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新加坡国立Tan Swee Ching:太阳能光热蒸发与大气集水技术基准测试与性能评估

2022.05.07 来自:能源学人 张垚鑫

绿色、低碳的太阳能清洁水生产技术对于全球水资源的可持续与缓解水资源危机具有重要的战略意义。其中,具有代表性的太阳能光热界面蒸发技术与基于空气水分吸附的大气集水技术近年来获得了巨大的国际关注度,并取得了一系列显著进展。然而,已有文献对以上两项新兴技术的实验测试与数据报道仍存在着较大的误区与分歧,因此亟需明确针对上述两种技术的标准化测试与性能评估的行业标准。


鉴于此,新加坡国立大学Tan Swee Ching教授等人于近日在Nature Sustainability上发表了题为“Best practices for solar water production technologies”的评论文章,该工作系统剖析了存在于太阳能光热蒸发技术与吸附式大气集水技术测试、表征与报道过程中的问题与误区,提出并详细讨论了应对上述问题的标准化测试与性能评估的最佳实践方案,为相关测试制定了行业规范和标准,为基于上述两种策略的太阳能水生产技术的发展提供了新的思路。


图片图1:a)太阳能光热界面蒸发技术,b)吸附式大气集水技术的工作原理示意图。


针对于太阳能光热界面蒸发技术:文章首先强调了可稳定、均匀输出AM 1.5模拟太阳光的重要性。为了抑制额外的、来自光源与环境热量的输入,作者推荐掩模版在光照测试中的使用,并进一步建议对光热蒸发器进行必要的测试前的封装,以减少非曝光区域与空气间的热质交换。无风环境对于测试数据的有效性与可比性具有至关重要的作用。为尽可能稀释上述因素的干扰并保持测试数据的准确性,文章建议使用大尺寸的样品进行光照蒸发的测试。此外,作者后续强调了模拟工具在保障与验证测试方法的合理效度方面的重要性。


在光热蒸发领域,一个最具代表性的性能参数是蒸发速率,然而这一参数无法真实反映单位面积和时间下所使用蒸发器的产水量。这是因为蒸发速率是由观测体系质量的减少(mass loss)测得,忽视了系统的冷凝过程,而真正具有现实意义的产水能力,即水收集速率,应该测试质量的增加(mass gains)。在文章中,作者着重强调了报道水收集速率的重要性,并详细探讨了近期可实现高效光热蒸发冷凝的参考策略。


除盐离子浓度外,文章指出有机与微生物检测也是完备的水质检测过程中必不可少的环节,同样应该受到学界的重视。作者进一步制定了微纳结构下光热界面蒸发焓的调节机制与评估标准,为明确光热蒸发机制提供了理论依据。


针对于太阳能驱动的吸附式大气集水技术:文章首先强调了全湿度等温吸附测试的重要性,并着重推荐了0-20%湿度区间的探索,因为阐明低湿度下的吸附行为可以更好地帮助理解固气交互过程与吸附位点的取向问题,并益于指导适用于干旱气候的高性能吸附剂材料的设计。作者同时推荐了多温度的等温吸附测试与多压力的等压脱附测试,用以模拟并预测大气集水材料在不同工况下的运行特性。值得注意的是,文章指出大气水吸附与脱附动力学更适合采用大尺寸器件进行实验评估,而不建议使用颗粒、粉末等小尺寸样品进行测试,因为前者可以较为真实的还原现实运行场景中材料内部的热质传递情形。


另一个阻碍大气集水领域不同材料之间比较的现状是,文献往往采用不同的核心性能参数进行选择性进行报道,矛盾点主要在于质量产率(litre/kg·day)与面积产率(litre/m2·day)。文章作者认为,以上两个参数对于大气集水材料的评估都具有重要的参考价值,值得同时报道,因为同时实现高的质量产率与面积产率至关重要,这是由于,在未来理想的大气集水材料/装置应同时具备小型化、轻便、高产水率的特点。


此外,受限于不同的工作模式与循环次数,大气集水材料与装置的日产水率难以准确比较。鉴于此,作者建议对吸附剂材料的脱附能量需求进行定量评估,即报道吸附剂材料在单位能量输入下的产水量(specific water yield:litre/kWh)。在总日射量一定的情况下,可以有效预估不同材料的产水率极限,从而摆脱不同工作模式与循环条件的限制。


太阳能驱动的清洁水生产技术本身具有绿色可持续的优势,所以其应用阶段的可持续性很大限度上由材料本身所决定。然而制备千克级别的、具备扩大化潜力的高性能材料依旧是一个重大挑战,因此文章在最后强调了报道成本分析与合成制备过程的重要性与现实意义。




相关线下活动:


第十二届光热发电中国聚焦大会2022(2022年5月26-27日,中国北京)

第五届光热发电中东北非大会2022(时间待定,阿联酋迪拜)


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