太阳能海水淡化系统的结构集成

前進

热定位太阳能海水淡化工艺因其高效的水蒸发潜力而备受关注。之前的工作重点是开发新型光热材料和优化热管理，以提高系统蒸发率。然而，海水淡化装置的产水率主要与其蒸发器的性能无关，这使得将提高的系统蒸发率转化为实际产水率具有挑战性。
近日，东华大学朱美芳院士/徐桂银教授团队从太阳能海水淡化系统的基本结构出发详细分析了系统的能量传递和传质耦合过程，深入探讨了系统的工业化设计策略。该工作以“Structure integration and architecture of solar-driven interfacial desalination from miniaturization designs to industrial applications”为题发表在Nature Water期刊上（DOI:10.1038/s44221-024-00200-1）。该工作明确了蒸汽冷凝对提高产水率的重要意义，并强调了潜热回收的重要性。重点分析了海水淡化系统的工业设计、应用场景、目前的局限性以及潜在成本。此外，这项工作还介绍了混动系统在未来抗干扰、快响应、全天候海水淡化系统设计中的潜力。内容介绍海水淡化技术已被广泛用于解决水资源短缺问题。近年来，随着全球倡导碳中和，以无处不在的太阳能为动力的太阳能海水淡化被推到了前沿。太阳能海水淡化为太阳能资源丰富的低收入缺水国家（图 1a、1b），尤其是中东、北非和撒哈拉以南非洲国家（图 1c）提供了一个前景广阔的解决方案。聚光太阳能海水淡化技术的基础是收集太阳热，将海水加热成蒸汽，然后通过冷凝收集淡水（图 2a）。以太阳能多效蒸馏、多级闪蒸、空气加湿和除湿为代表的聚光太阳能海水淡化系统可实现超过 1000% 的系统效率（淡水生产潜热与热能输入之比）。太阳能直接蒸馏采用简化的系统，通过集成蒸发器和冷凝器，避免了蒸汽的长距离输送。然而，它们的热转换性能较差，能量容易耗散，因此太阳能转化为蒸汽的效率较低（30%~45%）（图 2b）。新兴的太阳能界面海水淡化（SID）克服了这些问题，它采用热局部能量吸收和传递机制，实现了太阳能热量的实时利用，避免了热能转换和传递造成的能量损失（图 2c）。该系统能够在低光学浓度和低蒸发温度条件下保持高效率。然而，无论是在集中式还是分布式家庭使用方面，将 SID 扩大到工业规模以进行实际应用的问题一直被忽视。这项工作分析了实现 SID 系统规模化的设计和优化策略，展示了不同应用场景下的优化 SID 设备，并总结了 SID 系统的工业化潜力。此外，这项工作还基于过去的研究基础，从实验室级设备性能到未来的实际工业效率，分析了从理论到现实的可行工业解决方案。图1：世界水资源和太阳能资源分布。a全球整体水风险指数。b显示世界不同地区国家的水风险和人均国内生产总值的关系图.c全球太阳辐照通量。图 2. 太阳能海水淡化工艺示意图。a 传统聚光太阳能海水淡化工艺的原理和结构。b 基于底部加热模式的传统太阳能蒸馏器以及使用纳米颗粒的太阳能体积蒸发方案。c SID 工艺的原理和结构。一个从理论到实际的解决方案在平衡成本时，产水量是工业化SID设计最关键的指标。采用多级设计比单级设计更有价值。与纯热驱动系统相比，混合驱动系统有望解决系统由自然环境中的时空变化和天气变化，造成的太阳光通量波动的问题，实现多级系统的稳态运行。图3显示了采用高性能太阳能混合驱动的多级系统的原理和示例。太阳能吸收器将短波辐射转化为电能储存起来，将长波辐射转化为热能驱动系统运行。提高太阳光通量可通过适当的光浓度措施来实现。当太阳光通量波动时，储存的电能可帮助驱动系统保持稳定运行。值得注意的是，夜间太阳辐射不足会使海水淡化系统长时间处于停机状态，导致系统平均生产率较低。通常，沿海地区风力充沛，光照充足，可将其转化为电能储存起来，收集到的清洁能源可驱动系统在夜间持续运行，还可为抽水泵、储水箱等设备供电。因此，注重系统的抗干扰性、快速响应性和全天候性对未来设计高性能SID系统很有参考价值。图3. 全天候运行的SID系统示意图。应用前景和经济分析前置系统结构简单，易于建造和维护。小型化的前置海水淡化设备可以经济高效地生产，可应用于各种场合，包括个人家庭、岛屿地区、近海背水地区、灾后应急、野外探险和近海工业设施。相对的，后置系统则具有很高的产水率。不过其制造成本高于前置系统。该系统主要适合用于日照时间长的地区、贫困落后地区和缺乏电力能源的地方。经济可行性是SID工艺应用的主要驱动力，SID只有在制水成本接近甚至低于自来水和瓶装水的情况下才有商业竞争力。在以前的 SID 系统中（表 1），淡水生产成本可低至每吨 0.4 美元，这显示了其巨大的经济潜力。此外，由于后置/混合驱动系统需要额外的组件，这可能会导致系统成本增加。不过，后置系统的产水量明显高于前置系统（表 1），而且相同的产水量下，后置系统所需的占地面积更小。淡水生产成本主要取决于设备的材料成本和占用空间的成本。材料成本可以通过技术升级得到优化，但土地是不可再生资源，因此后置SID系统具有明显的成本优势。此外，SID还具有更多的环境和社会优势，如减少二氧化碳排放，这些都应在未来全面评估其技术经济性时加以考虑。表1.不同系统类型的产水率比较。总结与展望SID在缓解全球水危机和减少碳足迹方面拥有巨大潜力。前置SID系统以其显著的适应性、低成本和易生产等优势得到重点关注。小型化前置SID设备的开发也为家庭和个人使用带来了希望。而后置SID系统可减少蒸汽和冷凝水的光损失，同时可以利用高性能冷凝器材料提高蒸汽冷凝效果，从而提高制水效率。此外，潜热回收系统的多级设计成倍提高了后置SID系统的性能，开创了工业应用的新时代。为了实现商业上的可行性，后置系统必须在水生产率、设备寿命和成本之间取得平衡。大规模工业应用还可以通过减少碳排放来创造社会经济效益。通过部分储存太阳能并引入其他清洁能源的混合驱动 SID 解决方案也已出现，它可以实现海水淡化系统的抗干扰、快速响应和全天候运行。SID 系统在生产淡水时会产生额外的过程，即蒸汽潜热的释放和海水的浓缩。蒸汽释放的潜热能量可通过一系列功能材料/结构，通过物理化学过程（如摩擦电、热电、压电和水伏特等）转化为电能。虽然产生的电能较小，不足以用于商业或工业应用，但在满足照明需求、为小型电气设备供电方面仍有很大潜力。另一方面，海水的浓缩使海水中的化学资源得到富集。浓缩的盐水中含有其他具有经济价值的矿物盐，如锂和铀等，使用 SID 系统进行富集可节省大量能源和技术工作，从而经济地提取这些矿物盐。这项工作从海水淡化和海洋资源开发两方面探讨了SID的潜在应用，明确了其在解决全球水危机和海洋资源开发中的重要作用。