽管太阳能界面蒸发效率很高，但如果对蒸汽焓不加以利用，太阳能-蒸汽转化效率上限仅为100%，因此回收蒸汽焓是进一步提升能量转换效率的关键。冷凝热回收已经在大型多级蒸馏型海水淡化系统上广泛使用且十分有效，但如何将冷凝热回收在小型太阳能海水淡化装置中和太阳能界面蒸发结合起来仍然存在理论与技术上的诸多挑战。 【成果简介】近日，上海交通大学制冷与低温工程研究所的王如竹教授和徐震原副教授等组成的ITEWA创新团队与麻省理工学院Evelyn N. Wang教授和Lenan Zhang博士等合作，在能源领域顶级期刊Energy & Environmental Science上发表了有关超高效太阳能海水淡化研究成果Ultrahigh-efficiency desalination via a thermally-localized multistage solar still，上海交通大学为第一完成单位。该研究提出的局部加热型多级太阳能蒸馏巧妙结合了太阳能界面蒸发和多级冷凝热回收，在一个太阳辐照下（1000 W m-2）创纪录地实现了385%的太阳能蒸发效率和5.78 L m-2 h-1的产量，比此前的效率记录高约2倍，为实现超高效的被动式太阳能海水淡化提供了全新思路和理论框架。
【文章简介】如图1所示，本研究提出的“局部加热型多级太阳能蒸馏（Thermally-localized Multistage Solar Still - TMSS）”结合了太阳能界面蒸发和多级冷凝热回收：（1）在第一级装置中，太阳能吸收层被气凝胶和吸液芯夹在中间，将太阳能高效转换为热能并用于海水蒸发，气凝胶防止吸收层的热量通过辐射、对流和导热形式向外泄露，吸液芯薄层与海水保持线接触以减少热损并依靠毛细力补充海水维持连续蒸发（太阳能界面局部加热），蒸发过程产生的水蒸汽在冷凝薄板上凝结为淡水。（2）在后续多级装置中，前一级冷凝过程释放的冷凝热会作为热源（多级冷凝热回收），驱动蒸发-冷凝的蒸馏过程并获得额外的淡水，其中最后一级的冷凝热排放到海水中。 由于太阳能界面蒸发与多级冷凝热回收分别可以在“太阳能蒸汽”和“蒸汽水”的环节提升系统效率，且二者对系统性能的提升是相乘关系，因此在该TMSS架构下太阳能海水淡化整体效率可以得到显著提升。除此以外，该TMSS架构在太阳能界面蒸发中将光热转换、绝热和毛细补水功能进行分层实现，在实现高效太阳能蒸发的同时降低了对蒸发器多性能耦合的要求，提升材料选取灵活性并降低成本。
图 4 相关研究的太阳能-蒸汽转换效率与产率对比 ：和分别代表太阳能蒸馏实验数据（有水收集）和太阳能蒸发实验（无水收集），实心标记代表多级太阳能蒸馏实验研究，标记代表模拟电加热实验研究，灰色虚线代表无蒸汽焓回收的效率极限 (100%). 大部分实验在一个太阳辐照下进行，而 [a], [b], [c]和 [g] 采用了600 W m-2 太阳辐照，[d]采用了 700 W m-2 太阳辐照，[e] 采用了570 W m-2 太阳辐照，而[f] 采用了900 W m-2 电加热进行实验.海水淡化的最重要目的是为了除盐，为了对TMSS装置有效性进行验证，本研究进行了淡化水盐度测量，结果如图5(a) 所示。在盐度测试中采用3.5 wt% NaCl模拟海水，并测量了淡化后的冷凝水含盐量为0.0005 wt%，比海水中盐度降低4个数量级，比WHO给出的饮用水盐度标准低2个数量级。 在太阳能界面局部加热中，采用多孔蒸发器进行局部加热蒸发可以有效减少蒸发器向海水的导热和对流热损，但同时增加了蒸发后浓盐水的盐度扩散，进而可能造成结盐并降低蒸发器性能。为了对TMSS装置的长效性进行验证，本研究进行了排盐测试，结果如图5 (b) 所示。在盐分积累中采用1.5个太阳辐照进行3.5小时测试，进而模拟总计5.25 kW h m-2的昼间太阳能输入（年平均单天辐照量约为4.5 kW h m-2），蒸发器在2小时后开始出现结盐，但增长缓慢；在蒸发实验后关闭光源，模拟蒸发器在夜间的被动扩散排盐，可以发现在15小时候蒸发器的结盐完全消失。考虑到整个实验持续时间18.5小时比每天24小时工作时长短，该装置在承受更强辐照输入的情况下也可以保证无盐分积累的长效工作。
图 5 实验装置的盐度测试和排盐测试. (a) 淡化前和淡化后的盐度对比. 绿色虚线为WHO的饮用水盐度标准. (b)排盐性能测试. 监测对象为蒸发器左上角区域，中心插图代表实验前无结盐状态，左上为持续3.5小时的模拟昼间蒸发盐分积累，右下为持续15小时的模拟夜间盐分被动扩散，虚线代表结盐边界，比例尺为1厘米.【总结】该工作结合太阳能界面蒸发和多级蒸馏，提出了局部加热型多级太阳能蒸馏（Thermally-localized Multistage Solar Still - TMSS）架构，通过建立TMSS基础传热传质模型进行全面分析，指出全局传热传质优化是达到高效能量转换的关键。根据模型指导并采用低成本材料加工了十级TMSS装置，并在一个太阳辐照条件下达到385%的太阳能蒸发效率和5.78 L m-2 h-1的产量，比此前的效率记录提升约2倍。该工作不但为解决偏远或离网地区淡水短缺问题提供了实际解决方案，也为实现超高效的被动式太阳能海水淡化提供了全新思路和理论框架。 该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目（51976123）和创新研究群体项目（51521004）的资助。【团队简介】
第一作者-徐震原副教授 徐震原，上海交通大学机械与动力工程学院副教授。主要研究兴趣为太阳能和余热利用的吸收式系统、太阳能取水和冷凝过程；主持国家自然科学基金面上和青年项目、国家重点研发计划子课题等；担任Energy客座编辑，受上海市浦江人才计划支持，获得2019年国际制冷学会James Joule 青年奖。 上海交通大学王如竹教授领衔的ITEWA创新团队（Innovative Team for Energy, Water & Air）致力于解决能源、水、空气交叉领域的前沿基础性科学问题和关键技术，旨在通过学科交叉实现材料-器件-系统层面的整体解决方案，推动相关领域取得突破性进展。成立近两年来在Joule、Advanced Materials，Angewandte Chemie和 Energy Storage Materials等期刊发表多篇论文。 麻省理工学院Evelyn N. Wang 教授带领的Device Research Lab 长期从事有关纳米结构传热强化，太阳能高效利用，水收集与水处理，热管理及热测量等领域的基础前沿研究(http://drl.mit.edu/)，在国际上具有很高知名度。其相关研究成果发表于Science, Science Advances, Nature Energy, Nature Materials, Nature Nanotechnology和Nature Communications 等知名期刊。 Zhenyuan Xu, Lenan Zhang, Lin Zhao, Bangjun Li, Bikram Bhatia, Chenxi Wang, Kyle L Wilke, Youngsup Song, Omar Labban, John H Lienhard, Ruzhu Wang, Evelyn N Wang. Ultrahigh-efficiency desalination via a thermally-localized multistage solar still. Energy & Environmental Science, 2020. DOI: 10.1039/c9ee04122b